一种新型全光纤弹速测量系统的研制

　　引 言

　　气体炮是一种研究材料在冲击压缩下的动力学特性、状态方程以及物理、化学特性常用的冲击加载工具，分离式Hopkinson 压杆是研究材料在中低应变率条件下的力学性能的主要实验加载设备，这两类实验加载设备发射的子弹速度是确定材料中冲击状态或应力状态的重要参数，因此精确测量弹速是十分必要和重要的[1]。为了精确测量弹速，人们发展了激光测速系统并在轻气炮及 Hopkinson 杆等加载设备上获得了成功应用[2~3]，但这些系统采用HeNe 激光管为光源，并用分光镜等分立的光学器件进行光线分束，光路较为复杂，调整与准直较难。文献[4]报道了采用半导体 LD 激光器的激光测速系统，并从结构设计上大大减小了准直误差，提高了测速精度。

　　上述各种激光测速系统从工作原理上属于激光光束遮断法(Optical Beam Break, OBB)，文献[5]报道了利用光束反射原理(Optical Beam Reflectance, OBR)的速度测量系统，但仍采用大功率 Ar 离子激光器作光源，结构复杂的专用光导束作光源和信号光的传输介质，光电倍增管(PMT)作为探测器，系统复杂和昂贵，不易推广使用。本文探索了一种新型低成本的基于激光光束反射原理的全光纤速度传感器(All Fiber OpticalBeam Reflectance, AFOBR), 详细介绍了该系统的工作原理和结构设计，并在速度测量中得以具体应用。

　　1 系统工作原理与结构设计

　　全光纤式激光光束反射传感器工作原理如图1 所示。激光器发出的激光通过光纤引导照射在被测物体的表面上并经物体表面反射，部分反射光反射回同一根光纤并传送到光电探测器上产生光电流。光电流的大小与反射光的强度基本成正比关系，而反射光强是光纤端面到物体表面距离和物体表面反射率的函数。对于点光源所产生的照度 E，被照物体表面的照度与光源的发光强度 I 成正比，而与被照面到光源的距离 l 的平方成反比，è 是被照面法线与光线的夹角[6]。

　　在图1 所示的系统中，光电探测器接受到的光正是 M 的一部分。因此，根据式(2)，可通过测量反射光强度大小来判断有无反射物体到达光纤位置。当子弹到达测量区域时，子弹外径尺寸和弹体材料反射率变化引起光电探测器输出信号的变化，因此在不同的位置布置同样的光纤传感器，即可进行速度测量。

　　利用上述原理，采用目前光通信领域较为成熟的单模光纤和光纤无源器件，设计了一种新型的全光纤结构的速度测量传感器，传感器的组成如图 2 所示。光源采用半导体激光器组成的稳定光源，输出光功率为 1mW 左右，波长1310nm，可直接连接带有标准连接器的光纤，分光系统采用 2×2 光纤耦合器，光电探测器采用了 P6713 型光电转换探头，其光电转换增益为 5V/mW，带宽从 DC 至 300MHz，并具有与泰克公司 TDS 系列数字示波器相配的专用探头接口，输入端为标准 SMA 接口，可直接与芯径不大于 100ìm 的光纤连接。当然，光电探测器可任意配用其它公司的产品或根据测量需要自行制作。