面向冲击波测量的光纤法布里-珀罗腔压力传感器研究

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冲击波在军工和医疗领域的运用广泛,爆炸武器以及体外碎石技术都需依靠高能量冲击波实现。爆炸武器的杀伤性能研究或冲击碎石技术副作用研究离不开冲击波压力的测量。但由爆炸产生的爆炸冲击波毁伤性强、峰值压力衰减速率快,对传感器的可靠性、体积和频率响应提出了高要求。本文提出使用一种制备于光纤端头的法布里-珀罗腔(Fabry-Pérot,F-P)点式压力传感器进行冲击波测量。该传感器可靠性高、体积微小、频率响应高。通过切割和腐蚀过程实现了腔长和膜片厚度的控制方法。通过更换膜片材质以及添加抛光工艺提高了传感器的可靠性。结合特殊的封装方式完成了三种不同的爆炸冲击波测量实验。本文研究内容如下:(1)基于光纤F-P腔压力传感器的制备研究。分析了光纤F-P腔压力传感器理论模型和解调原理,指出传感器的腔长和膜片是影响传感器性能的关键参数。提出了控制腔长和膜片的方法,进而实现了传感器灵敏度的控制。提出使用无芯光纤作为膜片,经过抛光和腐蚀工艺后膜片外表面没有划痕和孔洞,提高了F-P腔光纤压力传感器膜片的可靠性。分析了不同材质的膜片对光纤F-P腔压力传感器的影响,指出进行压力测量时膜片的选用方法。(2)传感器的封装设计与静态标定实验研究。基于制备的F-P腔压力传感器提出了两种不同的传感器封装方法,封装后的传感器可靠性得到进一步提升。分析了不同封装对传感器的影响,并提出了两种封装对应的运用场景。设计了静态标定实验光路,使用封装后的传感器完成了静态标定实验。并结合实验数据对传感器的性能进行评价。(3)爆炸冲击波的测量实验研究。设计了空气和水两种介质中的爆炸冲击波实验。空气激波管和预充气式气枪通过压缩气体产生空气中的爆炸冲击波,使用压力密封式封装的传感器完成了空气中冲击波压力波形的测量。分析了空气中爆炸冲击波的实验结果,证明了传感器的高频响和抗冲击能力。水下聚焦式电磁冲击波源通过电爆炸的方式产生水下爆炸冲击波,使用针式封装的传感器完成水下冲击波压力测量。对实验中的误差和噪声进行分析,证明该F-P腔光纤压力传感器能完成爆炸冲击波的测量,且在水下和空气中都能正常工作。
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