彭映成，郭 弦，陳 榮，邢園丁，黎小毛

(1.西北核技術研究所，陜西西安 710024；2.國防科技大學理學院，湖南長沙 410073)

0 引言

在一些抗爆炸沖擊加固的場合，獲取加固材料中某些特定點的絕對位移和相對位移歷程顯得很重要。為了獲得位移參數(shù)曲線，一般采用加速度或者速度測量，然后通過積分獲取位移歷程。但對于準確性和可靠性要求較高的場合，由于積分帶來的誤差，特別是信號直流偏移帶來的累積誤差[1-3]，使得到的位移信號變得不可信。而對于某些材料內部的特定點的位移測量，現(xiàn)有位移傳感器如電渦流位移傳感器等，由于傳感器需要安裝在靜止參考點上，并不適用。此外，出于安全的考慮，爆炸測量中儀器設備離測點都有較大的距離，一般的電測方法由于長傳輸線帶來的信號衰減、電磁干擾、帶寬限制等問題，使得瞬態(tài)測量變得困難,需要采取其他措施以克服上述問題[4]。

自全光纖位移干涉儀[5](all fiber displacement interferometer system for any reflector，AFDISAR)技術提出后，在沖擊波和爆轟波物理中的速度測量的研究中得到了大量應用[6-11]。Strand等[12]于2004年提出一種新型激光干涉測速技術，光子多普勒測速(photonic doppler velocimetry，PDV)，該技術系統(tǒng)結構簡單，測試精度可以達到或超過DISAR系統(tǒng)，已有許多成功應用[13-17]，有可能在大多數(shù)應用上代替DISAR。但無論是VISAR還是DISAR/PDV一般都用于高速測量，由于難以保持反射光路的穩(wěn)定，持續(xù)時間一般是ns或μs級。

為準確獲取混凝土抗爆炸沖擊加固層內部在爆炸沖擊作用下的絕對位移，設計了PDV系統(tǒng)，系統(tǒng)采用長景深、較大的數(shù)值孔徑(NA)的非球面透鏡作為光學探頭，以獲得較大的位移測量范圍和較高的光返回率，提高抗振動干擾的能力。以PDV為基礎,設計了一種慣性滑塊式水平振動位移傳感器，具有穩(wěn)定的入射/反射光路，以實現(xiàn)全振動沖擊過程的測量。

1 慣性滑塊式水平位移傳感器設計

1.1 慣性滑塊式水平位移傳感器測量原理

當兩個物體上下水平疊放，且其接觸面摩擦系數(shù)極小時，一個物體水平運動，另一個物體在水平方向上，在一定誤差范圍內若忽略摩擦力，則水平方向處于不受力狀態(tài)，可以看作靜止?；谝陨显?，設計水平振動位移傳感器。

以剛性殼體、滑動套襯(與殼體通過螺桿相連)、光軸滑桿(在滑動套襯中自由滑動)、PDV系統(tǒng)探頭(非球面準直鏡，正對光軸滑塊安裝于殼體端面上)，構成位移測量傳感器。其結構見圖1，實物見圖2。

圖1 慣性滑塊式水平位移傳感器結構示意圖

圖2 傳感器實物圖

滑桿正對透鏡一側的端面粘貼反射鏡，以提高PDV反射光的接收率，這樣，當滑桿在套襯導軌中滑動時，PDV系統(tǒng)就能夠測量出滑桿相對于光學探頭的速度和位移。

將該傳感器放入被測材料(如混凝土)，當傳感器殼體在振動作用下隨外部混凝土運動時，傳感器支架與殼體共同運動，而由于滑桿與導軌間摩擦系數(shù)極小，其相對于大地參考系處于靜止狀態(tài)。

動摩擦力與質量成正比，速度對阻尼系數(shù)影響因素忽略，此時傳感器殼體相對于靜止參照系(大地)的絕對位移可由式(1)～式(4)得到：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：xo為滑桿相對于支座(殼體)的位移；xm為滑桿相對于大地的位移；C為滑桿與動摩擦系數(shù)，C=0.003。

