CN102735398B - 基于Hopkinson杆的质量块冲量校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Hopkinson杆的质量块冲量校准装置，包括撞击杆、Hopkinson杆、电阻应变片组和应变仪，Hopkinson杆的自由端面与待校准冲量传感器质量块的敏感面紧密贴合，其撞击面与撞击杆相对；电阻应变片组包括至少一个电阻应变片，也可以采用两个电阻应变片，其对称分布在Hopkinson杆的两侧，且应变片的长度方向与应力波传入方向相同。本发明提供一种基于Hopkinson杆的质量块冲量校准装置及方法，具有精度高、数据处理方便、冲击载荷容易调整、容易操作等优点。

Description

基于Hopkinson杆的质量块冲量校准方法

技术领域

本发明涉及一种冲量校准方法，尤其涉及一种在脉冲冲击载荷下质量块冲量测试的校准方法。

背景技术

冲量测试技术在爆炸冲击、超高速碰撞、X射线辐射强度实验等领域有着广泛的应用。将待测试冲量转换为特定质量块的动量，转而测试该质量块的动量完成冲量测试的方法是一种常见的应用于短时间（ns～ms量级）、高压力（MPa～GPa量级）环境中的测试方法，其典型代表为冲击摆、水平或者垂直导轨方法等。

为确保实验数据准确可靠，一般要对所用测试装置进行标定校准，但针对以上冲量测试方法的校准实验方法很少，一般均通过理论推导计算而无实验验证，导致冲量测试结果的可信度降低。

Hopkinson杆（霍普金森杆）源于1914年B.Hopkinson测试压力脉冲的试验，主要用于测定和研究炸药爆炸或撞击杆射击杆端时的压力—时间关系，其测试系统被称为HPB（Hopkinson Pressure Bar）。其主要结构为一圆柱形弹性金属杆，用来传导应力波，一般与飞片一起应用，测试压力—时间关系。

发明内容

本发明提出了一种基于Hopkinson杆的质量块冲量校准方法，该方法适用对象为水平导轨式、冲击摆等带有特定质量块的冲量传感器，具有精度高、数据处理方便、冲击载荷容易调整、容易操作等优点。

本发明的技术解决方案是：

一种基于Hopkinson杆的质量块冲量校准装置，其特殊之处在于：包括撞击杆、Hopkinson杆、电阻应变片组和应变仪；所述Hopkinson杆的自由端面与待校准冲量传感器质量块的敏感面紧密贴合，其撞击面与撞击杆相对；所述电阻应变片组包括至少一个电阻应变片，所述电阻应变片固定在Hopkinson杆的中间部位；所述应变仪通过电阻应变片敏感Hopkinson杆中应力波的强度。

上述电阻应变片组包括两个电阻应变片，其对称分布在Hopkinson杆的两侧，且应变片的长度方向与应力波传入方向相同。

上述电阻应变片组包括可构成全桥方式的四个电阻应变片，该四个电阻应变片分成两组对称分布在Hopkinson杆的两侧，每组有一个应变片的长度方向与应力波传入方向相同，另外一个电阻应变片的长度方向与应力波传入方向垂直。

上述撞击杆长度是应力波的脉冲宽度的二分之一；待校准冲量传感器质量的直径或者几何边长D₁与Hopkinson杆的直径D₂应满足以下公式：

2D₂≥D₁≥D₂/2。

上述质量块敏感面的面积和Hopkinson杆自由端面的面积相匹配。

上述撞击杆的撞击端为尖端结构，该尖端的旋转体母线为弧线。

上述待校准冲量传感器质量块的敏感面与Hopkinson杆的自由端面间设置有凡士林或者机油。

一种基于Hopkinson杆的质量块冲量校准方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1）将待校准冲量传感器质量块的敏感面与Hopkinson杆的自由端面紧密贴合；

