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1、清华大学毕业论文目录 1.绪论11.1测量炮口初速的意义11.2传统炮口初速测量的方法及特点21.3光纤Bragg光栅测速装置的设计背景21.4光纤光栅的发展概况31.5论文的主要内容及工作42光纤Bragg光栅传感原理52.1 引言52.2光纤光栅传感原理62.3布拉格光纤光栅传感器的特点和应用72.4光纤光栅反射特性的研究92.5光纤Bragg光栅温度与应变传感原理122.5.1光纤Bragg光栅温度传感原理122.5.2光纤Bragg光栅应变传感原理132.6光纤Bragg光栅Bragg波长信号传感技术142.6.1光纤Bragg光栅Bragg波长信号解调基本原理152.6.2基本光纤B
2、ragg光栅传感系统152.7小结163.光纤光栅熔接技术173.1光栅制作与光纤熔接技术173.1.1光敏光纤的制备173.1.2成栅的紫外光源173.1.3成栅方法183.2光纤熔接技术243.2.1 光纤熔接243.2.2 熔接常见大衰减现象253.2.3 熔接时注意事项264. 测量炮口初速的装置274.1炮口速度测试系统组成274.2装置的测量原理274.3测试方法284.4装置的系统结构设计图314.5装置的光路系统设计324.6装置的电路系统设计334.7应注意的问题354.8一些器件的技术参数365结论37参考文献：38致谢40第I页 共页1.绪论随着现代各种高新科技在军事领域
3、内的广泛运用，武器装备的性能有了飞跃性的发展,对弹丸初速度的测试变得越来越重要。在不同的测试环境下,测试弹丸在炮口的初速度的准确精度会有很大差异。当前对弹丸初速及姿态的测量方法很多，炮口初速的测定常用的有应用多普勒原理的炮口雷达测速、线圈感应测速及反射式红外激光测速等等。而光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。光纤布拉格光栅是用光纤布拉格光栅(FBG)作敏感元件的功能型光纤传感器,可以直接传感温度和应变以及实现与温度和应变有关的其他许多物理量和化学量的间接测量。光纤布拉格光栅除了具有普通光纤传感器抗
4、电磁、抗腐蚀、耐高温、重量轻、体积小等优点外,还有其独特的优点:探头结构简单,尺寸小,易于与光纤耦合,耦合损耗小;属于波长调制型,抗干扰能力强;集传感与传输于一体且具有更强的复用能力,易于构成传感网络;测量对象广泛,易于实现多参数传感测量等等。正是由于这些独特的优点,使得光纤布拉格光栅已成为目前最具有发展前途,最具有代表性的光纤无源器件之一,其应用领域也日渐扩展。1.1测量炮口初速的意义火炮自动武器系统的重要战术指标是火炮的射击精度。对于给定的弹丸,弹丸命中目标的精度是受火控系统计算出的高低和方向坐标影响,坐标的计算就是求解外弹道方程组,其中弹丸的炮口初速是最重要的一个输入量。目前大多数火炮的
5、炮口初速在战场上是不能直接测试,只是以标准弹药参数为基础进行计算。这些参数只能给出标准弹药在标准温度和标准身管情况下发射时的平均炮口初速和标准方差.然而战场环境发射,很多因素都对炮口初速产生影响,如:弹药环境温度、身管温度以及身管的磨损等。弹药温度升高可以影响火药的燃烧速率,造成膛压和升高5%-10%和炮口速度提高5%-10%。身管温度升高可以影响内弹道并且导致火药气体的泄露,从而可以导致炮口初速的变化在5%。身管的磨损可以显著降低炮口初速增大散布,身管磨损可以使初速减低10%-20%【2】。由于对于发射的每一发弹药,外弹道解算的精度很大程度上依赖于该发弹丸的初速,但是在战场环境下,在射击前不
6、可能对每发弹估算其炮口速度,因此目前的火炮系统和弹药条件下根据统计数据来估算弹丸的炮口速度.因此能够实时测试火炮每发弹丸的炮口初速,而不是采用名义弹丸初速可以更精确确定每发弹的外弹道解,从而提高武器的射击精度。除了能够提高火控系统外弹道的解算精度,从而达到提高弹丸命中目标的精度外,实时炮口的初速的测试可以达到监测身管的故障和磨损程度。炮口初速的平均值和标准偏差可以进行实时在线分析,从而可以达到预测火炮身管的使用寿命。这将区别于当前依赖于计算身管发射的弹数来判断是否要更换身管。弹丸炮口初速的实时检测对中小口径空爆弹可编程引信的装定将发挥重要作用，可以和火炮的火控系统结合,如在35mm、30mm空
