ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 107-110
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.317.76
ИНТЕРФЕРОМЕТР С ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННЫМ УПЛОТНЕНИЕМ СИГНАЛОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В УДАРНО-ВОЛНОВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ
© 2014 г. С. С. Мокрушин, Н. Б. Аникин, С. Н. Малюгина, А. В. Павленко, А. А. Тяктев
РФЯЦ-ВНИИ технической физики им. академика Е.И. Забабахина Россия, 456770, Снежинск Челябинской обл., ул. Васильева, 13 E-mail: avpavlenko@vniitf.ru Поступила в редакцию 23.09.2013 г.
Описан двухканальный интерферометр на лазерах инфракрасного диапазона (1.55 мкм), предназначенный для измерения скорости движения поверхностей в ударно-волновых экспериментах. Приведены характеристики прибора и результаты сравнения с интерферометром VISAR. Совмещение в интерферометре схем PDV (Photonic Doppler Velocimeter) и PDV-Pivot позволяет реализовать четыре рабочих режима и эффективно использовать возможности современных цифровых осциллографов. При использовании осциллографа с полосой пропускания 4 ГГц прибор позволяет измерять скорость в диапазоне 0—6 км/с. Предложенный интерферометр эффективен при исследовании свойств конструкционных материалов, в задачах внутренней баллистики, а также при изучении кинетики детонации и метательной способности взрывчатых веществ.
DOI: 10.7868/S0032816214030070
Исследования динамических свойств материалов в условиях высокоскоростных деформаций осуществляются нагружением образцов ударными волнами в хорошо контролируемых условиях с последующей регистрацией волн напряжений, распространяющихся в них. На специально сконструированных пушках [1] реализуются плоские ударные волны, в процессе воздействия которых состояния образца и ударника, а также условия соударения хорошо контролируются. Для непрерывной регистрации волн напряжений широко применяются лазерно-интерферометрические приборы, использующие эффект Доплера, а именно: интерферометры VISAR [2—4], Фабри—Перо [5, 6], ORVIS [7], PDV (Photonic Doppler Velocimetry) [8, 9], PDV-Pivot [10] и их модификации.
В интерферометрах PDV для измерения скоростей порядка 1 км/с необходимо регистрировать сигналы с частотой ~1.3 ГГц. Для большинства задач современные осциллографы с запасом удовлетворяют экспериментаторов по полосе пропускания и длительности записи. Для эффективного использования в интерферометрах PDV возможностей современных цифровых осциллографов известны два способа — временное и частотное уплотнения.
В настоящей работе описан разработанный в РФЯЦ-ВНИИТФ двухканальный интерферометр PDV с частотно-временным уплотнением, предназначенный для регистрации в ударно-волновом эксперименте временных профилей ско-
ростей двух точек на поверхности исследуемого образца.
Схема прибора показана на рис. 1. Технически интерферометр реализован с использованием перечисленных ниже элементов.
Оптические соединения обеспечивались од-номодовым оптическим волокном 8МР28е. В канале 1 использовался эрбиевый одночастотный лазер (ширина линии 8/ = 15 кГц, длина волны 1549.5 нм, регулировка мощности в диапазоне
Рис. 1. Схема интерферометра PDV с частотно-временным уплотнением сигналов.
10 мВт—2 Вт), а в канале 2 — два одинаковых перестраиваемых чип-лазера (полупроводниковые лазеры, реализованные в виде микросхем; ширина линии не хуже 8/= 50 кГц, центральная длина волны ~1550 нм с возможностью подстройки в диапазоне ~0.2 нм, регулировка мощности до 40 мВт). Сплиттеры, используемые в качестве сумматоров, и циркуляторы были рассчитаны на максимальную входную мощность излучения 300 мВт. Схема регистрации оптического сигнала включала в себя фотодетектор (спектральный диапазон 0.76—1.65 мкм, максимальная чувствительность 0.95 А/Вт на длине волны 1.55 мкм, время нарастания не хуже 50 пс, полоса пропускания >8 ГГц, максимальная входная мощностью излучения 1 мВт) и осциллограф (полоса пропускания аналогового тракта 4 ГГц). Отметим, что полоса пропускания осциллографа ограничивает диапазон измеряемых скоростей величиной 3.1 км/с. Интерферометр собран в монтажном боксе с габаритами 480 х 540 х 150 мм. Осциллограф, эрбиевый лазер и монтажный бокс с интерферометром размещались в 19" приборном шкафу фирмы Hyperline высотой 164 см.
Первый интерферометрический канал (см. рис. 1) представляет собой классический интерферометр Майкельсона, собранный на оптоволоконных компонентах по схеме PDV [8]. Лазерное излучение /1 посредством оптического волокна через циркулятор 1 доставляется к первой точке зондируемой поверхности образца (мишени). Отраженное и собранное тем же самым волокном излучение f1D(t) суммируется с зондирующим (опорным) излучением /1 и с помощью циркулятора перенаправляется через оптоволоконную линию задержки к общему для двух каналов сплиттеру. Экспериментально опробовались линии задержки длиной до 1 км, что обеспечивало смещение сигнала по времени на ~5 мкс.
