Journal of Optics Applications April 2013, Volume 2, Issue 2, PP.8-13
Measurement of Shock Wave Speed Based on Critically Curved Fiber Loops Junwei Zhao#, Shaowu Chen, Cuilei Yuwen Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an, 710024, China #Email:zhaojw0824@sohu.com
Abstract The propagation characteristic of shock wave front is very important for the research on the power and effect of explosion. A device was developed to measure shock wave speed based on the principle that the insertion loss of fiber curved critically with its minimum radius of curvature increases sharply when pressure is put on it. The principle, configuration, operation process and experimental validation were discussed in detail. Experiment of shock wave from 50g TNT exploder has been carried out, and the mean speeds at 4 specified distances from the explosion center have been measured. The data obtained indicate that the speed gradually reduced with the increased distance from the explosion center, and the results prove that the device based on critically curved fiber loops is practical and effective to measure the shock wave speed. Keywords: Shock Wave; Radius of Curvature; Fiber Loop
基于临界弯曲光纤环的冲击波速度测量 赵军卫 1，陈绍武 1，宇文璀蕾 1 西北核技术研究所，陕西西安，710024 摘 要：冲击波波面的传输时间特性对于分析爆炸物的威力和效能具有重要作用。本文利用弯曲到临界曲率半径光纤环受 压后，光纤损耗急剧增大的原理，研制了一种冲击波速度测量的装置，详细介绍了该装置的测量原理、系统结构、工作 过程以及实验验证，通过对 50g 炸药爆炸产生的冲击波速度测量，获得了距爆心不同距离的冲击波平均速度，结果表明 距爆心距离越远，冲击波传输速度越低，证明了该装置对冲击波速度测量的有效性和适用性。 关键词：冲击波；曲率半径；光纤环
引言 光纤既可以作为传输介质广泛应用于通讯和数据传输，也可以制成传感器广泛用于工程测量和自动控 制系统中，其主要优点是频带宽、损耗低、耐高温、耐酸碱、抗腐蚀、体积小、重量轻、抗电磁干扰能力 强、成本低廉、性能价格比高等。在爆炸冲击波测量方面，冲击波波面的走时特性对于分析炸药和其它爆 炸物的威力和效能具有重要作用。常用的压电法测量冲击波，测量探头为压电传感器，2000 年日本的 Fukada,E.对压电传感器的发展历程和最新进展进行了较全面的论述[1]。在国内，压电传感器在冲击波测量方 面已经取得了一些成功的应用，比如西北核技术研究所的林鹏[2]在“闪光二号”加速器上成功测量了一种碳 纤维编制复合材料中的冲击波波形。另外压电薄膜(PVDF)作为一种新型压电传感器在冲击波测量中也取得 了一些较为成功的应用[3,4]]。然而，由于压电传感器体积大、造价高、需要外加电源、抗电磁干扰能力弱， 因此在某些电磁环境复杂的场合难以满足冲击波速度测量的需要。中国工程物理研究院流体物理研究所王 荣波等在“两种光纤探针在冲击波作用下的时间响应特性”[5]和“石英光纤探针在非金属材料冲击实验中的 应用”[6] 以及电子科技大学的李春花等在“光纤探针技术在冲击波测量中的应用”[7]中介绍的采用光纤探针 测量冲击波速度参数的装置，主要利用了石英光纤探针在受到高压冲击时产生自发光辐射的原理测量冲击 -8-
