CN102788613A

CN102788613A - 实船水下爆炸强冲击环境的分频段测量方法与装置

Info

Publication number: CN102788613A
Application number: CN2012102647873A
Authority: CN
Inventors: 刘建湖; 何斌; 潘建强
Original assignee: 702th Research Institute of CSIC
Current assignee: 702th Research Institute of CSIC
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2012-11-21

Abstract

本发明公开了一种实船水下爆炸强冲击环境的分频段测量方法，对于20Hz以上的高频段，采用加装滤波器的加速度传感器测量并获得冲击谱基础曲线；对于5Hz至20Hz之间的中频段，采用电测簧片仪进行测量；对于小于5Hz的低频段，采用低频振子进行测量；并利用所获得的中频段与低频段校正数值点对冲击谱基础曲线进行修正，最终获得冲击谱修正曲线。本发明可以应用于水面舰船和潜艇的实船爆炸试验测量，同时也可应用于实验室模型的水下爆炸试验冲击环境测量，通过该校正方法可以准确可靠的获得舰船系统、设备和人员的冲击环境数据、安全半径和破坏半径，并为制订、补充和修改舰艇抗冲击设计、考核、试验有关的军用标准提供可靠的试验依据。

Description

实船水下爆炸强冲击环境的分频段测量方法与装置

技术领域

本发明涉及船舶测量技术领域，尤其是一种实船水下爆炸强冲击环境的分频段测量方法与装置。

背景技术

船舶设备的冲击环境是水下非接触实船爆炸试验最重要的测量内容，它是指舰船各系统和设备在水下爆炸冲击条件下的力学环境，是舰船各系统和设备抗冲击设计的冲击输入，同时也是舰船设备抗冲击的主要技术指标，通常用冲击谱来描述。我国非常缺乏准确的由实船水下爆炸试验实测的冲击环境数据，因此，冲击环境测量数据的可靠和完整是整个试验最重要的目标。

现有测量设备的冲击环境均采用压电式加速度传感器来测量，用加速度测量的目的是得到测量部位的运动参数。如果在设备安装基础上测量得到准确的冲击加速度，可以通过杜哈曼积分得到表征设备冲击环境的冲击谱。虽然加速度测量是国内比较成熟的测量技术，但是由于加速度计在强冲击条件下测量时存在“零漂”现象和其它技术问题，要用测量到的冲击加速度计算出合理的冲击谱存在很大的困难，通常测量冲击谱在中低频段比实际情况大得多，虽然国内外采用不同的数据处理修正方法对其进行校正、不同的测量手段（如测量速度）进行测量，但还不能较准确的得出其冲击环境。

由于加速度计的“零漂”现象，使得积分得到的速度和位移数据并不准确，直接影响冲击谱中低频段的谱值，目前国内外通过测量速度参数进行一次积分来减小位移误差，我国在“八五”和“九五”期间，曾研制过速度传感器，但是其体积庞大，重量达24kg，安装困难，且测量精度不高。俄罗斯在研究舰船冲击特性时，研制了用于冲击测试的冲击速度传感器直接测量速度，通过冲击速度的一次积分可以得到位移，大大降低了测量噪声引起的误差,但该类传感器往往会由于无法承受侧向载荷的作用而极易损坏，并导致数据丢失,同时不易安装也是该类传感器的弊病之一。因此无论采用速度传感器还是加速度传感器，在强冲击条件下得到的测量数据都很难进行校正。

冲击环境测量的难点在于宽频、大量程精确测量。以前主要采用压电加速度测量系统和机械式簧片仪测量冲击谱，然而由于压电加速度计存在“零漂”，无法准确测量实船试验条件下频率低于50Hz的冲击谱，而机械式簧片仪记录冲击谱的不确定度又比较大，测量精度很难评定，也无法测量频率低于10Hz的冲击谱，并且每次试验都要及时判读，试验效率不高。目前舰船上大量使用减振器和缓冲器来实现隐身和冲击隔离的目标，因此频率低于10Hz的冲击环境对这些设备是最重要的，需要准确的测量数据。通过对国内外现状分析，目前准确测量设备的冲击环境也是国际上公认的难题。综上所述，目前冲击环境测量手段显然不能适应实船水下爆炸试验的测量要求，必须开发新的测量校正方法。

