[发明专利]一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置和方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及光纤断裂响应时间的测量装置和方法，特别是一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置和方法，属于光电测量技术领域。

背景技术

通过光纤的光信号通断来进行事件的探测、定位和过程研究，具有响应时间快、抗电磁干扰能力强、定位优点高等优点，在高速撞击试验和测试中具有重要的应用。

高速撞击事件的动态过程，通常利用不同位置光纤断裂的时间来进行跟踪。由于光信号限制在光纤的中心纤芯部分传播，实际获得的光纤断裂时间为中心纤芯断裂时间；难以获得光纤从表面到中心纤芯的断裂过程的响应时间。现有的分析模型，通常假定高速撞击下光纤从包层到纤芯的断裂过程的响应时间趋近于零，缺乏有效的测量方法来提供真实数据。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的基于光纤的高速撞击探测方法，难以确定光纤从包层到纤芯的断裂过程响应时间的问题，提供一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量方法。

本发明的技术解决方案是：一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置，该测量装置包括光源、光分路器、多芯光纤、第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元、第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元、多个光电探测器、信号采集单元，所述光电探测器个数与多芯光纤的纤芯数目对应；

光源发出的光经过光分路器分成多路，每一路光通过第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元输入至多芯光纤的一个纤芯，多芯光纤的每个纤芯内光信号通过第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元输出至对应的光电探测器转换成电信号；多芯光纤位于被撞击体待测撞击部位，多芯光纤纤芯受到高速撞击时发生断裂，其对应的光电探测器输出的信号的由“有效状态”变为“无效状态”，信号采集单元监测光电探测器的输出的电信号状态变化时刻，根据多芯光纤各纤芯的发生断裂时刻，得到光纤断裂响应时间。

所述光电探测器包括光电二极管、跨阻放大电路、钳位放大电路；

光电二极管将光信号转换成电流信号输入至跨阻放大电路；跨阻放大电路将电流信号转换成电压信号输出至钳位放大电路，钳位放大电路将其钳位放大并输出；所述跨阻放大电路的线性工作区覆盖光信号功率变化引起的电流变化范围；所述钳位放大电路饱和区电压高于通断测试时光信号断开对应的跨阻放大电路输出电压。

所述钳位放大电路为输入钳位放大电路。

所述钳位放大电路从饱和区进入线性区的恢复时间不大于10ns。

所述跨阻放大电路包括电压反馈运算放大器、电阻R8、电阻R10、电容C9；电压反馈运算放大器反向输入端为跨阻放大电路的输入端，电压反馈运算放大器正向输入端接地，电阻R8和电容C9并联连接在电压反馈运算放大器的反向输入端和输出端之间，电压反馈运算放大器的输出端连接电阻R10，电阻R10的另一端为跨阻放大电路的输出。

所述钳位放大电路包括钳位运算放大器、电阻R16、R17、R18，电阻R16的一端接地、另一端连接钳位运算放大器的正向输入端和钳位放大电路的输入端，电阻R17跨接在钳位运算放大器反向输入端和输出端之间，电阻R18跨接在钳位运算放大器反向输入端和地之间，钳位运算放大器的输出即为钳位放大电路的输出。

所述信号采集单元同步采集各光电探测器的输出的电信号。

所述信号采集单元的采样频率大于100MHz。

本发明提供的另一个技术解决方案是：一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、将多芯光纤铺设在被撞击体表面待测撞击部位；

步骤二、依次连接光分路器、第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元、多芯光纤、第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元、多个光电探测器和信号采集单元；

步骤三、开启光源，使光源发出的光经过光分路器分成多路，每一路光顺序通过第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元、多芯光纤的纤芯和第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元输出至对应的光电探测器；

步骤四、撞击体高速撞击被撞击体，使多芯光纤纤芯受到高速撞击发生断裂；

步骤五、实时监测光电探测器输出的信号状态变化时刻，根据多芯光纤各纤芯的发生断裂时刻，得到光纤断裂响应时间。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明提供了一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置和方法，利用多芯光纤不同纤芯在光纤横截面上的分布，根据不同纤芯断裂时导致的光电探测器输出的信号状态变化时刻，根据多芯光纤各纤芯的发生断裂时刻，得到精确的光纤断裂响应时间；