摘要：研制了一种新型的利用激光光束反射原理的全光纤弹速测量系统。该系统采用了全光纤结构和光纤耦合器等无源器件，以输出光功率 1mW, 工作波长 1300nm 的半导体激光器作为测试系统的光源，用光纤耦合器进行分光，实现了在一根光纤中同时传输光源和接受目标反射的信号光，避免了复杂的调节和准直过程。该系统结构简单、可靠性高，利用它，成功地测量了霍普金森杆发射的子弹速度，结果表明其速度测量相对不确定度小于 1%。
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。
从图2 所示的光纤传感器组成结构可以看出，由于采用全光纤结构和光纤无源器件，避免了传统分立式的分光镜等光学元件所固有的复杂的对光调试问题，使得整个系统结构简单可靠，组成的弹速测量系统具有体积小、重量轻、抗震动和成本低的特点，而且还具有突出的免调试维护的优点。此外，2×2 光纤耦合器的应用，可以使两个光纤探头的测速信号用同一只光电转换器记录，适当调节两个光纤探头的测量距离，可以获得两组对应子弹长度的光信号。在数据处理时，可以用子弹长度和对应的信号宽度来计算弹速，也可以用两个光纤探头距离和分别对应到达、移出两个探头视场的时间来计算。
2 实验结果及分析
使用上述光纤传感器组建了一套弹速精确测量系统，进行了原理性模拟实验。在分离式 Hopkinson 压杆实验装置上测量了实弹发射速度，并与 Hopkinson 杆发射装置原有的光束遮断式测速系统进行了对比。实验在φ14.5mm 口径的 Hopkinson 压杆实验装置上进行，实验布局如图3。调整 Hopkinson 压杆气室的注气压力或采用不同量的子弹，可得到不同的弹速。实验中信号由 TEK TDS744 数字存储示波器记录，利用子弹长度尺寸和相应的信号波形脉宽得到速度，实验波形见图4。我们同时记录了 Hopkinson 压杆装置上光束遮断式测速系统(OBB)的信号，见图4 所示波形。该系统利用子弹遮挡光源射到光电二极管 PIN的光束将引起光电流变化的原理进行速度测量。两个 PIN 之间相距 50mm，AFOBR 的光纤探头到第一个 PIN 的距离为 80mm。实验数据见表 1, 由表中的正常数据可以看出, AFOBR系统的弹速测量结果与 OBB 系统测量结果一致，表明其速度测量结果准确，且波形重复性好，说明 AFOBR 测速系统能够稳定可靠地工作。此外，从图4(a)可以看出，AFOBR 的信号上升下降沿比 OBB 的波形锐利得多，这对减小时间判读误差非常有利。
3 测量不确定度分析
子弹的平均速度为V=l/t，其中l 为两个探头间的距离(当用单探头测量时为子弹的长度)，t 为子弹通过探头的时间。由于长度测量和时间测量分别独立进行，故平均速度测量的相对不确定度由下式表示[7]
目前，对距离的测量至少可精确到 0.02mm，相对于 50mm 距离其相对测量不确定度小于 0.1%，而时间测量的相对不确定度可小于 0.5%，即使考虑其它因素，该系统速度测量的相对不确定度仍不大于 1%。表1 数据显示，与 OBB 系统测量的数据相比，AFOBR 的测量结果偏小。实际上，由于驱动气体还在对弹丸作用，子弹在测速区存在着加速度。两种测速方法均只能测量子弹的平均速度，以实验1 为例，我们将表1 测得的平均速度与位置联系起来即可看到速度的变化，见图5。线性拟合表明，在近 140mm 的路径上速度会增加约 4%左右，显然，这不是测量误差引起的。由于 AFOBR测速区域位于OBB测速区的前端，故AFOBR的测量结果自然会偏小，因此，考虑到子弹加速度的影响，两种方法测速结果的符合性小于1%，实验结果表明，上述关于速度测量不确定度的分析是正确的。
4 结 论
研制了基于激光光束反射原理的速度测量系统，由于系统设计为全光纤结构，采用了目前光通信领域较成熟的商业光纤无源器件和光电转换放大技术，使整个系统具有结构简单、成本低和测量精度高等优点。该系统已成功地测量了 Hopkinson 压杆设备的子弹速度。为得到更为精确的速度测量结果和测量速度的变化，可将子弹的外径上沿长度方向加工多条等距环型刻槽，则可用一个光纤探头得到多个速度测量值，进而得到多点速度平均值或分析速度的变化情况。下一步将进行这项工作，并将该测速系统应用到轻气炮出口弹速的测量中去。若在光电转换电路后级加入一个整形电路，将原始波形整形为规则的方波序列，可进一步提高信噪比。
参考文献：
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作者简介：王 翔(1968-)，男(汉族)，安徽怀宁人，助研，硕士，主要从事光电测试技术与测试仪器应用研究。E-mail: wxphn@163.net ; wxphn@tom.com