波传输路径上的速度。该光纤探针具有不受电磁干扰、时间测量精度高等优点，但由于采用该方法，要产 生自发光，必须在非常高的冲击压力（通常为 GPa 级）下才能实现，故该方法难以用于小威力爆炸试验中 对于 MPa 及以下级压力冲击波速度参数的测量。本文介绍一种基于临界弯曲光纤环测量冲击波速度的测量装 置，不仅具有探头体积小、重量轻、无需外加电源、抗电磁干扰能力强、反应灵敏、结构简单、性价比高等 优点，而且具有非常宽的测量范围，既可测量 GPa 级冲击波，也可测量 MPa 级及其以下级的冲击波速度。
1
测量原理 光纤主要包括纤芯和包层两部分，由于纤芯的折射率 n0 大于包层的折射率 n1，通常状况下当光以小于
临界角0 的入射角c 从纤芯射向包层时，满足全反射定律，反射光重新折回纤芯继续向前传播[8]。光在直光 纤中传播示意图如图 1 所示。
图 1 光在直光纤中的传播
这里临界角0 表示该光纤满足全反射条件可接受光的最大入射角，对于阶跃折射率光纤其数值孔径 NA 可以定义为：
NA
n
2 0
n12 sin 0
(1)
可见最大入射角0 和光纤的数值孔径 NA 是光纤固有的参数，仅取决于光纤纤芯和包层的折射率。光纤 的损耗主要包括：吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗等，目前通信用光纤正常状态下在 1.55m 波长损耗最低 可达 0.2dB/km 以下[9]。然而一旦光纤受压或弯曲，原来在纤芯中传输的功率将部分地逸出纤芯形成损耗， 如图 2 所示。对于弯曲到临界曲率半径的裸光纤环，任何外加的压力都将引起光纤插入损耗的急剧增大。
图 2 光在弯曲光纤中的传播
如果预先给光纤中通入稳定的连续波激光，则一旦光纤受到压力，接收端都将因为光纤插入损耗剧增 而出现一个急剧变化的脉冲信号，如图 3 所示，因为光纤的弹性，压力解除后损耗降低，接收端信号可恢复 到原有水平。
图 3 光纤因冲击波未折断情况下光接收端的功率变化曲线 -9-
如果冲击波压力继续增大，则将引起裸光纤折断，结果接收端将仅出现一个急剧变化的跳变沿，接收 端将无法接收到光源的输出信号，则输出为 0，如图 4 所示。
冲击波 过后
冲击波 来临前
时间 （t）
图 4 光纤因冲击波折断情况下光接收端的功率变化曲线
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系统组成 冲击波速度测量装置如图 5 所示，主要由稳定光源、光纤分路器、输入光纤、光纤环探头、输出光纤、
多路光电检测、数据采集与处理等部分组成。
光纤环 探头
多路 光电 检测
光 纤 分 路 器
输入 光纤
数据 采集 与处 理
输出 光纤
图 5 冲击波速度测量原理框图
其中，稳定光源可采用通用的半导体激光器及其自动功率控制和自动温度控制电路构成，输出稳定的 激光功率。波长选用 1310nm 或 1550nm 即可。 光纤分路器把稳定光源输出的光信号平均分成多路输出，分配的路数主要决定于所需要测量冲击波速 度的探头数。 为了防止光源、光电探测器、信号放大器以及数据采集与信号处理单元受冲击波的损坏，试验时只将 光纤环探头放置在冲击波测量区域，而将其它部件放在远离爆炸冲击源的地方，中间通过输入光纤、输出 光纤与光纤环探头相连。由于光纤环本身结构简单、成本低廉，易于制作，实验完毕后，只需重新制作光 纤环即可进行下一次实验，因此可以大大降低试验成本。 光纤环探头如图 6 所示，主要包括弯曲到临界状态的光纤环 1、光纤环固定座 2、延长杆 3 和立支架 4。 光纤环由表面覆着涂覆层的裸光纤弯曲而成，其弯曲半径稍大于或等于该光纤的最小弯曲半径 r0，该参 数表征光纤最小可弯曲的程度，其值取决于光纤的实际材料和工艺。通常情况下光纤出厂时由厂家给出其 最小弯曲半径参数。 光纤环的制作和固定方法是将裸光纤弯曲一圈后在光纤交叉的根部采用胶粘或绑扎，由于光纤本身的 弹性，自然形成光纤环，再将其固定在固定座上，安装时，光纤环的弯曲方向迎向冲击波的传播方向。光 纤环探头还包括与地面固定的立支架和与立支架上段垂直的延长杆。 - 10 -
图 6 光纤环探头结构示意图
试验中，光纤环是通过立支架固定在地面上，为防止冲击波沿地面先传播到立支架引起支架晃动，影 响后续到来沿空气传播的冲击波测量，故在立支架上伸出一根延长杆，延长杆的布置方向与冲击波的方向 一致，并迎着冲击波传播方向，光纤环固定在延长杆顶端，这样尽管冲击波在空气中传输速度稍慢，但传 输距离短。冲击波在固体介质中传输速度快但到达对应光纤环固定立支架的距离长。延长杆的作用就是用 于补偿冲击波在固体介质和空气介质传输速度差，确保同一爆炸源产生的冲击波在空气中首先传输到光纤 环而后再到达固定该光纤环的固定立支架上。这样沿空气传播的冲击波先到达光纤环，产生下跳脉冲后， 后续的干扰信号才能到达，确保了测量的可靠性和准确性。在冲击波传输方向，按照需要的间距位置布放 光纤环，如图 7 所示。
