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为了满足爆炸冲击作用下爆炸密封容器动态变形过程测试的需要,基于激光多普勒效应和外差技术,采用单模光纤器件、声光移频器和宽带宽光电转换器研制了旁轴式零差结构和旁轴式外差结构光纤位移干涉仪。具有结构简单、动态响应快以及非接触测量的优点。
本文研究的内容主要包括以下几个方面:
1、介绍了光学混频原理,推导了两束具有频率差的激光混频干涉得到的光电转换信号公式。在此基础上与激光多普勒技术相结合,得到了参考光为原始激光的零差探测系统和参考光为频移激光的外差探测系统的光电信号表达式。基于这两种模型,选用窄线宽光纤激光器、声光移频器、宽带宽光电转换放大器和单模光纤无源器件搭建了旁轴式零差结构、旁轴式外差结构光纤位移干涉仪。
2、爆炸冲击实验中,光电信号具有持续时间短、多普勒频移量大、频率变化快等特点。根据文献调研和分析,采用短时傅立叶变换和小波变换这两种时频分析方法编写数据处理程序,采用含噪模拟信号进行程序性能验证。
3、根据采用的不同光路结构和记录设备分析了仪器的性能参数。给出了时间、位移测量和速度测量三个方面的各种性能参数的计算表达式和采用DPO4034记录时的典型值。
4、采用旁轴式外差结构光纤位移干涉仪测量Hopkinson压杆飞离块的自由面速度历程,并与杆上应变片的测量结果相比较,验证了位移干涉仪系统的有效性。钢筒爆炸实验采用球形炸药中心起爆,位移干涉仪测量钢筒外壁的动态变形过程,获得的速度历程曲线与基于应力波理论和结构振动分析的计算结果一致,验证了系统可以测量速度方向。在钢筒置水爆炸实验中,探头经受住了钢筒裂缝喷射微粒的影响,获得了132.812m/s的壁面峰值速度,显示出光纤位移干涉仪系统在爆炸与冲击实验研究领域的应用前景。