7、爆弹发射系统中,炮口初速测试子系统可以和和弹药编程引信的装定系统进行通信,根据每发弹的炮口速度,对引信进行实时装定,保证空爆弹药准确空爆的位置,提高杀伤率。1.2传统炮口初速测量的方法及特点1雷达炮口初速测试：通过主动发射雷达脉冲，当测得膛内飞行弹丸的速度时，不能将该速度赋予弹药的引信装定系统，不能对该发射进行引信装定，并且该测试系统费用高，体积大。2线圈靶炮口初速测试：其感应线圈需要安装在炮口之外，由于要承受炮口冲击波和剧烈的振动，因此需要笨重附加装置固定于炮口，会对火炮身管的振动特性产生不利影响。3压力传感器测试：需要在身管进行孔的加工，对火炮安全、可靠性不利。4天幕靶：装置笨重，适用于高
8、角度测试，不能夜间使用，一般用于靶场测试试验（不是随炮测量的）【1】。1.3光纤Bragg光栅测速装置的设计背景由于传统炮口该设计与枪炮出口速度测量相关，该测量需求自从19世纪80年代强烈炸药的发展以来多年存在。该需求发展为要有一种方法有效测量传播时间，也为武器的迅猛发展要求精准的出口速度，该问题变得十分严重。先前的实验室出口速度测量方法包括：偏航屏幕，感应圈，箔应变计，孔压力传感器，初速雷达内置圆形MEMS器件。测量出口速度场的方法包括：MEMS器件圆形，感应圈和初速雷达。上述方法不适合现场状况。偏航屏幕被设置在了弹丸炮口附近感应线循环。按照设计，他们只在测试范围内的情况非常有用。箔应变系统
9、的不利影响是电磁干扰，需要经常校准，调零和调整，并没有达到高速弹丸需要。孔压力传感器为基础的方法需要大量修改，对于枪管不利于现场应用，因为他们需要通过钻探枪管作传感器的插入孔，此修改削弱了枪管，并为水和污染物进入孔内提供了潜在途径。初速雷达是昂贵的，体积大，向外电磁辐射,明显提高被探测到的风险，并且通常只能测量出炮弹出炮口后的速度。MEMS器件价格昂贵，占据宝贵的空间。上述方法同样不能令人满意。而场感应环的系统是在枪口环外侧设置了三个感应环，以衡量枪口出口速度。这一额外的质量显然降低了枪炮的性能稳定性，并影响到枪炮系统的分散。该设计解决了上述问题,能够可靠，准确地以低成本的方式测定出口速度。它
10、利用做在枪炮管上或内嵌的光纤传感器的直接应变测量，实现了任何枪炮系统的出口速度测量，这些测量可用于单发射击或自动快速射击模式。枪炮出口速度的测量可用于空爆弹药系统应用，以实现在需要的范围精确爆破和对打击目标性能的提高弹丸弹道解决方案的改善。该设计提供了一种成本低，精确地测量枪炮管子弹炮弹的出口速度的方法。该设计坚固，能够经受住通常在枪炮管中常见的冲击，震动和高温。这项设计的目的是测量高采样速射弹药率，让每一轮可以被采样并给予适当的信息与相应时间爆炸。为了保证连续测量精度，发明中加入了温度补偿。1.4光纤光栅的发展概况光纤光栅是近几年发展最快的光纤无源器件之一。自从1978年加拿大渥太华通信研究
11、中心的K.Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应,并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅,直到1989年,美国联合技术研究中心的G. Meltz等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术,使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。随着光纤光栅制造技术的不断完善,其应用的成果日益增多,从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化,光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器技术之后的又一重大技术突破【8】。光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时,光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化