2）在Hopkinson杆的中间部位粘贴电阻应变片，使电阻应变片与应变仪组成电阻应变式传感器；

3）用撞击杆与Hopkinson杆碰撞产生Hopkinson杆中传播的入射应力波；

4）用电阻应变式传感器测试碰撞前后Hopkinson杆中的应力波大小，获得应力波的强度——时间曲线，进而获得应力波的应力—时间曲线；

5）对应力进行时间积分，获得碰撞前后Hopkinson杆的动量大小；

6）通过待校准冲量传感器获得质量块的动量，根据碰撞前后Hopkinson杆动量的数值差与冲量传感器测得的冲量值的差值，完成冲量传感器的校准。

上述应变片选择全桥方式，且四个应变片分两组在Hopkinson杆的圆柱面上对称分布，各组的两个应变片之间相互垂直，其中非敏感方向的应变片用来进行温度补偿。

上述撞击杆的撞击端为尖端结构，该尖端的旋转体母线为弧线。

本发明的优点：

1）本发明利用Hopkinson杆提供脉冲冲击载荷，同时利用Hopkinson杆来量化所提供的冲量大小，对冲量传感器进行校准。

2）本发明中由Hopkinson杆提供的脉冲冲击载荷具有时间短、强度高的优点，接近爆炸冲击、超高速碰撞等冲量传感器所应用的环境，而且该冲击载荷的强度和脉冲宽度可以通过改变撞击杆的撞击速度和长度来进行调整。

3）本发明采用波形整形技术，使得入射波呈类似半正弦形状，减小由弥散效应所带来的实验误差。

4）本发明在校准冲量传感器的同时，可以得出冲量传感器的响应时间。

附图说明

图1是冲量校准方法系统示意图。

图2是在某次冲量校准实验中，示波器所采集到的信号波形。

图3是处理后入射波、反射波以及其差值的强度—时间曲线。

附图标记：1-撞击杆，2-Hopkinson杆，3-电阻应变片，4-凡士林，5-待校准冲量传感器的质量块，6-应变仪。

具体实施方式

本发明的具体实施方式：

一种基于Hopkinson杆的质量块冲量校准装置，包括撞击杆1、Hopkinson杆2、电阻应变片组和应变仪6；Hopkinson杆2的自由端面与待校准冲量传感器质量块的敏感面紧密贴合，其撞击面与撞击杆1相对；电阻应变片组包括至少一个电阻应变片3，也可以采用两个电阻应变片3，对称分布在Hopkinson杆2的两侧，且应变片的长度方向与应力波传入方向相同；最好采用可构成全桥方式的四个电阻应变片3，该四个电阻应变片3分成两组对称分布在Hopkinson杆2的两侧，每组有一个应变片的长度方向与应力波传入方向相同，另外一个电阻应变片3的长度方向与应力波传入方向垂直。电阻应变片固定在Hopkinson杆2的中间部位；应变仪6通过电阻应变片敏感Hopkinson杆2中应力波的强度。

撞击杆长度是应力波的脉冲宽度的二分之一；待校准冲量传感器质量的直径或者几何边长D₁与Hopkinson杆的直径D₂应满足以下公式：

2D₂≥D₁≥D₂/2。

撞击杆1的撞击端最好为尖端结构，该尖端的旋转体母线为弧线。

本发明实验过程：

1）针对待校准冲量传感器的技术参数选择或者设计Hopkinson杆。冲量传感器质量的直径（或者几何边长）D₁，与Hopkinson杆的直径D₂，应满足：2D₂≥D₁≥D₂/2；冲量传感器的待校准量程包含在Hopkinson杆可以提供的冲量范围内。Hopkinson杆提供冲量的最小值：在应变测试系统可以精确测试到应变的情况下，用最短的撞击杆1在最小发射速度下，Hopkinson杆中所产生的入射应力波对应的动量。相应的，在Hopkinson杆不发生塑性变形的情况下，用最长的撞击杆在最大发射速度下，Hopkinson杆中所产生入射应力波对应的动量为Hopkinson杆可以提供冲量的最大值；

