[發明專利]一種應用于爆轟壓力測量的光纖探頭及其制作方法

有效

• 申請號: 201911181747.0
• 申請日: 2019-11-27
• 公開（公告）號: CN110864844B
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 陶世興;葉雁;蒙建華;高鵬;冉茂杰;何莉華;朱禮國;譚福利
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號: G01L5/14
• 分類號: G01L5/14
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 陽佑虹

本發明公開了一種應用于爆轟壓力測量的光纖探頭及其制作方法。光纖探頭包括光纖光柵、尾纖、外殼支架、光纖套管和熱縮管；外殼支架一端的中部開設灌封槽，沿軸線方向貫穿開設毛細孔；光纖光柵通過灌封材料固定于灌封槽軸線上；尾纖與光纖光柵軸向連接，尾纖的自由端穿過毛細孔；熱縮管和光纖套管套設于尾纖和光纖光柵的連接部位；光纖光柵的自由端端面設置于灌封槽端面中心位置。將光纖光柵的自由端通過毛細孔后，固定于灌封槽中心的端面；配比灌封材料，將配比好的灌封材料注入灌封槽內；待灌封材料固定后，對光纖探頭進行壓力標定。本發明的光纖探頭在爆轟瞬態壓力測試方面，具有極高的動態壓力響應范圍和極快的時間靈敏度。

技術領域

本發明涉及光纖傳感技術研究領域，尤其是一種應用于爆轟壓力測量的光纖探頭的結構，及該光纖探頭的制作方法。

背景技術

現有的沖擊壓力傳感器有錳銅應力計和PVDF薄膜、LiNbO2晶體、石英晶體等壓電傳感器以及有源光纖壓力傳感器。錳銅壓力計的上限值在50GPa且時間響應最快只能到20ns左右；石英晶體、LiNbO2等壓電傳感器雖具有較快的時間響應，但在3－4GPa時要發生相變，限制了其使用范圍；PVDF壓電計一般被用在2GPa以下的的測量領域；有源光纖壓力傳感器只能用于0.5GPa以下的壓力測量并且響應時間最快為微秒級，不能滿足爆轟試驗的要求。

美國人G.Rodriguez于2014年報道了基于波分復用器分光結合光電探測器陣列和基于波長-時間映射時間拉伸結合高速信號采集的光纖光柵動態壓力測量技術，其中第一種技術受限于波分復用器路數，光譜分辨率很低，第二種技術采樣率受限于光源脈沖周期，時間分辨率有限，另外兩種技術均沒有成功應用于沖擊波壓力測量的報道。

光纖光柵主要成分為二氧化硅，大量實驗結果表明，其可用于瞬態壓力測量，但一方面光纖相變壓力為7GPa，對于高于7GPa瞬態壓力，其無法測量。而低壓力測量方面，小于1MPa的壓力引起的光纖光柵布拉格波長位移很小，導致信號解調精度低。

發明內容

本發明的發明目的在于：針對上述存在的問題，提供一種應用于爆轟壓力測量的光纖探頭，以及該種光纖探頭的制作方法。以使得可以測試的壓力范圍從裸光纖光柵的7GPa-1MPa擴展到40GPa-1kPa，且響應時間在10ns以內。

本發明采用的技術方案如下：

一種應用于爆轟壓力測試的光纖探頭，其包括光纖光柵、尾纖、外殼支架、光纖套管和熱縮管；外殼支架一端的中部，沿軸向開設有灌封槽，外殼支架沿軸線方向貫穿開設有毛細孔；光纖光柵通過灌封材料固定于灌封槽軸線上，且整體埋設于灌封材料中；尾纖與光纖光柵軸向連接，尾纖的自由端穿過外殼支架的毛細孔；熱縮管和光纖套管套設于尾纖和光纖光柵的連接部位；光纖光柵的自由端端面設置于灌封槽端面中心位置。

光纖光柵為較硬但極脆材料，其受到軸向瞬態沖擊壓力時，光柵軸向壓縮或者拉伸，引起布拉格波長位移變化，但由于沖擊壓力波陣面不可能絕對垂直于光柵軸向，光纖光柵同時受到橫向作用力，極易折斷，導致無完整壓力信號輸出，經過灌封之后，增加光柵橫向支撐作用，爆轟驗證試驗表明，其在40GPa-1kPa的爆轟壓力(壓強)測試下，仍可以得到完整的爆轟瞬態壓力上升沿，且響應時間在10ns以內。

進一步的，毛細孔開設于外殼支架的中軸線上。

毛細孔開設于外殼支架的中軸線上，貫穿外殼支架的兩端，使得光纖光柵從毛細孔穿過后，即被定位到灌封槽中心，無需再為其定位進行復雜操作。

進一步的，灌封材料選取規則為：對于高爆轟壓力測試，選用固化后硬度高于石英的灌封材料，對于低爆轟壓力測試，選用固化后硬度低于石英的灌封材料。