发明内容

本申请人针对上述现有实船水下爆炸试验中，测量的冲击谱尤其在中低频段误差大的缺点，提供一种实船水下爆炸强冲击环境的分频段测量方法与装置，从而可靠地进行测量，获得准确的冲击谱。

本发明所采用的技术方案如下：

一种实船水下爆炸强冲击环境的分频段测量方法，采用不同类型的传感器进行分频段测量：对于20Hz以上的高频段，采用加装滤波器的加速度传感器测量并获得冲击谱基础曲线；对于5Hz至20Hz之间的中频段，采用簧片式应变传感器与电测簧片仪进行测量，利用所获得的中频段校正数值点对冲击谱基础曲线的中频段进行修正；对于小于5Hz的低频段，采用低频振子进行测量，并利用所获得的低频段校正数值点对冲击谱基础曲线的低频段进行修正；最终获得冲击谱修正曲线。

一种使用上述方法进行的实船水下爆炸强冲击环境的分频段测量装置，包括加装机械式滤波器的压电式加速度传感器、电测簧片仪与安装光测位移传感器的低频振子。

作为上述技术方案的进一步改进：压电式加速度传感器的上下端通过叠放的钢片、弹性体相抵在上盖与安装座之间，上盖与安装座之间，采用安装螺栓连接，安装螺栓上设置限位结构，选取合适的弹性体的硬度来调节滤波频率；通过安装座固定在基础的测量点上。

在基础测量点上固定有悬臂梁，悬臂梁上设置有应变片，应变片的输出端接入簧片仪的桥盒，通过串联设置的滤波器、放大器输入采集器，采集器通过电源/控制器集中供电并连接至计算机，每一台簧片仪设置有若干个悬臂梁，通过设置不同的悬臂梁的长度来调节不同的频率，通过不同频率的簧片响应得到其谱值。

所述低频振子的直管套筒的两端利用上端盖与下端盖进行封闭，质块通过顶部的弹簧悬吊在上端盖上，质块底部设置有光测位移传感器，质块的外周设置有滑轮与套筒的内壁相接触，套筒通过下端盖与安装基础相连。

本发明的有益效果如下：

本发明通过分频段强冲击环境测量装置对不同频段（低频、中频和高频）各频率点的冲击环境测量结果进行校正，提供数据处理修正方法的依据，给出可靠的设备安装基础冲击环境数据。该方法可以应用于水面舰船和潜艇的实船爆炸试验测量，同时也可应用于实验室模型的水下爆炸试验冲击环境测量，通过该校正方法可以准确可靠的获得舰船系统、设备和人员的冲击环境数据、安全半径和破坏半径，并为制订、补充和修改舰艇抗冲击设计、考核、试验有关的军用标准提供可靠的试验依据。从2007年的实船爆炸试验效果来看，该校正方法在测量冲击环境方面起到了重要的作用。图7为采用原有测量装置与采用本发明的测量校正方法得到的冲击谱比较。从图中可以看出，原有测量得到的冲击谱在20Hz以下的谱值产生明显漂移，和准确值差异1个量级以上，而通过本发明的校正方法在20Hz以下具有较好的精度，目前对于舰船上的弹性设备，其安装频率大多集中在20Hz以下，因此本发明获得的在20Hz以下频段的准确冲击谱值具有显著的意义和突出的贡献。

附图说明

图1为本发明在高频段测试的加速度传感器滤波器的结构图。

图2为本发明在中频段测试的电测簧片仪测量系统示意图。

图3为整船的测量系统示意图。

图4为本发明在中频段测试的低频振子结构图。

图5为利用电测簧片仪测量数值修正中频段的冲击谱曲线。

图6为利用低频振子测量数值修正低频段的冲击谱曲线。

图7为原有测量方式获得的冲击谱与本发明修正过的冲击谱的对照图。

图中：1、冲击谱基础曲线；2、中频段校正数值点；3、低频段校正数值点；4、冲击谱修正曲线；11、上盖；12、弹性体；13、钢片；14、加速度传感器；15、安装螺栓；16、安装座；21、悬臂梁；22、应变片；23、桥盒；24、滤波器；25、放大器；26、采集器；27、电源/控制器；28、计算机；31、上端盖；32、弹簧；33、滑轮；34、质块；35、光测位移传感器；36、套筒；37、下端盖。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

