一种用于动态试验的测量系统和测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于动态试验的测量系统和测量方法，属于光纤传感器技术研究领域，适用于从10MPa～7GPa的冲击压力以及50με‑50000με动态应变的测量。所述系统包括：宽带光源、环形器、FBG传感器、双边缘滤波调解器、光电探测器、示波器、耦合器。本发明专利技术提出的动态试验压力及应变测量系统和方法在解调部分采用了双边缘滤波的解调，该解调方法直接滤除了测量过程中的光源光强抖动、光路分光比不均匀、光路以及FBG受到压弯曲变形及破坏过程等因素引起的光强变化对布拉格波长解调的影响，包含动态试验(含冲击试验)的FBG压力/应变传感器系统，具有极快的响应时间和很宽的压力/应变测量范围，尤其适用于动态试验(含冲击波物理)和流体力学的研究领域。

【技术实现步骤摘要】
一种用于动态试验的测量系统和测量方法
本专利技术属于光纤传感器技术研究领域，具体涉及一种用于动态试验压力及应变的基于FBG的测量系统和方法，适用于从10MPa～7GPa的冲击压力以及50με-50000με动态应变的测量。
技术介绍
现有的冲击压力传感器包括锰铜应力计和PVDF薄膜、LiNbO2、石英晶体等压电传感器以及有源光纤压力传感器。其中，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，不能满足冲击波试验的要求。而现有的动态应变传感器主要基于电阻式及半导体应变计，基于FBG的动态应变测量响应时间不会小于0.1ms。此外，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FBG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。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：为了克服现有技术中对于冲击压力及超动态应变的测量不足，提供一种用于动态试验中压力及应变的基于FBG的测量系统和测量方法。本专利技术采用的技术方案如下：一种用于动态试验的测量系统，所述系统包括：宽带光源(1)、环形器(2)、FBG传感器(3)、双边缘滤波调解器(4)、光电探测器(5)、示波器(6)、耦合器(7)；所述宽带光源(1)、环形器(2)、FBG传感器(3)依次相连接，且环形器(2)还与耦合器(7)、双边缘滤波调解器(4)、光电探测器(5)、示波器(6)依次连接。进一步的，所述FBG传感器(3)为光纤布拉格光栅传感器，传感器中心波长为1530nm-1560nm，栅区长度小于4mm；所述光电探测器(5)和示波器(6)用于进行数据采集，其中光电探测器(5)的上升时间小于1微秒，示波器(6)的模拟带宽≥1MHz，采样率≥5MSa/s。进一步的，所述双边缘滤波调解器(4)为差分式光纤边缘滤波器，包含两个光学滤波器，一个滤波器的透射光强与入射光波长成正比，另一个滤波器的透射光强与入射光波长成反比，且FBG布拉格波长位移区域处于滤波器边缘线性区，使两个光学滤波器的响应光强与布拉格中心波长位移成正/反比。进一步的，采用切除尾纤的FBG/带尾纤的FBG作为FBG传感器(3)，在动态压力/应变的作用下，FBG传感器(3)的反射布拉格波长会发生位移，此时将FBG传感器(3)的反射光经1×2耦合器(7)后分为两路，分别送入双边缘滤波调解器(4)中透射光强与入射光波长成正/反比的两个光学滤波器，两个滤波器的出射光进入光电探测器(5)，利用光电探测器(5)将光脉冲转换为电脉冲，并利用高速示波器(6)将该电脉冲记录下来得到对应的时间-强度信号，最后通过标定实验数据和差分算法获得动态压力/应变的时间发展曲线。进一步的，当进行压力测量时，将切除尾纤的FBG传感器(3)垂直于冲击波阵面放置；当进行应变测量时，将带尾纤的FBG传感器(3)贴于被测物表面。另一方面本专利技术还提供了一种用于动态试验的测量方法，所述方法包括以下步骤：步骤S1，根据冲击压力或应变的测量需求选择将切除尾纤的FBG传感器(3)或带尾纤的FBG传感器(3)；步骤S2，将宽带光源(1)、环形器(2)、FBG传感器(3)依次相连接，同时将环形器(2)与耦合器(7)、双边缘滤波调解器(4)、光电探测器(5)、示波器(6)依次连接；步骤S3，将宽光谱光源(1)打开使光源通过环形器(2)入射到FBG传感器(3)，FBG传感器(3)的返回光通过耦合器(7)分为两路并进入双边缘滤波调解器4中；步骤S4，所述双边缘滤波调解器(4)的两路出射光进入光电探测器(5)后，探测和转换得到相应的时间-强度电信号，通过标定数据和进行差分计算得到冲击压力或应变随时间发展的动态曲线，并由示波器(6)进行记录和显示。进一步的，所述FBG传感器为光纤布拉格光栅传感器，传感器中心波长1530nm-1560nm，栅区长度小于4mm；所述光电探测器(5)及示波器(6)用于进行数据采集，其中光电探测器(5)的上升时间小于1微秒，示波器(6)的模拟带宽≥1MHz，采样率≥5MSa/s。进一步的，所述双边缘滤波调解器(4)为差分式光纤边缘滤波器，其包含两个光学滤波器，一个滤波器的透射光强与入射光波长成正比，另一个滤波器的透射光强与入射光波长成反比，且FBG布拉格波长位移区域处于滤波器边缘线性区，使两个光学滤波器的响应光强与布拉格中心波长位移成正/反比。