专利名称：光栅瞬态应变传感器传感装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学精密测试领域，特别是一种光栅瞬态应变传感器传感装置。
背景技术：
在国外，对发射动力学的研究已经有二十多年的历史。为了测量发射过程中炮身和弹丸的复杂运动及其相互关联，研制了各种各样光学的、电学的或光电结合的测量系统。近年来，国内关于发射动力学的研究有了很大进步，并已取得了一些成果。但是由于发射过程的复杂性，要精确地测量出发射过程中各种物理量比如发射轨道外臂的应变大小是很困难的，这阻碍了发射动力学的发展，因此要求研究出更为先进的测试技术来解决这一难题。传统的应变测量领域应用最为广泛的是电阻应变片加应变仪的测量方法。它通过在被测物体表面贴电阻应变片或安装基于电阻应变片原理制造的电阻应变式传感器来测 量物体在外力作用下所产生应变值大小的一种测量方法，由电阻应变片、电阻应变测量仪以及导线组成一个基本测量系统，通过对应变值测量、计算和分析得到物体的应力状态。在许川江的“电阻应变测量技术在施工中的应用”一文(安徽建筑，2008年第二期，pl27-130)中，作者详细介绍了电阻应变测量方法在工程技术测量领域的应用，虽然通过选择合适的电路接法，适用的仪器，细心的操作，并对数据进行认真的分析，应变仪可以测出微小的电阻变化但是在测量过程中对系统的任何扰动，比如触碰线路，导线随风摆动，机械震动都会使仪器数字发生变化，从而影响测试精度。近年来，光纤光栅的传感研究已相当广泛，尤其是应变和温度传感备受关注。其中地球物理中的地震检波器，环境工程中的岩石变形，桥梁，以及大型建筑结构的状态检测等低应变方面已经取得令人鼓舞的成效。而另一类问题，如机械冲击，枪弹射击和爆破等高应变的研究却相对迟缓。这一则由于高应变的响应速度给解调增加了难度，再者是来自传统成熟传感技术的竞争。在天津大学王为的学位论文《光纤Bragg光栅在动态应变信号检测中的应用研究》和浙江大学吴晓东博士的学位论文《光纤Bragg光栅应变传感技术及其应用研究》中，都详细介绍了光纤光栅传感器的原理和在动态测量系统中的优势，在传感器的选择，电路的选择，解调方法的选择上都做了深入的研究和模拟实验，归纳出窄带光源、光纤光栅加光谱仪的方法，测量精度和相应频率都有了一定的保证，但由于是选用窄带光源， 且采用光谱仪进行信号解调，所以价格昂贵，操作复杂。

发明内容
本发明的目的在于提供一种能够大幅度避免测量过程中的扰动对测量结果的影响，且成本低廉，操作简单、测量范围能达到± ，测量误差控制在4%以内的光栅瞬态应变传感器传感装置。实现本发明目的的技术解决方案为一种光栅瞬态应变传感器传感装置，本装置由ASE光源、耦合器、光纤Bragg光栅、全光纤马赫-曾德干涉仪和光电探测器构成；多条光纤Bragg光栅等距离的布设在炮管外壁，光纤Bragg光栅数目根据耦合器的输出端的数目决定，ASE光源的输出端与I禹合器的输入端连接，I禹合器的多个输出端分别连接相同的光路，并通过光路与多个全光纤马赫-曾德干涉仪的光源输入端相连，多个全光纤马赫-曾德干涉仪的应变输入端分别和多条光纤Bragg光栅相连，全光纤马赫-曾德干涉仪的输出端连接光电探测器。本发明与现有技术相比，其显著优点
(I)本发明采用全光纤器件，无外光路调试，操作简便，保证了在电磁发射轨道触发时，测试系统在强电磁场工作环境下的抗干扰能力。(2)本发明的高速数据采集装置能够保证实时输出应变一时间曲线；另外由于采集装置的实时性，还可附带测量弹丸膛内平均速度，并实时输出结果。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。


图I是根据本发明提出的电磁发射轨道外臂应变测量装置示意图。
具体实施例方式本发明作为一种电磁发射轨道应变测量装置，可用作武器发射轨道应变的瞬态实时测量。设计原理科学，结构清晰，各部件加工方便。而且，由于设计过程中充分考虑了如何便于在干涉仪中进行安装和调试，因此整个构件具备小型化、轻量化的特点。只要将光纤光栅粘贴在被测物体便面，即可实时精确的测量物体发生的瞬态应变。本发明基于光纤Bragg光栅的传感原理，即对于宽光谱的入射光，光纤Bragg光栅将以Bragg波长为中心波长的一个很窄的频带反射，其余的光谱成分将发生透射。光栅受到应力的情况下，Bragg波长发生改变,此时,光栅反射光谱线将向Bragg波长变化的方向发生漂移。将反射光输入光纤干涉仪，被测应变是随时间变化的瞬态应变，因此通过干涉系统时将会产生周期变化的干涉条纹，通过对干涉条纹相位的解读，就可解调出相应的应变信息。本发明使用ASE宽带光源(1545nm 1555nm)，将光纤光栅反射回的带有瞬态应变信息的相干光通过1X2稱合器3与3X3稱合器6相连接而形成的全光纤非平衡马赫-曾德干涉系统7，利用干涉仪两臂自身的长度差产生干涉信号，通过解调所产生的光学干涉条纹，最终解算出应变一时间曲线，实现瞬态测量电磁发射轨道外臂应变。该装置解调方式的特点是采用了 3X3耦合器6的三路输出光相位互差的特