本发明的实船水下爆炸强冲击环境分频段测量方法根据不同类型传感器的特点，进行分频段测量，对于高频段（>20Hz），采用加装机械式滤波器的压电式加速度传感器来测量，并且获得冲击谱基础曲线1；对于中频段（5Hz～20Hz），采用簧片式应变传感器与电测簧片仪系统进行测量，利用所获得的测量值对冲击谱基础曲线1的中频段进行修正；对于低频段（<5Hz），采用安装光测位移传感器的低频振子进行测量，并利用所获得的测量值对冲击谱基础曲线1的低频段进行修正；最终修正后的曲线即为本发明所获得的冲击谱曲线。

本发明采用高频段测量获得的冲击谱作为基础曲线。对于高频段的测量，本发明采用压电式加速度传感器来测量，为了尽量减小“零漂”和提高测量系统的精度，本发明对加速度传感器加装了机械式滤波器。如图1所示，加速度传感器14的上下端通过叠放的钢片13、弹性体12相抵在上盖11与安装座16之间，上盖11与安装座16之间，采用安装螺栓15连接，安装螺栓15上设置限位结构，当螺栓拧到限位时，滤波器安装到位。弹性体12采用橡胶进行硫化，选取合适的橡胶硬度来调节滤波频率，滤波频率根据需要来确定。最后将上述的整体结构通过安装座16上的螺纹固定在基础的测量点上。由弹性体12、上盖11、安装座16与安装螺栓15组成的滤波器结构相当于一个具有较低横向刚度的弹性元件，既具有适当的垂向刚度，同时也有较小的横向刚度，减小其横向效应，以尽量减小传感器承受的非测量方向的冲击，减小压电式加速度传感器14所固有的横向效应。实际测量时，对所测得的加速度数据进行处理，可以获得如图5所示的横坐标为频率对数值、纵坐标为速度值的冲击谱基础曲线1，其中冲击谱基础曲线1中频率大于20Hz的高频段，其冲击谱数值是正确的。

对于中频段的冲击谱曲线修正点，本发明采用簧片式应变传感器与电测簧片仪系统来测量，如图2所示，在基础测量点上固定有悬臂梁21，悬臂梁21上设置有应变片22，应变片22的输出端接入簧片仪的桥盒23，通过串联设置的滤波器24、放大器25输入采集器26，每一台簧片仪都具有十二个悬臂梁21，通过设置不同的悬臂梁21的长度来调节不同的频率，通过不同频率的簧片响应得到其谱值。上述结构是对单个测量点处进行的测量。而对于整船来说，在实船爆炸试验过程中，需要在船体的各个部位布置数十台簧片仪，每台簧片仪都具有十二个悬臂梁21，因此整个采集系统的通道数达到数百通道。目前的测量系统无法满足这类的测试要求，需要重新设计测量系统。如图3所示，本发明的测量系统将十二通道采集器26布置在簧片仪附近，管理1～2台簧片仪的前端滤波、放大、采集功能，每台采集器26的采集精度为16位，最高瞬态采样速率为10kHz，滤波频率可以用软件调整，最大频宽(-3dB±1dB): 1Hz～1kHz，存贮深度每通道128k数据点。整个测量系统为星型结构，即每个采集器26采用特殊通讯线与控制器连接，通讯线长度为100米；每台电源/控制器27最多可控制二十台采集器26，所有采集器26由电源/控制器27集中供电。系统连接好后，计算机28利用软件通过1394口将参数发送给控制器，然后由控制器转发给相应的采集器26。软件可对每个通道进行满度值、模拟滤波器截止频率、采样速率、延迟深度、采样深度、触发方式、触发电平、软件滤波器截止频率参数设置，采集器26将接收的参数信息保存在EEPROM中。

本发明通过采用电测手段来代替原有靠人工判读的方法，不仅大大提高了试验效率，而且测量精度大幅度增加，减小了原有人工判读的误差。使用电测簧片仪之前，首先对电测簧片仪在振动台、落锤冲击机上进行标定，得出簧片在不同挠度下的应变值作为标定值。试验时直接测量簧片的应变，通过标定值得到设备安装基础在不同频率点的谱值。图5为中的若干中频段校正数值点2为簧片仪测量结果数值，根据这些离散点值可以对冲击谱基础曲线1的中频段进行较好的修正，修正后误差控制在10%以内。