进一步的，采用切除尾纤的FBG/带尾纤的FBG作为FBG传感器(3)，在动态压力/应变的作用下，FBG传感器(3)的反射布拉格波长会发生位移，此时将FBG传感器(3)的反射光经1×2耦合器(7)后分为两路，分别送入双边缘滤波调解器(4)中透射光强与入射光波长成正/反比的两个光学滤波器，两个滤波器的出射光进入光电探测器(5)，利用光电探测器(5)将光脉冲转换为电脉冲，并利用高速示波器(6)将该电脉冲记录下来得到对应的时间-强度信号，最后通过标定实验数据和差分算法获得动态压力/应变的时间发展曲线。进一步的，当进行压力测量时，将切除尾纤的FBG传感器(3)垂直于冲击波阵面放置；当进行应变测量时，将带尾纤的FBG传感器(3)贴于被测物表面。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术提出的基于FBG压力传感器进行动态试验压力及应变的测量系统和方法实现了能够测量10MPa到7GPa的冲击压力以及50με-50000με动态应变，而且响应时间在10ns以内，性能指标远优于现有技术；2.本专利技术提出的基于FBG压力传感器进行动态试验压力及应变测量系统和方法在解调部分采用了双边缘滤波的解调，该解调方法直接滤除了测量过程中的光源光强抖动、光路分光比不均匀、光路以及FBG受到压弯曲变形及破坏过程等因素引起的光强变化对布拉格波长解调的影响。3.本专利技术提出的基于FBG压力传感器进行动态试验压力及应变测量系统和方法，包含动态试验(含冲击试验)的FBG压力/应变传感器系统，具有极快的响应时间和很宽的压力/应变测量范围，尤其适用于动态试验(含冲击波物理)和流体力学的研究领域。附图说明本专利技术将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：图1是本专利技术提供的动态试验测量系统示意图。图2是本专利技术提供的动态试验测量方法示意图。图3是利用本专利技术提供的方案测量得到的冲击压力时间-压力关系动态曲线。图4是利用本专利技术提供的方案测量得到的霍普金森杆时间-应变关系动态曲线。其中，1-宽带光源、2-环形器、3-FBG传感器、4-双边缘滤波调解器、5-光电探测器、6-示波器、7-耦合器。具体实施方式为了使本领域的人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合本专利技术的附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于动态试验的测量系统，其特征在于，所述系统包括：宽带光源(1)、环形器(2)、FBG传感器(3)、双边缘滤波调解器(4)、光电探测器(5)、示波器(6)、耦合器(7)；所述宽带光源(1)、环形器(2)、FBG传感器(3)依次相连接，且环形器(2)还与耦合器(7)、双边缘滤波调解器(4)、光电探测器(5)、示波器(6)依次连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于动态试验的测量系统，其特征在于，所述系统包括：宽带光源(1)、环形器(2)、FBG传感器(3)、双边缘滤波调解器(4)、光电探测器(5)、示波器(6)、耦合器(7)；所述宽带光源(1)、环形器(2)、FBG传感器(3)依次相连接，且环形器(2)还与耦合器(7)、双边缘滤波调解器(4)、光电探测器(5)、示波器(6)依次连接。2.如权利要求1所述的一种用于动态试验的测量系统，其特征在于，所述FBG传感器(3)为光纤布拉格光栅传感器，传感器中心波长为1530nm-1560nm，栅区长度小于4mm；所述光电探测器(5)和示波器(6)用于进行数据采集，其中光电探测器(5)的上升时间小于1微秒，示波器(6)的模拟带宽≥1MHz，采样率≥5MSa/s。3.如权利要求1所述的一种用于动态试验的测量系统，其特征在于，所述双边缘滤波调解器(4)为差分式光纤边缘滤波器，包含两个光学滤波器，一个滤波器的透射光强与入射光波长成正比，另一个滤波器的透射光强与入射光波长成反比，且FBG布拉格波长位移区域处于滤波器边缘线性区，使两个光学滤波器的响应光强与布拉格中心波长位移成正/反比。4.如权利要求3所述的一种用于动态试验的测量系统，其特征在于，采用切除尾纤的FBG/带尾纤的FBG作为FBG传感器(3)，在动态压力/应变的作用下，FBG传感器(3)的反射布拉格波长会发生位移，此时将FBG传感器(3)的反射光经1×2耦合器(7)后分为两路，分别送入双边缘滤波调解器(4)中透射光强与入射光波长成正/反比的两个光学滤波器，两个滤波器的出射光进入光电探测器(5)，利用光电探测器(5)将光脉冲转换为电脉冲，并利用高速示波器(6)将该电脉冲记录下来得到对应的时间-强度信号，最后通过标定实验数据和差分算法获得动态压力/应变的时间发展曲线。5.如权利要求4所述的一种用于动态试验的测量系统，其特征在于，当进行压力测量时，将切除尾纤的FBG传感器(3)垂直于冲击波阵面放置；当进行应变测量时，将带尾纤的FBG传感器(3)贴于被测物表面。6.一种用于动态试验的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S1，根据冲击压力或应变的测量需求选择将切除尾纤的FBG传感器(3)或带尾纤的FBG传感器(3)；步骤S2，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶世兴，叶雁，蒙建华，王荣波，邓向阳，高鹏，冉茂杰，何莉华，陈光华，彭其先，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51