[發明專利]一種高速撞擊下光纖斷裂響應時間的測量裝置和方法

在審

• 申請號: 201710637336.2
• 申請日: 2017-07-31
• 公開（公告）號: CN107543681A
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 唐才杰;王學鋒;胡常青;楊勇;徐宇新
• 申請（專利權）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: G01M11/00
• 分類號: G01M11/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 龐靜

所屬技術領域

本發明涉及光纖斷裂響應時間的測量裝置和方法，特別是一種高速撞擊下光纖斷裂響應時間的測量裝置和方法，屬于光電測量技術領域。

背景技術

通過光纖的光信號通斷來進行事件的探測、定位和過程研究，具有響應時間快、抗電磁干擾能力強、定位優點高等優點，在高速撞擊試驗和測試中具有重要的應用。

高速撞擊事件的動態過程，通常利用不同位置光纖斷裂的時間來進行跟蹤。由于光信號限制在光纖的中心纖芯部分傳播，實際獲得的光纖斷裂時間為中心纖芯斷裂時間；難以獲得光纖從表面到中心纖芯的斷裂過程的響應時間。現有的分析模型，通常假定高速撞擊下光纖從包層到纖芯的斷裂過程的響應時間趨近于零，缺乏有效的測量方法來提供真實數據。

發明內容

本發明解決的技術問題是：針對現有的基于光纖的高速撞擊探測方法，難以確定光纖從包層到纖芯的斷裂過程響應時間的問題，提供一種高速撞擊下光纖斷裂響應時間的測量方法。

本發明的技術解決方案是：一種高速撞擊下光纖斷裂響應時間的測量裝置，該測量裝置包括光源、光分路器、多芯光纖、第一多芯光纖-單芯光纖耦合單元、第二多芯光纖-單芯光纖耦合單元、多個光電探測器、信號采集單元，所述光電探測器個數與多芯光纖的纖芯數目對應；

光源發出的光經過光分路器分成多路，每一路光通過第一多芯光纖-單芯光纖耦合單元輸入至多芯光纖的一個纖芯，多芯光纖的每個纖芯內光信號通過第二多芯光纖-單芯光纖耦合單元輸出至對應的光電探測器轉換成電信號；多芯光纖位于被撞擊體待測撞擊部位，多芯光纖纖芯受到高速撞擊時發生斷裂，其對應的光電探測器輸出的信號的由“有效狀態”變為“無效狀態”，信號采集單元監測光電探測器的輸出的電信號狀態變化時刻，根據多芯光纖各纖芯的發生斷裂時刻，得到光纖斷裂響應時間。

所述光電探測器包括光電二極管、跨阻放大電路、鉗位放大電路；

光電二極管將光信號轉換成電流信號輸入至跨阻放大電路；跨阻放大電路將電流信號轉換成電壓信號輸出至鉗位放大電路，鉗位放大電路將其鉗位放大并輸出；所述跨阻放大電路的線性工作區覆蓋光信號功率變化引起的電流變化范圍；所述鉗位放大電路飽和區電壓高于通斷測試時光信號斷開對應的跨阻放大電路輸出電壓。

所述鉗位放大電路為輸入鉗位放大電路。

所述鉗位放大電路從飽和區進入線性區的恢復時間不大于10ns。

所述跨阻放大電路包括電壓反饋運算放大器、電阻R8、電阻R10、電容C9；電壓反饋運算放大器反向輸入端為跨阻放大電路的輸入端，電壓反饋運算放大器正向輸入端接地，電阻R8和電容C9并聯連接在電壓反饋運算放大器的反向輸入端和輸出端之間，電壓反饋運算放大器的輸出端連接電阻R10，電阻R10的另一端為跨阻放大電路的輸出。

所述鉗位放大電路包括鉗位運算放大器、電阻R16、R17、R18，電阻R16的一端接地、另一端連接鉗位運算放大器的正向輸入端和鉗位放大電路的輸入端，電阻R17跨接在鉗位運算放大器反向輸入端和輸出端之間，電阻R18跨接在鉗位運算放大器反向輸入端和地之間，鉗位運算放大器的輸出即為鉗位放大電路的輸出。

所述信號采集單元同步采集各光電探測器的輸出的電信號。

所述信號采集單元的采樣頻率大于100MHz。

本發明提供的另一個技術解決方案是：一種高速撞擊下光纖斷裂響應時間的測量方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟一、將多芯光纖鋪設在被撞擊體表面待測撞擊部位；

步驟二、依次連接光分路器、第一多芯光纖-單芯光纖耦合單元、多芯光纖、第二多芯光纖-單芯光纖耦合單元、多個光電探測器和信號采集單元；

步驟三、開啟光源，使光源發出的光經過光分路器分成多路，每一路光順序通過第一多芯光纖-單芯光纖耦合單元、多芯光纖的纖芯和第二多芯光纖-單芯光纖耦合單元輸出至對應的光電探測器；

步驟四、撞擊體高速撞擊被撞擊體，使多芯光纖纖芯受到高速撞擊發生斷裂；

步驟五、實時監測光電探測器輸出的信號狀態變化時刻，根據多芯光纖各纖芯的發生斷裂時刻，得到光纖斷裂響應時間。

本發明與現有技術相比的有益效果是：

(1)、本發明提供了一種高速撞擊下光纖斷裂響應時間的測量裝置和方法，利用多芯光纖不同纖芯在光纖橫截面上的分布，根據不同纖芯斷裂時導致的光電探測器輸出的信號狀態變化時刻，根據多芯光纖各纖芯的發生斷裂時刻，得到精確的光纖斷裂響應時間；