CN103674083A - 高速粒子撞击测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速粒子撞击测试系统，该系统由撞击信息传感器和信息采集与处理设备组成，其中撞击信息传感器包括光纤传感器网格和光发射与探测装置，光纤传感器网格由多根传感光纤按经纬交错方式绕覆于靶目标正反两面，每根传感光纤在靶目标表面形成回路，光发射与探测装置与信息采集与处理设备连接，光发射与探测装置包括光源、光分路器和n个光电探测器，通过检测传感光纤的通断状态信息及时响应撞击损伤信息，具有实时性和准确性，本发明能够实时响应撞击损伤信息，解决靶目标遭受撞击的瞬间测量数据不足问题，具有成本低和安全性高的优点。

Description

高速粒子撞击测试系统

技术领域

本发明涉及高速粒子撞击测试系统，属于撞击损伤探测技术领域。

背景技术

目前撞击信息测量多应用于空间碎片撞击在轨感知领域，进行撞击位置测量及毁伤效果评估，较为成熟的技术措施如①电磁波发射技术、②声发射技术、③电阻薄膜检测技术、④聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜技术、⑤电容传感检测技术等，均基于电类传感器搭建撞击信息采集系统。由于电类传感器响应频率相对较低，且在高速撞击过程中会产生强烈的电磁干扰，极易导致电类传感器失效。因此，采用电类传感器用于撞击信息测量存在一定的局限性。

为了解决上述电类传感器在撞击损伤探测领域的应用难题，大量研究人员开始寻求更加适合的新型传感器，其中光纤类传感器具有体积小、质量轻、强度高、弯曲性好、柔韧性好、不受电磁波干扰、不需外加电源、耐腐蚀、成本低等优点，且可方便的布设在靶目标表面上构成监控网络，受到很多研究人员的青睐。已有研究人员将其应用于飞行器撞击损伤探测系统。如专利CN101776441A公开了一种实时在线的空间飞行器(空间站)壳体受撞击度与撞击定位测量系统，该系统基于分布式光纤传感器测量应力应变技术和空间飞行器壳体受撞击度与撞击定位技术，主要解决了如空间碎片撞击空间站等非毁灭性撞击的损伤探测，但由于其采用的光纤布拉格传感器系统具有响应速度相对较慢的特点，难以适应毁灭性撞击时的靶目标损伤探测需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供高速粒子撞击测试系统，该系统能够实现对不同直径，不同撞击速度，不同撞击角度粒子的实时监测，获得对靶目标的撞击角度和撞击位置信息，为后续撞击过程的动态分析提供依据。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

高速粒子撞击测试系统，包括撞击信息传感器和信息采集与处理设备，其中撞击信息传感器包括光纤传感器网格和光发射与探测装置，其中光纤传感器网格由n根传感光纤通过经纬交错方式固定于靶目标表面形成，每根传感光纤在靶目标表面形成回路；光发射与探测装置与信息采集与处理设备连接；光发射与探测装置包括光源、光分路器和n个光电探测器，其中光源与光分路器连接，光分路器的n个端口分别与n根传感光纤连接，n根传感光纤分别与n个光电探测器连接，光源产生光信号通过光分路器入射到每根传感光纤中，光电探测器接收每根传感光纤的光信号，转换为电压信号，当传感光纤未受损伤时，对应的光电探测器向信息采集与处理设备输出高电平，当传感光纤受损伤时，对应的光电探测器向信息采集与处理设备输出低电平；信息采集与处理设备接收所述高电平信息与低电平信息，根据传感光纤的损伤情况，获得在靶目标上的撞击位置信息和撞击角度信息，其中n为正整数，且n≥1。

在上述高速粒子撞击测试系统中，光纤传感器网格还包括m根传感光纤，传感光纤上布设有光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器，其中光纤光栅温度传感器用于测量与靶目标撞击过程中的温度，光纤光栅应变传感器用于测量与靶目标撞击过程中的应力应变，m根传感光纤与外部光纤光栅传感器解调仪连接，该温度和应力应变信息通过m根传感光纤输出给外部光纤光栅传感器解调仪，其中m为正整数，且m≥1。

