速度矢量测量光纤传感器及测量方法技术

本发明专利技术公开了速度矢量测量光纤传感器及测量方法，所述速度矢量测量光纤传感器，包括第一光纤探头、第二光纤探头、第三光纤探头和第四光纤探头，四支光纤探头分别包括前端聚焦透镜以及探头尾纤两部分，四支光纤探头的前端聚焦透镜部分设置在保护套内。所述第四光纤探头设置在与保护套同轴心位置；所述第一光纤探头、第二光纤探头、第三光纤探头沿第四光纤探头环向间隔120度均布、并与第四光纤探头保持固定的倾角θ。本发明专利技术的速度矢量测量光纤传感器，可精确计算获得运动靶面的矢量运动速度方向和大小，克服了传统激光干涉测速只能获取沿光纤探头方向速度的缺点。

Optical fiber sensor and measurement method of velocity vector measurement

【技术实现步骤摘要】
速度矢量测量光纤传感器及测量方法
本专利技术涉及光电测试
，尤其涉及速度矢量测量光纤传感器及测量方法。
技术介绍
随着激光干涉测速技术的成熟，其应用也越来越广泛。但其不足之处在于，测量的速度是待测物体沿激光传播路径上的速度分量，并非真实的速度矢量。在某些实验中真实速度与测速方向速度分量差别不大，但在某些特定实验中(特别是滑移爆轰和特殊结构等)，真实速度与其在测速方向的速度分量可能有较大差别，即真实速度方向与测速方向有不可忽略的夹角。获取速度矢量(真实速度方向和大小)对于计算某些物理量和更精确地校验数值模拟程序有重要作用。本申请的支持基金为内爆加载下微喷微层裂物质全过程诊断方法，基金号：11802286。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供速度矢量测量光纤传感器及测量方法，本专利技术不同于传统的标量测量光纤传感器，可对被测靶面的速度方向进行判定，并计算获得速度矢量方向的速度大小。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：速度矢量测量光纤传感器，包括第一光纤探头、第二光纤探头、第三光纤探头和第四光纤探头，四支光纤探头分别包括前端聚焦透镜以及探头尾纤两部分，四支光纤探头的前端聚焦透镜部分设置在保护套内。进一步方案为，所述第四光纤探头设置在与保护套同轴心位置；所述第一光纤探头、第二光纤探头、第三光纤探头沿第四光纤探头环向间隔120度均布、并与第四光纤探头保持固定的倾角θ。进一步方案为，所述第四光纤探头功能是入射和收集激光；>所述第一光纤探头、第二光纤探头、第三光纤探头的功能是接收激光；所述保护套为圆柱形，起到固定支撑和定位四支光纤探头的作用。本专利技术另一方面提供了上述的速度矢量测量光纤传感器的测量方法，假设靶面运动矢量v方向与中间第四光纤探头的夹角为θ0，沿环向与第二光纤探头的夹角为；对各探头原始信号进行短时FFT变换得到各自的频率，四个探头原始信号短时FFT变换的频率分别为Δf1、Δf2、Δf3和Δf4，假设靶面运动矢量v沿四个测试方向的分量分别为v1、v2、v3和v4，则它们满足：其中，f0为入射激光的频率；根据上述方程可以得到靶面运动矢量v沿四个测试方向的分量；根据几何关系，靶面运动矢量v与速度分量之间满足如下方程：根据上述四个方程可以求解四个未知数：从而得到靶面运动矢量v的大小v0和方向其中，任意两个方向和之间的夹角α满足：本专利技术的有益效果在于：1)速度矢量测量光纤传感器，可精确计算获得运动靶面的矢量运动速度方向和大小，克服了传统激光干涉测速只能获取沿光纤探头方向速度的缺点。2)本专利技术中只有一个探头出射激光，无论待测表面如何运动，待测点(散射激光的点)只有一个，这样确保多个测速探头测量的是同一物质点在不同方向的速度分量，确保了测试结果的可靠性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要实用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术速度矢量测量光纤传感器结构原理图。图2为本专利技术实施例金属柱壳滑移爆轰加载实验示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本专利技术所保护的范围。在任一实施例中，如图1所示，本专利技术的速度矢量测量光纤传感器，包括第一光纤探头1、第二光纤探头2、第三光纤探头3和第四光纤探头4，四支光纤探头分别包括前端聚焦透镜7以及探头尾纤5两部分，四支光纤探头的前端聚焦透镜7部分设置在保护套6内。