性，利用三步移相解调应变相位，再根据应变与相位的线性关系得到应变曲线。本发明是这样实现的ASE宽带光源从1x2耦合器3的一个输出端输入光栅，经光栅反射的带有应变信息的反射光经另一个输出端输出，并进入干涉仪。干涉仪是由一个2x2稱合器3和一个3x3稱合器6对接而成,经3x3稱合器6输出的三路光信号的相位彼此相差120°，这样，通过三步移相法得到干涉信号的相位信息，即可得到相应的应变值了。干涉条纹经过光电探测器转换为电信号。该信号传输至数据采集处理系统，经过程序解算实现时间一应变曲线的实时可视化输出。多条光纤Bragg光栅5等距离的布设在炮管4外壁，ASE光源I的输出光经一个1x4f禹合器2均勻分光后分别输入lx2f禹合器3的一个输出端，由这个输出端经I禹合器进入光纤Bragg光栅5。光纤Bragg光栅5将输入光频带中与Bragg波长相对应光谱成分原路反射，并由1x2耦合器3的另一输出端输出，进入全光纤马赫-曾德干涉仪7。本发明使用的马赫-曾德干涉仪7是用1x2耦合器3与3x3耦合器6对接而成。这样，光栅的反射光经1x2耦合器3的输入端进入干涉仪，由于应变是瞬态变化的，反射光谱的中心波长也是随时间相应变化的，因此，在干涉仪的输出端就会产生干涉条纹。我们利用3x3耦合器6实现了一种新的解调方式。干涉信号由3x3耦合器6输出端分成三路输出，利用三路信号相位互差120°的特性，我们使用干涉条纹的三部移相法就可解算出每一时刻干涉场的相位信息
权利要求
1.一种光栅瞬态应变传感器传感装置，其特征在干，本装置由ASE光源(I )、耦合器(2)、光纤Bragg光栅(5)、全光纤马赫-曾德干涉仪(7)和光电探测器(8)构成；多条光纤Bragg光栅(5)等距离的布设在炮管(4)外壁，光纤Bragg光栅(5)数目根据耦合器(2)的输出端的数目决定，ASE光源(I)的输出端与I禹合器(2)的输入端连接,I禹合器(2)的多个输出端分别连接相同的光路，并通过光路与多个全光纤马赫-曾德干涉仪(7)的光源输入端相连，多个全光纤马赫-曾德干涉仪(7)的应变输入端分别和多条光纤Bragg光栅(5)相连，全光纤马赫-曾德干涉仪(7)的输出端连接光电探测器(8)。
2.根据权利要求I所述的ー种光栅瞬态应变传感器传感装置，其特征在于，全光纤马赫-曾德干涉仪(7)是由接收1x2耦合器(3. I)、输出1x2耦合器(3. 2)与3x3耦合器(6)组成，其中接收1x2耦合器(3. I)的输入端即为干涉仪的应变输入端，输出1x2耦合器(3.2)的输入端接接收1x2耦合器(3. I)的ー个输出端，输出端与3x3耦合器(6)对接，接收lx2f禹合器(3. I)的另ー个输出端就是干涉仪的光源输入端,而3x3 f禹合器(6)的输出端就是干涉仪的输出端。
全文摘要
本发明公开了一种光栅瞬态应变传感器传感装置，由ASE光源、耦合器、光纤Bragg光栅、全光纤马赫-曾德干涉仪和光电探测器构成；多条光纤Bragg光栅等距离的布设在炮管外壁，光纤Bragg光栅数目根据耦合器的输出端的数目决定，ASE光源的输出端与耦合器的输入端连接，耦合器的多个输出端分别连接相同的光路，并通过光路与多个全光纤马赫-曾德干涉仪的光源输入端相连，多个全光纤马赫-曾德干涉仪的应变输入端分别和多条光纤Bragg光栅相连，全光纤马赫-曾德干涉仪的输出端连接光电探测器；本发明能够大幅度避免测量过程中的扰动对测量结果的影响，且成本低廉，操作简单。
文档编号G01B11/16GK102679901SQ20121016581
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月25日 优先权日2012年5月25日
发明者倪家伟, 朱日宏, 李建欣, 王志国, 秦北志, 金亚方, 黄慧 申请人:南京理工大学