当Hopkinson杆可以提供冲量的最大值与待校准冲量量程的最大值接近时，应尽量提高Hopkinson杆中的动量耦合进入冲量传感器质量块的效率。根据应力波的基础知识可知，Hopkinson杆的横截面面积A₁、应力波波速_C1、密度ρ₁，以及冲量传感器质量块的敏感面面积A₂、波速C₂、密度ρ₂满足下式1时，耦合效率最高。此时，如果满足质量块长度等于或者大于应力波长度的一半时，应力波的动量将全部传入质量块中，即测试中无反射应力波。

A₁C₁ρ₁=A₂C₂ρ₂             （1）

该公式是一维应力波在不同介质中传播而不发生反射的前提条件。表明了，当满足该情况时，图2中的反射波有可能为0。

2）调整Hopkinson杆的支撑底座，使得撞击杆、Hopkinson杆和质量块同轴。只有在同轴条件下，通过电阻应变片测得的应变才能表征应力波的应力；同时只有在同轴状态下，Hopkinson杆和质量块才能看做一维质量系，这也是本方法的应用前提。

3）电阻应变片的粘贴位置应该在Hopkinson杆的中间段，和粘贴在其他位置相比，测试到的应变值更能表征应力波的强度。

4）冲量传感器和应变测试的信号可以利用示波器或者采集卡进行采集，在采集时应确保两种信号的时间相关性，以便于得出待校准冲量传感器的响应时间。由应变测试信号可以得出入射应力波的到达应变片粘贴位置的时间，且应力波从应变片粘贴位置传播到Hopkinson杆与质量块粘贴面的时间可以计算得出，则可以得出应力波到达冲量传感器的时间，加之冲量传感器的信号，可以得出冲量传感器的响应时间。

5）对入射应力波和反射应力波的强度曲线进行时间积分前，应完成相关信号的预处理。预处理包括：1）对入射应力波和反射应力波的强度—时间曲线进行滤波、基线调平等前期处理。2）对反射应力波进行反向处理，且与入射应力波进行对正。

实验中具体要求如下：

1）将待校准冲量传感器质量块的敏感面与Hopkinson杆的自由端面（与撞击杆撞击面相对的面）紧密贴合，必要时，可以在贴合面加适量的凡士林4（或者机油等，使得应力波通过贴合面时不受到较大影响）。质量块敏感面的面积和Hopkinson杆自由端面的面积应相差不多，有利于Hopkinson杆中的应力波传入质量块。

2）在Hopkinson杆的中间部位粘贴电阻应变片，配合电阻桥盒、应变仪6和示波器等，组成电阻应变式传感器，用于测试在Hopkinson杆中转播的应力波强度——时间曲线。应变片的粘贴方式最好选择全桥方式，且四个应变片分两组在Hopkinson杆的圆柱面上对称分布，各组的两个应变片之间相互垂直，其中非敏感方向的应变片主要用来进行温度补偿。应变片的选择和应变仪6的设置等应根据所测Hopkinson杆中应力波的强度进行相应的调整，有利于得到合理的信号。

3）Hopkinson杆中传播的入射应力波可以利用撞击杆与Hopkinson杆碰撞产生。撞击杆的速度和长度与所产生应力波的强度和脉冲宽度有关。根据应力波的基础知识可知，在Hopkinson杆弹性范围内，撞击杆速度越快，则产生应力波的强度越高，应力波的脉冲宽度是撞击杆长度的2倍。实验时，可以根据冲量传感器的量程、应用环境等因素调整撞击杆的速度和长度，满足校准要求。

4）不同材料的屈服强度、密度等力学性能都不尽相同，而这些因素与Hopkinson杆中所能耐受的最大应力强度有关，实验前，应考虑到所选用Hopkinson杆的材料是否满足校准实验的要求。

