光纤探针应用于爆速测试实验研究

赵生伟，王长利，李 迅，刘晓新，丁 洋，吴玉蛟

（西北核技术研究所，陕西 西安710024）

引言

目前，光纤作为传感器被广泛应用于应变、压力、温度、速度的测定。在炸药的爆轰过程中，爆轰波阵面由冲击波阵面和随后的化学反应阵面组成；光纤探针能够记录整个爆轰过程中的光信号［1－2］，不仅能够测定炸药爆速，也能够根据光信号分析爆轰状态，尤其是对混合炸药。因此，将光纤探针用于炸药爆轰实验有益于爆轰过程的深入研究。

1 实验原理及方法

光纤系统由石英光纤探针、光电二极管、放大器和记录系统组成。其工作原理：光纤探针采集反应阵面上的光信号，通过光电二极管管将光电信号转换为电信号，由记录系统将这些有时序的脉冲信号记录下来。系统原理示意及实物见图1。

图1 光纤测速系统示意及实物图Fig.1 Sketch and photogragh of fiber probe system used for measuring velocity

1.1 炸药爆轰速度测定实验

将光纤探针埋设于炸药中，测定其爆轰速度。光纤为直径0.063 5mm的玻璃光纤，头部为聚光准直凸透镜。炸药为Φ40mm×100mm的圆柱形，熔铸于钢制模具内，质量约220g，类型为熔铸型THL炸药和B炸药。光纤探针沿横截面方向布设，探针间距固定，根据炸药爆轰后测定的光信号，确定光信号间的时间差，从而计算爆轰波阵面传播速度。实验原理示意见图2。

图2 炸药爆轰光纤测速实验原理示意图Fig.2 Sketch of fiber probe used in detonation experiment

1.2 冲击作用下光纤响应实验

将光纤探针埋设于模拟炸药中，分析光纤仅在冲击波作用下的响应，模拟炸药成份为软质钝感材料，在冲击作用下不会发生化学反应。光纤为直径1mm的塑料光纤，头部无准直透镜。实验布设示意及实物见图3，一端为THL炸药，另一端为模拟炸药，尺寸都为Φ40mm×100mm的圆柱形，熔铸于钢制模具内，质量约220g。THL炸药和模拟炸药之间以连接件联接，间隔以5mm厚的钢板。冲击波经过连接件透射至模拟炸药内，同时作用于光纤探针。根据示波器记录的光纤信号，分析无化学反应影响，仅在高压冲击波作用下光纤的响应。

图3 冲击作用下光纤响应实验布设示意和实物图Fig.3 Sketch and photograph of fiber probe used in shock experiment

2 实验结果及分析

2.1 炸药爆轰实验

共实施炸药爆轰实验4次，其中熔铸THL炸药3次，熔铸B炸药1次。光纤探针实测获得THL炸药和B炸药中爆轰波阵面传播至探针位置处的光信号波形，根据探针间距和波形时间差计算可得爆轰波速。实验参数和实测波速数据见表1，典型光纤实测数据见表2，实测光纤探针信号见图4。

表1 实验参数及实测波速数据Table 1 Experimental parameter and data of detonation wave

表2 典型光纤测速数据Table 2 Typical data of fiber probe

图4 光纤探针实测波形Fig.4 Typical measured history curve of fiber probe

从图4可以看出，炸药中各位置光纤探针记录的光信号形状基本一致。说明炸药爆轰状态稳定，且光纤探针能够可靠响应，记录爆轰过程中的光信号。

实验中使用的熔铸型THL炸药的参考波速为7 074m／s，熔铸型B炸药的参考波速为7 636m／s［3－15］。将实测波速与参考波速相比较，可以看出，不确定度≤2%；将光纤实测距离、时间数据拟合曲线与参考波速曲线比较，可以看出两者吻合一致性较高（如图5）。因此，采用直径为0.063 5 mm带准直透镜的玻璃光纤探针，能够准确测定炸药爆轰波传播速度，测量不确定度≤2%。

图5 实测波速拟合与参考波速曲线比较图Fig.5 Comparison of wave velocity between measured and referenced

2.2 冲击作用下光纤响应实验

实施冲击作用下光纤响应实验1次，炸药为熔铸THL炸药。光纤探针实测获得THL炸药中爆轰波阵面和模拟炸药中冲击波阵面传播至探针位置处的光信号波形，并根据探针间距和波形时间差计算可得爆轰波速。实测光纤探针信号见图6，实验参数和实测波速数据见表3。

表3 光纤测速数据Table 3 Data of fiber probe

图6 光纤探针实测波形Fig.6 Measured history curve of fiber probe

从图6光纤实测波形可以看出，埋设在THL炸药中光纤探针Fiber1～Fiber3，记录的光信号形状基本一致；同样说明炸药爆轰状态稳定，且光纤探针能够可靠响应。比较THL炸药的参考波速和表中光纤实测波速，不确定度约为0.8%。因此，采用直径为1mm、无准直透镜的塑料光纤探针，也能够准确测定炸药爆轰波传播速度。

从图6中还可以看出：1）埋设在模拟炸药中的光纤探针Fiber4～Fiber6都记录到了光信号；2）从Fiber4至Fiber6，信号幅值逐渐降低，信号形状也不一致。上述2点说明：1）虽然钝感材料不发生化学反应，但在爆轰产生的强冲击波作用下，压力骤增伴随温度升高，出现“色温”现象，即黑体辐射现象［16］；2）冲击波在钝感材料中传播，强度逐渐减弱，压力也随之降低，符合强冲击波在软质材料中的传播规律。

3 结论

炸药爆轰时，爆轰波阵面由化学反应阵面和冲击波阵面组成，光纤探针记录化学反应阵面光信号，能够准确确定炸药爆速。采用直径为0.063 5 mm的玻璃光纤和直径为1mm的塑料光纤，无论头部是否加装聚光准直凸透镜，都能准确测定炸药爆轰化学反应阵面传播速度，不确定度≤2%。

另外，在无化学反应的强冲击波作用下，光纤探针记录的光信号反映了黑体辐射的“色温”现象，即在高压和随之的高温条件下，黑体材料发出的光与某可见光源相同；且随着压力降低，光纤信号幅值也降低。因此，可以考虑标定冲击波压力幅值与光纤信号幅值之间的关系，从而使用光纤测定冲击波压力。

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