图 7 冲击波速度测量原理图
光纤环的轴向与冲击波传输方向垂直；光纤环受到冲击波的压力，损耗急剧增大，接收端对应光电探 测器依次输出相应的脉冲信号。对冲击波传输路径上各个探测器依次产生的脉冲信号进行测量，即可获得 冲击波依次经过这些探测器的走时。根据探测器的间距和对应走时，可以进一步得到冲击波在相应探测器 之间的平均传输速度。
vi k
L tk ti
(2)
式中， vi k 为冲击波从探头 i 传输到探头 k 的平均速度，L 为从探头 i 到探头 k 的传输距离，ti 和 tk 分别 为冲击波在探头 i 和探头 k 产生脉冲的时刻。
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工作过程 首先由稳定光源输出光信号，经光纤分路器后把光功率均分到各路输入光纤，通过输入光纤进入位于
测量位置的处于临界弯曲状态的光纤环，再经输出光纤进入接收端光电探测器进行光电检测和放大，最后 通过数据采集和信号处理进行信号记录。冲击波到来前，整个光路损耗为一定值，通过光电检测和放大， 信号接收端输出为一恒定的直流电压值。当冲击波达到光纤环位置时，由于冲击压力，光纤环的曲率半径 发生变化，引起光纤损耗急剧增加，甚至出现断裂，这时光纤传感器会输出一个急剧变化前沿的跳变脉 冲，甚至直接跳变为 0V（光纤断裂，再没有光信号到达光电探测器），该急剧变化的跳变沿的起跳点就是 冲击波到达该位置的时刻。由于光纤纤细、体积小的优点，试验中在冲击波传输路径上可以根据需要在多 个位置布置多个光纤环，每一个光纤环对应一路光输入、传输和接收装置。这样当冲击波到来时，沿其传 - 11 -
输方向上的光纤环依次受压，对应各路光电探测器按受压的时间顺序依次输出一系列的下跳脉冲，通过计 算各下跳沿的时间即可获得冲击波通过预定位置的走时，根据光纤环布放位置的间距，即可得到冲击波在 预定传输路径的平均速度。
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实验验证 在一个 PVC 支撑的直线管道一端安装有 50g 炸药，光纤环探头分别距离炸药爆心 400mm、800mm、
1200mm、1600mm、2000mm 处安装有 5 只光纤环传感器，光纤采用常规 9um/125um 单模光纤，光纤环由 裸光纤弯曲制成，弯曲半径 10mm，光纤环通过立支架固定在 PVC 管壁上，立支架上延长杆的长度为 200mm，根据理论计算，到达传感器的冲击压力为 MPa 级。实验结果表明，1us 时间内，输出信号就由 3V 的高电压跳变为 0V 的低电压，且没有恢复，表明光纤环在受冲击后 1us 内折断，通过读取各光纤环下跳沿 发生的时刻，即可获得冲击波速度，再结合实测的传感器之间的距离即可得到冲击波在各段距离上的传播 平均速度，结果如图 8 所示。
图 8 实测各段距离冲击波平均速度
可以看出，冲击波平均速度随传输距离的增加而降低。证明了该方法和测量装置可有效应用于 MPa 级 压力下冲击波的走时参数测量。
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结论 本文介绍的基于临界弯曲光纤环探头的冲击波速度测量装置实现了 MPa 级压力冲击波速度参数的测
量，具有广泛的适用性，其优点在于结构简单、响应灵敏、制作方便、成本低廉、抗电磁干扰能力强，试 验中只需要对损坏的光纤环重新加工即可重复使用，大大降低了试验费用，该装置可作为同类冲击波速度 和速度测量的参考。
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Liu Song-hao, Li Chun-fei. Photonics Technology and Application, Guangzhou: Guangdong Science and Technology Press, 2006
【作者简介】 1
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赵军卫（1969-），男，汉，硕士，高
陈邵武（1970-），男，汉，博士，副研究员，光纤传感，
级工程师，光电测量，1997 年毕业于西
2009 年毕业于西安交通大学，获博士学位。
北核技术研究所，获硕士学位。
Email: cswwsc@126.com
Email: zhaojw0824@sohu.com
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宇文璀蕾（1980-），男，汉，本科，工程师，激光工程，
2006 年毕业于国防科技大学，获学士学位。 Email: ywcl2006@163.com
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