在上述高速粒子撞击测试系统中，每根传感光纤上设置多个测试点，每个测试点上布置2个光纤光栅应变传感器和1个光纤光栅温度传感器。

在上述高速粒子撞击测试系统中，光纤光栅温度传感器在布设时选用粘接胶粘贴在传感光纤的测试点，并用隔热材料覆盖，保证仅敏感待测结构的温度变化；所述光纤光栅应变传感器选用粘接胶粘贴在传感光纤的测试点，并用保护层进行覆盖，做进一步保护。

在上述高速粒子撞击测试系统中，传感光纤选择波长为1310nm或1550nm的光纤。

在上述高速粒子撞击测试系统中，传感光纤选择波长为1310nm或1550nm的光纤。

在上述高速粒子撞击测试系统中，光电探测器为静电敏感器件，采用PIN-FET光电探测器。

在上述高速粒子撞击测试系统中，靶目标在正反面同时布设传感光纤。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）、本发明采用创新设计的高速粒子撞击测试系统，该系统由撞击信息传感器和信息采集与处理设备组成，其中撞击信息传感器包括光纤传感器网格和光发射与探测装置，其中光纤传感器网格由多根传感光纤按经纬交错方式绕覆于靶目标正反两面，通过检测传感光纤的通断状态信息及时响应撞击损伤信息，具有实时性和准确性；

（2）、本发明高速粒子撞击测试系统通过在传感光纤上布置光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器，可测出撞击过程中的温度、应力的变化，为后续撞击过程的动态分析提供了准确依据；

（3）、本发明高速粒子撞击测试系统为普通的波长为1310nm或1550nm的光纤，具有抗电磁干扰能力强，在撞击时的强电磁干扰下仍然能可靠地工作并满足在飞行器飞行过程中的高温、振动等恶劣条件下使用的要求；

（4）、本发明高速粒子撞击测试系统的传感器网格中的任意两个交错方向的传感光纤在传感区域内有且只有一个交点，可通过调整传感光纤间距来满足撞击位置精度及损伤效果细化程度要求；

（5）、本发明高速粒子撞击测试系统能够实现对不同直径，不同撞击速度，不同撞击角度粒子的实时监测，获得对靶目标的撞击角度和撞击位置信息，解决靶目标遭受撞击的瞬间测量数据不足问题，为后续撞击过程的动态分析提供依据，此外还具有成本低和安全性高的优点。

附图说明

图1为本发明高速粒子撞击测试系统结构示意图；

图2为本发明光发射与探测装置与传感光纤连接示意图；

图3为本发明光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器在光纤上的布设示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步用详细的描述：

如图1所示为本发明高速粒子撞击测试系统结构示意图，由图可知本发明高速粒子撞击测试系统包括撞击信息传感器1和信息采集与处理设备2，其中撞击信息传感器1包括光纤传感器网格5和光发射与探测装置3。光纤传感器网格5由n根传感光纤6通过经纬交错方式固定于靶目标4表面形成，每根传感光纤6在靶目标4表面形成回路，靶目标4在正反面同时布设传感光纤6。光发射与探测装置3与信息采集与处理设备2连接。

如图2所示为本发明测试系统中光发射与探测装置与传感光纤连接示意图，由图可知光发射与探测装置3包括光源101、光分路器102和n个光电探测器103，其中光源101与光分路器102连接，光分路器102的n个端口分别与n根传感光纤6连接，n根传感光纤6分别与n个光电探测器103连接，光源101产生光信号通过光分路器102入射到每根传感光纤6中，光电探测器103接收每根传感光纤6的光信号，转换为电压信号，当传感光纤6未受损伤时，对应的光电探测器103向信息采集与处理设备2输出高电平，当传感光纤6受到损伤时，对应的光电探测器103向信息采集与处理设备2输出低电平。