5）应力波在Hopkinson杆中传播必然存在弥散效应，应尽量减小弥散效应带来的误差对校准实验的影响，特别当入射应力波耦合进入待校准冲量传感器的动量较小时，实验误差表现得尤为重要，它决定着校准实验的精度和成败。波的弥散：不同频率的应力波谐波在Hopkinson杆中传播速度不同而散开的现象。

实施实例：

待校准冲量传感器的质量块5其材料为高强合金钢，直径10mm，长度25mm，质量15.4g。选用Hopkinson杆为钛合金材料，屈服强度1060MPa，杆长2m，直径16mm，撞击杆长50mm。某次实验中，示波器得到信号波形如图2所示，根据入射波和反射波的到达时间-38.6μs和539.0μs，可以得出应力波到达质量块的时间为250.2μs，且知冲量传感器信号的到达时间为276.4μs，则可以得出该冲量传感器的响应时间约为26μs。

由于撞击杆的长度为50mm，质量块的长度为25mm，根据应力波的基础知识可知，质量块与Hopkinson杆的脱离时间在入射波脉宽的中心附近，图3也可以反映这一事实。对入射应力波与反射应力波的差值进行时间积分，该积分值为0.461N.s，由冲量传感器得到的曲线，得出测试到的冲量为0.413kg.m.s-1。理论上该积分值与冲量值相等。多次进行实验，得出该冲量传感器的误差在8%以内，完成校准实验。在本发明中，采用带有为尖端结构的撞击杆，该尖端的旋转体母线为弧线，对入射波具有整形作用，使得入射波呈类似半正弦形状，这样入射波的频带较窄，以此来降低波的弥散效应对校准实验的影响。

本发明的原理：

将Hopkinson杆和待校准冲量传感器的质量块5看作一维质量系。在Hopkinson杆和质量块碰撞前后，该一维质量系的动量守恒。碰撞前：应力波在Hopkinson杆中传播，且未到达Hopkinson杆与质量块的贴合面；碰撞后：反射应力波在Hopkinson杆中传播，质量块飞离Hopkinson杆。

碰撞前后Hopkinson杆中的应力波大小可以通过电阻应变式传感器测试，可以获取应力波的强度—时间曲线，进而可以获得应力波的应力—时间曲线。对应力进行时间积分，可以获得动量，即获得碰撞前后Hopkinson杆的动量大小。质量块的动量可以通过待校准冲量传感器获得。根据动量守恒定理，可知碰撞前后Hopkinson杆动量的数值差与冲量传感器测得的冲量相等，完成冲量传感器的校准。

Claims (3)

1.一种基于Hopkinson杆的质量块冲量校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）将待校准冲量传感器质量块的敏感面与Hopkinson杆的自由端面紧密贴合；

2）在Hopkinson杆的中间部位粘贴电阻应变片，使电阻应变片与应变仪组成电阻应变式传感器；

3）用撞击杆与Hopkinson杆碰撞产生Hopkinson杆中传播的入射应力波；

4）用电阻应变式传感器测试碰撞前后Hopkinson杆中的应力波大小，获得应力波的强度——时间曲线，进而获得应力波的应力—时间曲线；

5）对应力进行时间积分，获得碰撞前后Hopkinson杆的动量大小；

6）通过待校准冲量传感器获得质量块的动量，根据碰撞前后Hopkinson杆动量的数值差与冲量传感器测得的冲量值的差值，完成冲量传感器的校准。

2.根据权利要求1所述基于Hopkinson杆的质量块冲量校准方法，其特征在于：所述应变片选择全桥方式，且四个应变片分两组在Hopkinson杆的圆柱面上对称分布，各组的两个应变片之间相互垂直，其中非敏感方向的应变片用来进行温度补偿。

3.根据权利要求1或2所述基于Hopkinson杆的质量块冲量校准方法，其特征在于：所述撞击杆的撞击端为尖端结构，该尖端的旋转体母线为弧线。

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