在該模型中，C越小，xi與xo越接近，時間越長，誤差越大。為使摩擦系數(shù)盡可能小，選用低摩擦阻力，高靈敏性的SMA型滑動套襯與SN光軸滑塊作為滑動組件。則在運動持續(xù)時間30 ms內，最大位移理論誤差為0.025 mm。

1.2 橫向靈敏度分析

在爆炸沖擊作用下，必然存在傳感器殼體的垂向運動，但由于這種運動對滑桿水平滑動影響很小，并且在垂直方向上，光學探頭與滑桿之間保持相對靜止，垂向靈敏度為0，因此對于水平位移的測量影響可以忽略。

1.3 光學探頭設計

在許多VISAR/PDV系統(tǒng)中，光學探頭一般選用GRIN型準直鏡，這種探頭能夠滿足多數(shù)應用需求，但也存在一定的問題：一方面，該類型探頭數(shù)值孔徑(NA)較小，接收被測物反射光的效率較低，另一方面，探頭必須放置在距被測物較近處，作用距離較短。本文選用非球面性準直鏡，經(jīng)實測，該透鏡在距目標8～12 cm范圍內對反射光有較高接收效率，景深為±2 cm，能夠滿足多數(shù)情況下沖擊振動測量的要求。

2 測量系統(tǒng)設計

2.1 實驗裝置

實驗裝置由PDV系統(tǒng)與慣性滑塊式水平位移傳感器構成，見圖3。由于傳感器設計用于抗沖擊加固裝置內部位移，系統(tǒng)與傳感器之間采用鎧裝光纜相連，以保證光信號安全傳輸，并且減小內部光纖振動對光信號的影響，由于測量前端和傳輸線都是光路結構，系統(tǒng)完全不受爆炸產(chǎn)生的電磁干擾以及長線電磁干擾和衰減的影響。

圖3 實驗裝置示意圖

2.2 內差式全光纖位移干涉測速系統(tǒng)設計

PDV測速系統(tǒng)由DFB激光器(波長為1 550 nm，光功率為200 mW可調)、三端口環(huán)形器、光纖探頭(非球面準直鏡)、光電探測器(APD型，帶寬為2 GHz)、數(shù)字示波器(DPO4034，帶寬為350 MHz，采樣率為2.5 GSPS每通道)等構成，其結構見圖4，系統(tǒng)實物見圖5。光源發(fā)出的光一部分在光纖探頭端面發(fā)生反射(回光損耗)，作為參考光進入光循環(huán)器，另一部分通過非球面準直透鏡射向移動靶面，經(jīng)靶面反射，返回光纖探頭，返回的攜帶目標運動信息的散射光也進入光循環(huán)器，在光循環(huán)器中與參考光進行相干。則在光電探測器輸出端得到如下信號：

(5)

式中：I0為信號光強；I1為參考光強；φ0為表面開始運動以前輸出信號的初始相位。

圖4 PDV系統(tǒng)結構圖

圖5 PDV系統(tǒng)圖

根據(jù)多普勒頻移原理有：

(6)

式中：Δf=f1-f0為信號光與參考光的頻率差；v(t)為運動表面在任意時刻的速度；λ0為光源波長。

根據(jù)式(6)，當光源波長為1 550 nm，運動目標速度每變化1 m/s時，多普勒頻移為1.29 MHz。因此，只要計算出相干信號的頻率變化，就可得到被測運動目標表面的速度歷程。

基于示波器350 MHz的帶寬上限，系統(tǒng)測速范圍為-217～271 m/s。

速度信號從式(5)中的交流項(在圖像上表現(xiàn)為干涉條紋)提取的，當參考光強與反射光強大小相等[18]時，信號調制度最大，干涉條紋最為明顯，由于參考光由探頭端面的回光衰減率決定，不能調節(jié)，應用中需根據(jù)實際情況調節(jié)反射光效率，使干涉條紋幅值最大。

