[发明专利]一种应用于爆轰压力测量的光纤探头及其制作方法

说明书

本发明公开了一种应用于爆轰压力测量的光纤探头及其制作方法。光纤探头包括光纤光栅、尾纤、外壳支架、光纤套管和热缩管；外壳支架一端的中部开设灌封槽，沿轴线方向贯穿开设毛细孔；光纤光栅通过灌封材料固定于灌封槽轴线上；尾纤与光纤光栅轴向连接，尾纤的自由端穿过毛细孔；热缩管和光纤套管套设于尾纤和光纤光栅的连接部位；光纤光栅的自由端端面设置于灌封槽端面中心位置。将光纤光栅的自由端通过毛细孔后，固定于灌封槽中心的端面；配比灌封材料，将配比好的灌封材料注入灌封槽内；待灌封材料固定后，对光纤探头进行压力标定。本发明的光纤探头在爆轰瞬态压力测试方面，具有极高的动态压力响应范围和极快的时间灵敏度。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术研究领域，尤其是一种应用于爆轰压力测量的光纤探头的结构，及该光纤探头的制作方法。

背景技术

现有的冲击压力传感器有锰铜应力计和PVDF薄膜、LiNbO2晶体、石英晶体等压电传感器以及有源光纤压力传感器。锰铜压力计的上限值在50GPa且时间响应最快只能到20ns左右；石英晶体、LiNbO2等压电传感器虽具有较快的时间响应，但在3－4GPa时要发生相变，限制了其使用范围；PVDF压电计一般被用在2GPa以下的的测量领域；有源光纤压力传感器只能用于0.5GPa以下的压力测量并且响应时间最快为微秒级，不能满足爆轰试验的要求。

美国人G.Rodriguez于2014年报道了基于波分复用器分光结合光电探测器阵列和基于波长-时间映射时间拉伸结合高速信号采集的光纤光栅动态压力测量技术，其中第一种技术受限于波分复用器路数，光谱分辨率很低，第二种技术采样率受限于光源脉冲周期，时间分辨率有限，另外两种技术均没有成功应用于冲击波压力测量的报道。

光纤光栅主要成分为二氧化硅，大量实验结果表明，其可用于瞬态压力测量，但一方面光纤相变压力为7GPa，对于高于7GPa瞬态压力，其无法测量。而低压力测量方面，小于1MPa的压力引起的光纤光栅布拉格波长位移很小，导致信号解调精度低。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种应用于爆轰压力测量的光纤探头，以及该种光纤探头的制作方法。以使得可以测试的压力范围从裸光纤光栅的7GPa-1MPa扩展到40GPa-1kPa，且响应时间在10ns以内。

本发明采用的技术方案如下：

一种应用于爆轰压力测试的光纤探头，其包括光纤光栅、尾纤、外壳支架、光纤套管和热缩管；外壳支架一端的中部，沿轴向开设有灌封槽，外壳支架沿轴线方向贯穿开设有毛细孔；光纤光栅通过灌封材料固定于灌封槽轴线上，且整体埋设于灌封材料中；尾纤与光纤光栅轴向连接，尾纤的自由端穿过外壳支架的毛细孔；热缩管和光纤套管套设于尾纤和光纤光栅的连接部位；光纤光栅的自由端端面设置于灌封槽端面中心位置。

光纤光栅为较硬但极脆材料，其受到轴向瞬态冲击压力时，光栅轴向压缩或者拉伸，引起布拉格波长位移变化，但由于冲击压力波阵面不可能绝对垂直于光栅轴向，光纤光栅同时受到横向作用力，极易折断，导致无完整压力信号输出，经过灌封之后，增加光栅横向支撑作用，爆轰验证试验表明，其在40GPa-1kPa的爆轰压力(压强)测试下，仍可以得到完整的爆轰瞬态压力上升沿，且响应时间在10ns以内。

进一步的，毛细孔开设于外壳支架的中轴线上。

毛细孔开设于外壳支架的中轴线上，贯穿外壳支架的两端，使得光纤光栅从毛细孔穿过后，即被定位到灌封槽中心，无需再为其定位进行复杂操作。

进一步的，灌封材料选取规则为：对于高爆轰压力测试，选用固化后硬度高于石英的灌封材料，对于低爆轰压力测试，选用固化后硬度低于石英的灌封材料。