所述第四光纤探头设置在与保护套6同轴心位置；所述第一光纤探头1、第二光纤探头2、第三光纤探头3沿第四光纤探头4环向间隔120度均布、并与第四光纤探头4保持固定的倾角θ。所述第四光纤探头4功能是入射和收集激光；所述第一光纤探头1、第二光纤探头2、第三光纤探头3的功能是接收激光；所述保护套6为圆柱形，起到固定支撑和定位四支光纤探头的作用。在一个具体实施例中，如图2所示，本专利技术的速度矢量测量光纤传感器的测量方法，以速度矢量测量光纤传感器在金属柱壳滑移爆轰加载实验中的测速应用为实施例，对其使用方法进行详细说明：在爆轰实验中，爆轰装置主要由雷管13、传爆药15、炸药17、内衬16、金属柱壳14组成，雷管13引爆传爆药15，传爆药15引爆炸药17，炸药17从左至右滑移爆轰，对金属柱壳14进行滑移爆轰加载。金属柱壳14被炸药滑移爆轰加载后，以与柱壳表面法线方向具有一定角度的方向进行运动，此即靶面运动矢量v方向11。将速度矢量测量光纤传感器固定在爆轰装置上，使其与金属柱壳14表面保持一定距离，并调节使速度矢量测量光纤传感器四支光纤探头的光斑重合。速度矢量测量光纤传感器与激光干涉测速系统相连，测量得到第四光纤探头4照射点处金属柱壳的激光多普勒频移信息。假设靶面运动矢量v方向11与中间第四光纤探头的夹角为θ0，沿环向与第二光纤探头的夹角为对各探头原始信号进行短时FFT变换得到各自的频率，四个探头原始信号短时FFT变换的频率分别为Δf1、Δf2、Δf3和Δf4，假设靶面运动矢量v沿四个测试方向的分量分别为v1、v2、v3和v4，则它们满足：其中，f0为入射激光的频率；根据上述方程可以得到靶面运动矢量v沿四个测试方向的分量；根据几何关系，靶面运动矢量v与速度分量之间满足如下方程：根据上述四个方程可以求解四个未知数：从而得到靶面运动矢量v的大小v0和方向其中，任意两个方向和之间的夹角α满足：使用速度矢量测量光纤传感器，实现了爆轰加载实验中金属柱壳靶面运动矢量v的大小v0和方向测量，将激光干涉测速从标量测量阶段提升至矢量测量阶段，为爆轰加载精密诊断技术提供了更有价值的测量方案。以上所述，仅为本专利技术的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
的技术人员在本专利技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本专利技术的保护范围之内。因此，本专利技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本专利技术对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本专利技术的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本专利技术的思想，其同样应当视为本专利技术所公开的内容。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.速度矢量测量光纤传感器，其特征在于，包括第一光纤探头、第二光纤探头、第三光纤探头和第四光纤探头，四支光纤探头分别包括前端聚焦透镜以及探头尾纤两部分，四支光纤探头的前端聚焦透镜部分设置在保护套内。/n

【技术特征摘要】
1.速度矢量测量光纤传感器，其特征在于，包括第一光纤探头、第二光纤探头、第三光纤探头和第四光纤探头，四支光纤探头分别包括前端聚焦透镜以及探头尾纤两部分，四支光纤探头的前端聚焦透镜部分设置在保护套内。


2.如权利要求1所述的速度矢量测量光纤传感器，其特征在于，所述第四光纤探头设置在与保护套同轴心位置；
所述第一光纤探头、第二光纤探头、第三光纤探头沿第四光纤探头环向间隔120度均布、并与第四光纤探头保持固定的倾角θ。


3.如权利要求1或2所述的速度矢量测量光纤传感器，其特征在于，所述第四光纤探头功能是入射和收集激光；
所述第一光纤探头、第二光纤探头、第三光纤探头的功能是接收激光；
所述保护套为圆柱形，起到固定支撑和定位四支光纤探头的作用。


4.如权利要求1-3任一项所述的速...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈浩玉，罗振雄，莫俊杰，谢明强，但加坤，郭昭亮，刘明涛，
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