3 沖擊加載實驗及結果分析

在抗沖擊加固混凝土墻內距迎爆面不同距離處分別將2支慣性滑塊式水平位移傳感器埋入混凝土內(測點1、2)，埋放時確保傳感器保持水平狀態(tài)，測量系統(tǒng)放置于距測點500 m處。

為了在采用短時傅里葉變換(STFT)時，提高信號的時頻分辨率，測量時應選取較大的采樣率，考慮到振動延續(xù)的時間，本實驗示波器采樣率設定為500 MSPS，采樣時間為40 ms。

在炸藥加載的情況下，PDV系統(tǒng)分別測得圖6、圖7所示的相干信號。從信號質量看，測點1的相干信號幅值較大，相干條紋明顯，測點2后半部分幅值較小，這說明測點1傳感器光路一直能保持穩(wěn)定，測點2則有所變化，但從干涉條紋看，兩者都條紋明顯，對進一步解析沒有影響。

圖6 測點1相干信號曲線

圖7 測點2相干信號曲線

采用短時傅里葉變換(STFT)對原始相干信號進行時頻信號分析，時間窗為131 072點，hann窗，窗重疊點數(shù)為114 688點，F(xiàn)FT長度為131 072點，由于STFT分析中的參數(shù)與被測信號的頻率成分相關，因此參數(shù)的選取并無統(tǒng)一標準，需要在計算時進行嘗試，以得到較為清晰的時頻信號。分析得到圖8、圖9所示的時頻信號。

圖8 測點1時頻信號曲線(STFT法)

圖9 測點2時頻信號曲線(STFT法)

時頻信號曲線中存在較為明顯的倍頻和多倍頻信號，這是由于激光器頻帶(線寬)較寬造成的，這會給信號的進一步解析(脊線提取)造成一定影響，解決的辦法是采用窄線寬激光器作為光源。

采用模極大值法對時頻信號進行脊線提取，并根據(jù)式(6)得到圖10、11所示的速度信號，需要指出的是，本文中的PDV系統(tǒng)并無速度判向功能，根據(jù)式(5)，無論正向速度，還是負向速度，只要數(shù)值相等都表現(xiàn)為同樣的頻率。因此，從脊線得到速度信號時，需要根據(jù)情況判斷脊線零點間的數(shù)值是否需要取反，從實際物理意義上看，速度不能出現(xiàn)突變，因此這也是合理的。

圖10 測點1速度信號

圖11 測點2速度信號

對速度信號進行積分得到圖12、圖13所示的位移信號，由于速度信號只與頻率(參考頻率與反射光頻率的差頻)相關，與光電信號幅值無關，因此不存在直流偏置，對其進行積分得到的位移信號，也不存在直流偏置帶來的累積誤差。

圖12 測點1位移信號

圖13 測點2位移信號

從2個測點所得到的位移信號看，測點1的位移首先出現(xiàn)上升，然后在某一位移處衰減振蕩，沒有回到原點，可以判斷該處混凝土在爆炸沖擊的作用下出現(xiàn)了2.5 mm的永久壓縮(塑性)；測點2位移在原點處振蕩并回到原點，振蕩頻率也低于測點1，說明該位置處于彈性區(qū)，振動位移的頻率隨著距迎爆面距離的增大而減小。

4 結論

本文基于PDV技術與慣性原理設計了慣性滑塊式水平位移傳感器，用于抗沖擊加固體內部在爆炸沖擊作用下的動態(tài)位移測量。結果表明：

(1)系統(tǒng)傳感器滑桿結構與光路設計保證了較長時間的光路穩(wěn)定和較大的位移測量范圍，使系統(tǒng)能夠適用于較大沖擊載荷范圍下的位移測量。

(2)該系統(tǒng)實現(xiàn)了動態(tài)信號遠距離瞬態(tài)信號的測量，具有良好的抗電磁干擾和信號傳輸能力。