微型药量爆炸容器的测量技术研究

　　研究在强冲击波作用下测量各种材料性质的变化过程是目前冲击波物理和爆轰物理学研究的重要内容[1]。实验室微型药量爆炸容器研究,需要精确测量微型炸药球爆炸后在地质介质中产生的微弱球形发散应力波。国外的研究表明:3/8gPETN炸药球爆炸后,在花岗岩中产生的最低质点速度为0.3m/s,而位移仅有7μm,且频率达到200kHz左右[2](图1为典型实验装置,图2为典型实验结果)。因此,要得到高频条件下的精确微弱位移,测试仪器必须要有足够的测试精度和频响。

　　目前,实验室微型药量爆炸容器研究主要通过Π型和圆环型电磁粒子速度计测得质点的速度和位移[3]。电磁粒子速度计需要埋入实验样品中,用于起爆炸药的高电压和大电流等对磁场有一定的干扰,这些都可能对测试结果造成一定的影响。随着测试技术的发展,利用非接触的激光干涉技术来测量样品中质点速度和位移已经具备成熟的条件。该方法测量在介质表面进行,不需要对样品内部进行再加工和安装测试仪器,对测试的介质没有影响,提高了测试精度和准确性。采用超精密的激光微位移干涉仪进行测量,可测量高频条件下的微弱质点速度和位移。

　　1　测量原理

　　激光干涉测量技术是利用光学多普勒效应而建立起来的连续测量运动物体界面速度的一种精密测量方法[4]。频率为f0的激光垂直入射到以速度V(t)运动的物体表面上,由于多普勒效应,从物体表面反射回来的信号光频率:

　　反射光与入射光频率之差称为多普勒频移Δf,它携带了物体运动速度的信息,由(1)式可知,频率的变化Δf为:

　　式中:c—真空中的光速。图3为激光微位移干涉仪的系统框图。由1550 nm半导体激光光源发出的激光经过高功率光纤环行器(1端进,2端出)照射运动物体靶面,然后由光探头收集表面携带了运动目标位移信息的有用光信号经大光束准直透镜准直,由光环行器2端进,3端出,进入前置光纤放大器,经前置光纤放大器放大后,进入低噪声带前置放大器的光电探测器,转换成电信号并由示波器记录。采用短时傅立叶信号处理技术,可以快速地进行数据处理,得到被测表面的位移-时间曲线和速度-时间曲线。

　　2　静态实验结果

　　为了检测激光干涉仪的可靠性,利用自行编写的Matlab程序计算了干涉仪光学共振腔的相关参数,并就相关参数对实验测试范围的影响进行了分析。采取压电陶瓷和温度控制两种方法来改变其腔长进行了静态实验验证,利用步进电机对微位移干涉测试系统进行了动态实验验证。图4为理论计算结果,图5为静态实验结果。