信息采集与处理设备2接收上述高电平信息与低电平信息，根据传感光纤6的损伤情况，获得在靶目标4上的撞击位置信息和撞击角度信息，其中如果靶目标4正反面的光纤6损伤位置相同，则高速粒子撞击靶目标4的入射角度垂直于靶目标4，如果靶目标4正反面的光纤6损伤位置不相同，则高速粒子撞击靶目标4的入射角度与靶目标4不垂直。

如图3所示为本发明光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器在光纤上的布设示意图，由图可知光纤传感器网格5还包括m根传感光纤6’,该传感光纤6’上布设有光纤光栅温度传感器1001和光纤光栅应变传感器1002，其中光纤光栅温度传感器1001用于测量与靶目标4撞击过程中的温度，光纤光栅应变传感器1002用于测量与靶目标4撞击过程中的应力应变，m根传感光纤6’与外部光纤光栅传感器解调仪连接,该温度和应力应变信息通过m根传感光纤6’输出给光纤光栅传感器解调仪进行分析。如图3所示，本实施例中每根传感光纤6’上设置多个测试点，每个测试点上布置2个光纤光栅应变传感器1002和1个光纤光栅温度传感器1001。

光栅温度传感器1001在布设时选用导热系数高的粘接胶将其粘贴在测试点，并用隔热材料覆盖，保证其仅敏感待测结构的温度变化。光纤光栅应变传感器1002在布设时选用抗拉强度高、蠕变小、抗湿热性能好的粘接胶将其粘贴在测试点，并用保护层将其覆盖，做进一步保护。

如图3所示，本实施例中在靶目标4的正反两面布设传感光纤6’，将光纤光栅温度传感器1001的温度、光纤光栅应变传感器1002按照4cm间隔进行布设，每个点沿x、y方向布设2个光纤光栅应变传感器1002，布设1个光栅温度传感器1001，采用12根光纤连接到光纤光栅传感器解调仪。12根光纤的两端都可以作为光信号传输通道，每次测量时采用其中一个端口，另一个端口作为备份。

传感光纤6和传感光纤6’均选择波长为1310nm或1550nm的光纤。光电探测器103为静电敏感器件，采用PIN-FET光电探测器。靶目标4可以在正反面同时布设传感光纤6和传感光纤6’。

如图1所示，当靶目标4受到外部撞击后，由最早撞击接触点7开始扩散形成损伤区域8，位于该区域的光纤传感器网格5将会损坏，由于靶板具有一定的厚度，在不同直径大小或速度状态下的粒子撞击情形下，靶板损伤具有两种形式，即表面成坑（未穿孔）和穿孔。可通过在靶板的正面和背面分别布设传感器网格来监测靶板的穿孔状态。例如可在靶目标4正面布设16路传感光纤6，在靶目标4背面布设16路传感光纤6，在高速粒子撞击后监测靶板两个面的光纤传感器网格5状态，若只有正面受损，说明粒子为击穿形成穿孔，若两面均受损，可根据正反面的经纬度信息确定穿孔具体位置，并且可以根据正反面受损位置是否在同一水平线上，计算出粒子撞击过程中的入射角度。

