一种光纤光栅冲击压力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本实用新型涉及测量技术领域，尤其是一种光纤光栅冲击压力传感器。
【背景技术】
[0002]在冲击波物理、爆轰物理领域内，精确测量冲击压力对材料的物态方程及本构关系、含能炸药的燃烧?爆轰转换、高能炸药冲击起爆和爆轰性能、材料的冲击相变和材料动态损伤及断裂等研究具有重要意义。精确测量介质内的冲击压力对常规武器设计技术、破坏效应研究和新型材料研究具有直接的参考意义。
[0003]文献〈利用光纤光栅传感器测量炸药内的冲击压力>(P.G.Van’t Hof,L.K.Cheng, J.H.G.Schopltes, ff.C.Prinse.Dynamic Pressure Measurement of ShockWaves in Explosives by Means of a Fiber Bragg Grating Sensor,Proc.0f SPIEVol.6279, 62791Y, (2007) 0277-786/07.)报导了利用不等臂光纤 Mach-Zehnder 干涉装置，将冲击压力引起光纤光栅的波长移动转换为干涉信号，从而检测相位差的测量方法。该文献报导的所测冲击压力峰值约为lGPa，系统时间分辨本领为亚微秒量级。该技术存在以下不足:I)系统时间分辨本为亚微秒量级，对快冲击过程很难完全响应，造成信号“失真”，甚至“丢失”；2)需要预先精确标定压力-体积曲线，否则无法计算出冲击压力；3)很难精确地将不等臂光纤Mach-Zehnder干涉装置的光程差控制在I ±0.1 mm左右;4)所测冲击压力的峰值太小，约为IGPa。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是:针对现有技术存在的问题，提供一种光纤光栅冲击压力传感器，通过激光器、三端口环形器、放大及色散单元、边孔光栅光纤以及信号处理装置，完成检测冲击压力引起的光纤光栅的波长移动转换为时域信号，再通过信号处理装置的光电探测器和数字示波器完成信号记录。
[0005]本实用新型采用的技术方案如下:
[0006]—种光纤光栅冲击压力传感器包括用于产生重频飞秒激光信号的激光器;用于激光信号传递的三端口环形器、用于信号处理的放大及色散单元、用于反射光信号的边孔光栅光纤以及用于数据处理的信号处理装置;所述激光器输出端与三端口环形器第一端口，三端口环形器第二端口与边孔光纤光栅光连接;三端口环形器第三端口与放大及色散单元输入端连接;放大及色散单元的输出端与信号处理装置连接。
[0007]进一步的，所述放大及色散单元包括用于进行信号放大的掺铒光纤放大器、用于信号放大的前置拉曼放大器、进行色散傅里叶变换的光纤以及用于信号放大的后置拉曼放大器;所述掺铒光纤放大器输入端作为放大及色散单元的输入端;掺铒光纤放大器输入端与三端口环形器第三端口连接;掺铒光纤放大器输出端与前置拉曼放大器、光纤以及后置拉曼放大器输入端依次连接;后置拉曼放大器输出端作为放大及色散单元输出端。
[0008]进一步的，所述数据处理模块包括将时域信号转换为电信号的光电转换器、采集电信号的不波器;所述放大及色散单元输出端与光电转换器输入端连接;光电转换器输出端、示波器依次连接。
[0009]进一步的，所述激光器重复频率为50 MHZ?200 MHz;线宽为50nm?100 nm;平均功率为50 mff -200 mW;脉冲的上升时间为Ips?100 fs;中心波长为1550nm。
[0010]进一步的，所述当激光器是重频锁模飞秒激光器;重复频率为100MHz;线宽约为50nm;平均功率约为100 mW;脉冲的上升时间为100 fs;中心波长为1550nm。
[0011]进一步的，所述边孔光纤光栅的光栅长度范围为2mm?10mm;波长-压力常数范围为I nm/GPa ~10 nm/GPa;中心波长1550 nm
[0012]进一步的，所述边孔光纤光栅的光栅长度为5mm;波长-压力常数为5 nm/GPa;中心波长1550 nm。
[0013]综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是:
[0014]I)本传感器的可测峰值压力提高到10 GPa左右(可测压力峰值为激光器的线宽/边孔光纤光栅的压力-波长常数)，扩大了光纤光栅压力传感器的测量范围。
[0015]2)系统响应时间可达1ns(系统响应时间为激光器重复频率的倒数)左右，可较为真实地响应冲击过程；
[0016]3)本传感器采用的边孔光纤光栅的波长移动仅与冲击压力有线性关系，而与温度无关，因此该传感器不需要标定压力-体积曲线。
【附图说明】
[0017]本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
[0018]图1是本实用新型结构框图。
【具体实施方式】
[0019]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0020]主要元器件的技术指标如下:
[0021]a)本实用新型中的激光器为重频锁模飞秒激光器，其主要技术参数为:I)重复频率:50 MHZ?200 MHz;2)线宽:50nm?100 nm;3)平均功率:50 mff?200 mW;4)脉冲的上升时间:50fs~1000 fs;中心波长:1550nm。
[0022]b)3端口光环形器的主要技术指标为:1)线宽:50nm?100 nm;2)回波损耗>50dB;3)中心波长1550 nm0
[0023]c)边孔光纤光栅的主要技术指标为:I)光栅长度:2mm?10 mm;2)波长-压力常数为I nm/GPa ~10 nm/GPa;3)中心波长 1550 nm。
[0024]d)掺铒光纤放大器的主要技术指标为:1)增益:30dB?50dB;2)噪声:<2dB;3)中心波长 1550 nm。
[0025]e)拉曼放大器的主要技术指标为:I)增益:>1dB;2)噪声:<IdB;3)中心波长1550 nm;4工作波段:C波段。