Второй интерферометрический канал прибора собран по схеме PDV-Pivot [10] и содержит два лазера. В этом канале для получения опорного (частотой /0) и зондирующего (частотой /2) излучений используются два одинаковых перестраиваемых чип-лазера. В линию, соединяющую опорный лазер и сплиттер, включен измеритель мощности "Eigenlight" со встроенным аттенюатором для контроля и, при необходимости, ослабления мощности опорного излучения /0. Лазерное излучение частотой /2 посредством оптического волокна через циркулятор 2 доставляется ко второй точке зондируемой поверхности образца. Отраженное и собранное тем же самым волокном излучение f2D(t) с помощью циркулятора перенаправляется к сплиттеру второго интерферометрического канала, где происходит суммирование опорного и отраженного лазерного излучений.
Таким образом, на фотодетектор через общий сплиттер подаются излучения двух пар частот: /1, /ю(0 и /0, /2В((), которые дают сигнал интерференционных биений двух частот (/1 — /1В(1) и/0 — /д(0), регистрируемых осциллографом. Регулировка рабочего тока и температуры чип-лазеров позволяет варьировать частоты опорного / и зондирующего /2 излучений. Подобраны режимы, в которых смещение частоты /0 — /2д(0 выбирается из диапазона 0.3-2 ГГц.
Сочетание схем двух интерферометрических каналов позволяет эффективно использовать возможности регистрирующего канала имеющегося осциллографа по полосе пропускания (4 ГГц) и длительности записи (до 400 мкс) при максимальной частоте дискретизации, что обеспечивает эксплуатацию прибора в четырех основных режимах:
—режим частотного уплотнения позволяет регистрировать два независимых профиля скорости с амплитудным значением до 1.5 км/с, этот режим удобен в экспериментах с пушкой [1] аналогичного диапазона скоростей;
— режим временного уплотнения, в котором регистрируются два независимых профиля скорости с максимальным значением до 3.1 км/с, режим опробован при длительности записей по 5 мкс;
—режим частотно-временного уплотнения позволяет регистрировать два независимых профиля скорости с максимальным значением <3 км/с при максимально возможной длительности записи;
— режим расширенного диапазона реализуется при отдельном использовании интерферометри-ческого канала 2 и позволяет регистрировать скорости до 6 км/с.
Уплотнение интерферометрической информации с возможностью последующего восстановления реализуется за счет смещения по времени сигнала в интерферометрическом канале по схеме РПУ, а также за счет смещения по частоте сигнала в канале по схеме РПУ-Р1уо1. Ниже приведены результаты двух экспериментов на легкогазовой пушке [1], демонстрирующие возможности интерферометра в двух режимах: частотно-временного уплотнения и расширенного диапазона.
При снижении частоты дискретизации можно увеличить длительность записи. Режим с длительностью записи от 3 до 25 мс был опробован при измерении разгона снаряда в стволе пушки [1].
Предварительная обработка интерферометри-ческой информации и получение спектрограмм осуществлялись методом скользящего преобразования Фурье [11]. Временные профили скорости поверхности образца №г(1) получены на основе преобразования Гильберта измеренного сигнала.
На рис. 2а приведена характерная спектрограмма ударно-волнового эксперимента на одноступенчатой пушке [1], демонстрирующая возможности режима частотно-временного уплотнения.
ИНТЕРФЕРОМЕТР С ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННЫМ УПЛОТНЕНИЕМ
109
(а)
2
Время, мкс
г 2
Время, мкс
Рис. 2. Спектрограммы сигналов в режимах частотно-временного уплотнения (а) и расширенного диапазона (б).
В эксперименте измерялись профили скорости свободной поверхности образца из стали 30ХГСА в двух точках свободной поверхности. Точки зондирования располагались симметрично относительно центра образца и отстояли друг от друга на расстоянии 3 мм. На спектрограмме хорошо выделяются две кривые, представляющие собой временные профили частот сигналов биений, зарегистрированных одним каналом осциллографа. Нижняя кривая представляет собой интерферо-метрические данные первого канала со смещением по времени на величину ~0.5 мкс (линия задержки длиной ~100 м). Верхняя кривая — это ин-терферометрические данные второго канала с начальным смещением (/2 — /0) = 470 МГц, заданным отстройкой зондирующего и опорного лазеров.
Кривая 1 на рис. 3 представляет собой совпавшие между собой профили скорости поверхности образца в двух точках, соответствующие спектрограмме на рис. 2а. Таким образом, описываемый прибор успешно функционирует в режиме частотно-временного уплотнения и позволяет измерять два независимых интерферометрических сигнала с использованием единственного канала регистрации. Отметим, что режимы частотного и временного уплотнения являются частным случаем рассмотренного режима и могут использоваться для регистрации уменьшенных скоростей (до 1.5 км/с) и длин записи (до 200 мкс) соответственно. Режим же частотно-временного уплотнения позволяет сохранить практически полные диапазоны скоростей и длин записи для профилей скорости специального вида, характерных для ударно-волновых экспериментов.
Возможности режима расширенного диапазона измеряемых скоростей демонстрирует эксперимент, в котором использовался осциллограф с
полосой пропускания 500 МГц. В эк
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.