信息采集处理设备2可以直接采用便携式工控机，机箱内集成光发射与探测装置3，外部设计光纤光栅传感器接口，用于更换粒子高速撞击后的试验靶板。

本发明传感光纤6在靶目标4表面的固定方式为：首先，在飞行器壳体表面按照经纬交错绕覆方向上开设沟槽，然后将传感光纤6敷设于沟槽内，每隔3-5cm设置一个粘接点，粘接点宽度小于1cm，利用弹性模量大于200Mpa的环氧树脂胶或无机胶将传感光纤6固定在沟槽内，传感光纤6与沟槽之间的空隙采用弹性模量小于100Mpa的硅橡胶或凝胶进行填充。其中，环氧树脂胶、无机胶、硅橡胶或凝胶添加了填充剂，填充剂的热膨胀系数小于23×10-6/℃，填充剂相对于粘接剂的质量百分比为1%～15%，其作用是减小粘接剂和光纤、靶弹结构材料之间的热膨胀系数不匹配，避免剧烈温度变化过程中光纤应力过大发生损坏；传感光纤6采用聚酰亚胺涂覆，或者碳涂覆，或者金属镀膜保护；当同一通道内两根传感光纤6的一根在撞击前意外损坏，整个系统功能及探测精度均不受影响；当交错通道内各断一根传感光纤6，整个系统功能及探测精度也不受影响，冗余布设将具有更高的可靠性。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.高速粒子撞击测试系统，其特征在于包括：撞击信息传感器（1）和信息采集与处理设备（2），其中撞击信息传感器（1）包括光纤传感器网格（5）和光发射与探测装置（3），其中光纤传感器网格（5）由n根传感光纤（6）通过经纬交错方式固定于靶目标（4）表面形成，每根传感光纤（6）在靶目标（4）表面形成回路；光发射与探测装置（3）与信息采集与处理设备（2）连接；光发射与探测装置（3）包括光源（101）、光分路器（102）和n个光电探测器（103），其中光源（101）与光分路器（102）连接，光分路器（102）的n个端口分别与n根传感光纤（6）连接，n根传感光纤（6）分别与n个光电探测器（103）连接，光源（101）产生光信号通过光分路器（102）入射到每根传感光纤（6）中，光电探测器（103）接收每根传感光纤（6）的光信号，转换为电压信号，当传感光纤（6）未受损伤时，对应的光电探测器（103）向信息采集与处理设备（2）输出高电平，当传感光纤（6）受损伤时，对应的光电探测器（103）向信息采集与处理设备（2）输出低电平；信息采集与处理设备（2）接收所述高电平信息与低电平信息，根据传感光纤（6）的损伤情况，获得在靶目标（4）上的撞击位置信息和撞击角度信息，其中n为正整数，且n≥1。

2.根据权利要求1所述的高速粒子撞击测试系统，其特征在于：所述光纤传感器网格（5）还包括m根传感光纤（6’），所述传感光纤（6’）上布设有光纤光栅温度传感器（1001）和光纤光栅应变传感器（1002），其中光纤光栅温度传感器（1001）用于测量与靶目标（4）撞击过程中的温度，光纤光栅应变传感器（1002）用于测量与靶目标（4）撞击过程中的应力应变，m根传感光纤（6’）与外部光纤光栅传感器解调仪连接,所述温度和应力应变信息通过m根传感光纤（6’）输出给外部光纤光栅传感器解调仪，其中m为正整数，且m≥1。

3.根据权利要求2所述的高速粒子撞击测试系统，其特征在于：所述每根传感光纤（6’）上设置多个测试点，每个测试点上布置2个光纤光栅应变传感器（1002）和1个光纤光栅温度传感器（1001）。

4.根据权利要求3所述的高速粒子撞击测试系统，其特征在于：所述光纤光栅温度传感器（1001）在布设时选用粘接胶粘贴在传感光纤（6’）的测试点，并用隔热材料覆盖，保证仅敏感待测结构的温度变化；所述光纤光栅应变传感器（1002）选用粘接胶粘贴在传感光纤（6’）的测试点，并用保护层进行覆盖，做进一步保护。

5.根据权利要求2所述的高速粒子撞击测试系统，其特征在于：所述传感光纤（6’）选择波长为1310nm或1550nm的光纤。

6.根据权利要求1所述的高速粒子撞击测试系统，其特征在于：所述传感光纤（6）选择波长为1310nm或1550nm的光纤。

7.根据权利要求1所述的高速粒子撞击测试系统，其特征在于：所述光电探测器（103）为静电敏感器件，采用PIN-FET光电探测器。

8.根据权利要求1所述的高速粒子撞击测试系统，其特征在于：所述靶目标（4）在正反面同时布设传感光纤（6）。

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