[0026]f)光纤的主要技术指标为:I )群速度色散:17.4 ps nm_l km_l(中心波长1550nm) ;3)群速度:2.04X 18 m/s(中心波长 1550 nm)。
[0027]g)光电探测器的主要技术指标为:1)带宽:>15 GHz;2)增益:>1000 V/W;3工作波长范围:800nm?1700nmo
[0028]h)数字示波器的主要技术指标为:1)带宽:>12.5 GHz;2采样率:>50 GS/s;3)记录长度:>10 M Samples。
[0029]工作原理:如图1所述，激光器的每个脉冲经过3端口光环形器的第一端口进入第二端口和受冲击作用的边孔光纤光栅。光脉冲被边孔光纤光栅反射后，再从第三端口光环形器的第二端口进入第三端口，被掺铒光纤放大器、前置拉曼放大器进行预放，然后进入单模光纤进行色散傅里叶变换，同时被后置拉曼放大器进行光放大。最后，完成色散傅里叶变换后的信号被光电探测器、示波器记录。
[0030]一种光纤光栅冲击压力传感器包括用于产生重频飞秒激光信号的激光器;用于激光信号传递的三端口环形器、用于信号处理的放大及色散单元、用于反射光信号的边孔光栅光纤以及用于数据处理的信号处理装置;所述激光器输出端与三端口环形器第一端口，三端口环形器第二端口与边孔光纤光栅光连接;三端口环形器第三端口与放大及色散单元输入端连接;放大及色散单元的输出端与信号处理装置连接。其中所述放大及色散单元包括用于进行信号放大的掺铒光纤放大器、用于信号放大的前置拉曼放大器、进行色散傅里叶变换的光纤以及用于信号放大的后置拉曼放大器;所述掺铒光纤放大器输入端作为放大及色散单元的输入端;掺铒光纤放大器输入端与三端口环形器第三端口连接;掺铒光纤放大器输出端与前置拉曼放大器、光纤以及后置拉曼放大器输入端依次连接;后置拉曼放大器输出端作为放大及色散单元输出端。
[0031]进一步的，所述数据处理模块包括将时域信号转换为电信号的光电转换器、采集电信号的不波器;所述放大及色散单元输出端与光电转换器输入端连接;光电转换器输出端、示波器依次连接。
[0032]本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。
[0033]本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
【主权项】
1.一种光纤光栅冲击压力传感器，其特征在于包括用于产生重频飞秒激光信号的激光器;用于激光信号传递的三端口环形器、用于信号处理的放大及色散单元、用于反射光信号的边孔光栅光纤以及用于数据处理的信号处理装置;所述激光器输出端与三端口环形器第一端口，三端口环形器第二端口与边孔光纤光栅光连接;三端口环形器第三端口与放大及色散单元输入端连接;放大及色散单元的输出端与信号处理装置连接。2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅冲击压力传感器，其特征在于所述放大及色散单元包括用于进行信号放大的掺铒光纤放大器、用于信号放大的前置拉曼放大器、进行色散傅里叶变换的光纤以及用于信号放大的后置拉曼放大器;所述掺铒光纤放大器输入端作为放大及色散单元的输入端;掺铒光纤放大器输入端与三端口环形器第三端口连接;掺铒光纤放大器输出端与前置拉曼放大器、光纤以及后置拉曼放大器输入端依次连接;后置拉曼放大器输出端作为放大及色散单元输出端。3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅冲击压力传感器，其特征在于所述数据处理模块包括将时域信号转换为电信号的光电转换器、采集电信号的示波器;所述放大及色散单元输出端与光电转换器输入端连接;光电转换器输出端、不波器依次连接。4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅冲击压力传感器，其特征在于所述激光器重复频率为50 MHZ?200 MHz;线宽为50nm?100 nm;平均功率为50 mff?200 mW;脉冲的上升时间为Ips?100 fs;中心波长为1550nm。5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅冲击压力传感器，其特征在于所述当激光器是重频锁模飞秒激光器;重复频率为10MHz;线宽约为50 nm;平均功率约为100 mW;脉冲的上升时间为100 fs;中心波长为1550nmo6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅冲击压力传感器，其特征在于所述边孔光纤光栅的光栅长度范围为2mm?10 mm;波长-压力常数范围为I nm/GPa ~10 nm/GPa;中心波长1550 nmD7.根据权利要求1所述的一种光纤光栅冲击压力传感器，其特征在于所述边孔光纤光栅的光栅长度为5 mm;波长-压力常数为5 nm/GPa;中心波长1550 nm。
【专利摘要】本实用新型涉及测量技术领域，尤其是一种光纤光栅冲击压力传感器。本实用新型针对现有技术存在的问题，提供一种光纤光栅冲击压力传感器，通过激光器、三端口环形器、放大及色散单元、边孔光栅光纤以及信号处理装置，完成检测冲击压力引起的光纤光栅的波长移动转换为时域信号，再通过信号处理装置的光电探测器和数字示波器完成信号记录。本实用新型包括激光器、三端口环形器、放大及色散单元、边孔光栅光纤以及信号处理装置；所述激光器输出端与三端口环形器第一端口，三端口环形器第二端口与边孔光纤光栅光连接；三端口环形器第三端口与放大及色散单元输入端连接；放大及色散单元的输出端与信号处理装置连接。
【IPC分类】G01L5/00, G01L1/24
【公开号】CN205384110
【申请号】CN201521101340
【发明人】邓向阳
【申请人】中国工程物理研究院流体物理研究所
【公开日】2016年7月13日
【申请日】2015年12月28日