12、的特性(这种现象也称为光致折射率变化效应)。比如用激光干涉条纹(全息照相) 从侧面辐照掺锗光纤,就可使其成为光纤光栅,这种光栅在大约500以下稳定不变,而用500以上高温可擦除。而在纤芯内形成的空间相位光栅,其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤无源器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小,能与光纤很好的耦合,可与其它光器件兼容成一体,不受环境尘埃影响等一系列优异性能。光纤光栅的种类很多,主要分两大类:一是Bragg光栅(也称为反射或短周期光栅);二是透射光栅(也称为长周期光栅)。对光纤光栅的研究主要是光栅的写入技
13、术(尤其是非周期光栅的写入技术)、光栅的传输和传感特性以及光栅的应用等。目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域【6】。1.5论文的主要内容及工作本论文对光纤布拉格光栅炮口初速测量进行研究。1以学习光纤光栅（FBG）的应变传感原理为基础，进一步学习光纤熔接机工作原理及操作、火炮内弹道有关知识；2分析弹丸位置与（FBG）产生的信号的关系；3确定了光纤光栅测量火炮膛内区截速度的总体方案、确定宽带光源、光纤陷波器，光栅传感器，光纤耦合器等技术参数及型号、光纤光栅反射信号的解调技术的探索及相应的光路电路设计。2光纤Bragg光栅传感原理2.1 引言光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信
14、技术发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。光纤布拉格光栅是用光纤布拉格光栅(FBG)作敏感元件的功能型光纤传感器,可以直接传感温度和应变以及实现与温度和应变有关的其他许多物理量和化学量的间接测量。光纤布拉格光栅除了具有普通光纤传感器抗电磁、抗腐蚀、耐高温、重量轻、体积小等优点外,还有其独特的优点:探头结构简单,尺寸小,易于与光纤耦合,耦合损耗小；属于波长调制型,抗干扰能力强；集传感与传输于一体且具有更强的复用能力,易于构成传感网络；测量对象广泛,易于实现多参数传感测量等等。正是由于这些独特的优点,使得光纤布拉格光栅已成为目前最具有发展前途,
15、最具有代表性的光纤无源器件之一,其应用领域也日渐扩展【3】。光纤传感器系统按照光纤在传感系统中的作用可以分为两种类型:功能型和非功能型。功能型光纤传感器中，光纤不仅是光传输媒质，而且是敏感元件；而非功能型光纤传感器中光纤只作为光信号的传输媒介。描述光波特征的参量很多(如光强、波长、相位、偏振态和模式分布等)，这些参量在光纤传输中都可能受到外界影响(如：温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量的影响)而发生变化，光纤传感器就是根据光波特征参量随这些物理或化学量的变化来检测相应被测参量变化的一种传感器。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，与传统的电学传感器相比，具有一系列独特的优点。光波不产生电磁干扰，也不受电磁干扰，易被各种光探测器件接收，可方便地进行光电或电光转换；光纤的工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；光纤本身不带电，体积小，重量轻，易弯曲，抗辐射和抗腐蚀性能好，特别适合于易燃、易爆、强腐蚀性等恶劣环境下使用。正是由于这些不可替代的优点，很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度。近年来，光纤传感器被认为是传感技术发展的一个主导方向，其产业也被国内外公认为最具有发展前途的高技术产业之一。光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器，已经进入实用化阶段，逐步形成传感领域的一个新的分支，不但在高、精、尖领域得