对于低频段的冲击谱曲线修正点，本发明采用安装光测位移传感器的低频振子进行测量。这是由于低频段谱值比较大，簧片仪虽然可设计成小于5Hz，但变形空间大，要求安装空间大，且质量大比较笨重。因此5Hz以下采用低频振子，以位移作为测量手段，采用光测方法。如图4所示，本发明所采用的低频振子的直管套筒36的两端采用紧固件锁紧上端盖31与下端盖37进行封闭，质块34通过顶部的弹簧32悬吊在上端盖31上，质块34底部设置有光测位移传感器35，质块34的外周设置有滑轮33与套筒36的内壁相接触，实现限位并减少滑动时的摩擦力，从而获得更精确的测量值。套筒36通过下端盖37与安装基础相连。实际测量时，弹簧32和质块34组成的频率在5Hz以下的低频振子，当冲击载荷作用在垂直于套筒36轴线方向时，低频振子产生冲击响应，质块34在套筒36内通过滑轮33进行直线往复的衰减运动，通过光测位移传感器35测量质块34与下端盖37之间的距离变化，通过计算获得该频率下的谱值。图6中的低频段校正数值点3为1.7Hz低频振子测量结果，根据该点测量结果可以将冲击谱曲线进行较好的修正，修正后误差控制在10%以内。

上述采用中频段校正数值点2与低频段校正数值点3对冲击谱基础曲线1进行校正，采用零线、指数校正等方法进行，为水下爆炸测量领域内常用的数值处理方法，最终获得如图7所示的冲击谱修正曲线4。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims

1.一种实船水下爆炸强冲击环境的分频段测量方法，其特征在于采用不同类型的传感器进行分频段测量：

---对于20Hz以上的高频段，采用加装滤波器的加速度传感器测量并获得冲击谱基础曲线（1）；

---对于5Hz至20Hz之间的中频段，采用簧片式应变传感器与电测簧片仪进行测量，利用所获得的中频段校正数值点（2）对冲击谱基础曲线（1）的中频段进行修正；

---对于小于5Hz的低频段，采用低频振子进行测量，并利用所获得的低频段校正数值点（3）对冲击谱基础曲线（1）的低频段进行修正；

---最终获得冲击谱修正曲线（4）。

2.一种使用如权利要求1所述方法进行的实船水下爆炸强冲击环境的分频段测量装置，其特征在于：包括加装机械式滤波器的压电式加速度传感器、电测簧片仪与安装光测位移传感器的低频振子。

3.按照如权利要求2所述的实船水下爆炸强冲击环境的分频段测量装置，其特征在于：压电式加速度传感器（14）的上下端通过叠放的钢片（13）、弹性体（12）相抵在上盖（11）与安装座（16）之间，上盖（11）与安装座（16）之间，采用安装螺栓（15）连接，安装螺栓（15）上设置限位结构，选取合适的弹性体（12）的硬度来调节滤波频率；通过安装座（16）固定在基础的测量点上。

4.按照如权利要求2所述的实船水下爆炸强冲击环境的分频段测量装置，其特征在于：在基础测量点上固定有悬臂梁（21），悬臂梁（21）上设置有应变片（22），应变片（22）的输出端接入簧片仪的桥盒（23），通过串联设置的滤波器（24）、放大器（25）输入采集器（26），采集器（26）通过电源/控制器（27）集中供电并连接至计算机（28），每一台簧片仪设置有若干个悬臂梁（21），通过设置不同的悬臂梁（21）的长度来调节不同的频率，通过不同频率的簧片响应得到其谱值。

5.按照如权利要求2所述的实船水下爆炸强冲击环境的分频段测量装置，其特征在于：所述低频振子的直管套筒（36）的两端利用上端盖（31）与下端盖（37）进行封闭，质块（34）通过顶部的弹簧（32）悬吊在上端盖（31）上，质块（34）底部设置有光测位移传感器（35），质块（34）的外周设置有滑轮（33）与套筒（36）的内壁相接触，套筒（36）通过下端盖（37）与安装基础相连。