基于埋入式微纳光纤传感的材料内冲击波/爆轰波速度原位连续测量技术研究

The electronic pin, optical pin and high speed photography can only measure the average speed at several times, and the electromagnetic particle velocity gauge can not be used inside the conductive samples such as metal. We would use some micro-nano fibers as embedded probes to measure velocity profiles in samples with an in-situ, continuous, direct way. This technique would has important prospect in shock physics such as equation of state and constitutive relations, and in detonation wave physics such as explosion reaction rate and reaction wave structure.. Firstly,we would make a theoretical studies on the sensing characteristics of micro-nano fibers, and develop the sensor fabricating technology based on different types of fiber, and explore the sensor-installation method inside materials. Secondly, comined with photonic Doppler velocimetry, we would use these probes to in-situ measure the shock speed in materials(aluminum and PMMA) and the detonation wave speed in explosion(PETN and nitromethane)，and to validate the response characteristics and measurement precision of these probes. The aim of this project is establish the micro-nano fiber sensors technique for velocity profiles measurement with high temporal resolution and velocity resolution.

针对电探针、光探针、高速摄影等只能获得离散时间段内平均速度和电磁粒子速度计不能用于金属等导电样品速度测量的不足，采用微纳结构光纤作为埋入式速度传感头，用于材料或炸药内部冲击波速度、爆轰波速度原位、连续、直接测量，这项技术将在冲击波物理的材料状态方程、本构关系和爆轰波物理中炸药反应速率、爆轰波反应区结构等研究中具有重要的应用前景。. 项目将从理论方面对冲击波或爆轰波作用下微纳光纤传感特性进行研究，以此为基础设计研制基于不同光纤类型的埋入式光纤传感头及研究传感头在材料中安装工艺；结合光纤多普勒测速技术（PDV），开展铝、有机玻璃等典型样品中冲击波速度和PETN、硝基甲烷等炸药爆轰波速度原位连续测量的实验研究，通过实验验证埋入式传感头的响应特性和测速精度，以掌握高时间分辨和速度分辨的埋入式微纳光纤速度传感器技术，并实现爆轰波或冲击波波形的离散多点空间分辨测量。

为弥补电（光）探针、组合式电磁粒子速度计、微波（太赫兹）测速等冲击波、爆轰波诊断技术的不足，项目开展用于材料或者炸药内部冲击波/爆轰波的原位、连续、直接测量的埋入式光纤多普勒测速探针技术研究。开展了冲击波/爆轰波作用下材料密度（压力）与光纤内间断面反射率关系的理论模型研究和数值仿真。针对不同的速度测量范围，研制了普通单、多模石英光纤、聚合物多模光纤等多种类型光纤传感头；掌握外径为300-900 μm的埋入式光子多普勒测速探针制作方法，完成光纤传感头在多种材料内的安装工艺研究。改进并研制了测速上限高达20 km/s的双光源混频光子多普勒测速系统，满足光纤内视在速度相对较高的测量需求，编制PDV数据处理软件，具备微弱信号的分析解读能力。完成共计不少于50发的多种类型传感头的应用验证实验，获得有机玻璃、铝、水、炸药中的冲击波速度、爆轰波速度，实验结果表明所研制的埋入式光子多普勒测速探针具备20 ns-100 ns的响应时间，在平稳段时间分辨为10ns时速度测量不确定度优于5 m/s。开展有机玻璃、金属铝内多点埋入式测速探针实验，验证了此项技术离散多点mm量级的空间分辨本领。 .通过各项关键技术的研究攻关，成功研制了埋入式光子多普勒测速探针并经过多类实验验证，为冲击波物理和爆轰波物理提供了一种具有较高的响应时间、速度分辨以及空间分辨本领的诊断技术，再对探针安装工艺进一步优化的基础上，在炸药爆轰成长、冲击转爆轰等爆轰性能研究、水下爆炸毁伤过程的近场冲击波诊断等场景下都将有着广泛的应用前景。