CN104165868A - 固体推进剂烟雾光学透过率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体推进剂烟雾光学透过率测量方法，解决了烟箱法烟雾光学透过率测量精度较低的问题。在红外、可见光和激光波长范围内分别布置经专业计量检定单位定值过的8个标准衰减片，以不同波长的光的透过率定值作为标准值对测量系统进行校准。将固体推进剂试样置于燃烧室内，点火(或加热)产生烟雾，采用光学透过率表征烟雾浓度的大小。本发明通过获得不同波长的光在不同衰减段内的透过率修正系数，实现测量系统的分段线性校准，提高了系统的测量精度。本发明适用于固体推进剂、发射药及包覆层等材料在一定条件下产生的烟雾的光学透过率测量，对于低特征信号推进剂研究具有重要的意义。

Description

固体推进剂烟雾光学透过率测量方法

技术领域

本发明涉及固体推进剂技术领域，具体涉及一种固体推进剂烟雾光学透过率测量方法。

背景技术

固体推进剂及其包覆材料在火箭发动机工作时产生大量的烟雾和火焰，直接影响导弹的制导和隐身性能。固体推进剂烟雾水平是低特征信号推进剂的研制和生产过程中必须严格控制的重要指标，建立推进剂烟雾水平科学测量和评价方法是制导武器研制中的重要内容。

衡量推进剂的烟雾水平，一般采用它对制导信号如雷达波信号衰减、红外(或可见光、激光)光学透过率进行表征。烟雾光学透过率测量方法多采用比较成熟的风道法和烟箱法。风道法对烟雾的测量只能在发动机工作的短短几秒内进行，烟雾因为紊流的存在而分布不均，重现性差，所以该方法精度不高；而且该方法只能测量发动机工作阶段的光学透过率，而二次烟的产生一般在发动机工作结束几秒钟以后出现，所以该方法不适用于二次烟光学透过率测量。而烟箱法测量具有所需试样少、制样要求低、操作方便、费用小等诸多优点，至今仍广泛应用于低特征信号推进剂研究中。但在前期实际操作中由于缺乏有效的校准技术而导致测量精度不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种固体推进剂烟雾光学透过率测量方法，以克服现有烟箱法存在的测量精度不高的缺陷。

本发明实现过程如下：

固体推进剂烟雾光学透过率测量方法，包括测量前的准备、系统校准、测量、测量数据处理以及测量结果表述共五个步骤。

步骤一、测量前的准备：环境温度为10℃～30℃，相对湿度为40％～70％；切取圆柱体或长方体药块，中心钻Ф0.9mm的通孔，每组5个试样，并编号；

步骤二、系统校准：接通电源，开启系统，预热30min，将承力托安装在燃烧室上，打开氮气气源，将燃烧室的排气阀门关闭，进气阀门打开，充入氮气，使燃烧室内压强达到7.0MPa±0.5MPa，关闭进气阀门，保持3min，将由专业计量检定单位定值过的8个标准衰减片分别置于光路中，以不同波长光的透过率定值作为标准值；利用数据采集系统获得不同波长的光的透过率测量值，每一个标准衰减片透过率标准值对应一个透过率测量值，以标准值为横坐标，测量值为纵坐标作图得到工作曲线，由此可获得不同波长的光在不同衰减段内的透过率修正系数，完成测量系统的分段线性校准；每次测量前都要进行系统校准；

步骤三、测量：将镍铬丝穿过称量好的试样，点火线夹在承力托的接线柱上，避免与坩埚接触，以免形成短路而导致点火失败；将放好试样的承力托安装在燃烧室内，打开点火控制器的检通开关；打开氮气气源，将燃烧室的排气阀门关闭，进气阀门打开，充入氮气，关闭进气阀门；当信号放大器输出电压稳定后，设置采样率和采样时间，采样率不低于100sps，采集时间120s，启动数据采集，10s后点火；关闭检通开关和点火开关，保存测量数据；打开排气阀门，卸下承力托，对燃烧室窗口及盖上的残渣进行清理；测量结束，关闭电源，用镜头纸擦拭燃烧室的视窗、光入射窗口及光接收窗口，仪器设备盖好防尘罩；

步骤四、测量数据处理：

(1)通过实际测量获得推进剂烟雾红外、可见光和激光的透过率随时间变化的曲线；

(2)光学透过率计算

一束单色光通过一定浓度和范围的烟雾后，由于烟雾吸收、散射了一部分光能，透射光的强度减弱，光学透过率按式(1)计算：

$\mathrm{\τ}=\frac{P}{P_0}\×100\%...\left(1\right)$

式中：

τ－光学透过率，以百分数(％)表示，

P－光束透过有烟雾燃烧室的光强值，单位为坎德拉(cd)，

P₀－光束透过无烟雾燃烧室的光强值，单位为坎德拉(cd)；

由式(1)得出的光学透过率为烟雾产生前后光强的比值，在实际测量中，光强度经过光电接收器后转换为相应的电压值，当工作曲线为线性时，式(1)可用式(2)表示：

$\mathrm{\τ}=\frac{P}{P_0}\×100\%=\frac{V}{V_0}\×100\%...\left(2\right)$

式中：

V－光束透过有烟雾燃烧室的光强在接收器处转换的电压值，单位为伏(V)，

V₀－光束透过无烟雾燃烧室的光强在接收器处转换的电压值，单位为伏(V)；

(3)推进剂烟雾光学透过率计算

选取0s～10s时间段所有点的电压值，按式(3)计算其均值：

$\stackrel{\‾}{V_0}=\frac{1}{N_1}\underset{i=0}{\overset{N_1-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i...\left(3\right)$

式中：

―接收器电压数据在0s～10s时间段的平均电压值，单位为伏特(V)，

N₁―接收器电压数据在0s～10s时间段的数据点数目，

V_i―数据采集系统获得的传感器电压值，单位为伏特(V)；

选取80s～120s时间段所有点的电压值，按式(4)计算其均值：

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{1}{N_2}\underset{i=N_s}{\overset{N_s+N_2-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i...\left(4\right)$

式中：

―接收器电压数据序列在80s～120s时间段的平均电压值，单位为伏特(V)，

N₂―接收器电压数据序列在80s～120s时间段的数据点数目，

N_s―接收器电压数据在80s～120s时间段的起始序号；

按式(5)计算单个试样烟雾光学透过率测量值τ′_i：

${\mathrm{\τ}}_i^{\′}=\frac{\stackrel{\‾}{V}}{{\stackrel{\‾}{V}}_0}\×100\%...\left(5\right)$

式中：

τ′_i―单个试样烟雾光学透过率测量值，以百分数(％)表示；

由标定的工作曲线，对τ′_i进行修正，得到烟雾光学透过率τ_i；

(4)推进剂烟雾光学透过率平均值计算

推进剂烟雾光学透过率按式(6)计算：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_i...\left(6\right)$

式中：

―推进剂烟雾光学透过率平均值，以百分数(％)表示，

n―有效测量数目；

步骤五、测量结果表述：

平行测量5个试样的烟雾光学透过率，依据格拉布斯(Grubbs)准则，在置信度为95％时，若无异常数据，采用5个试样有效数据的平均值来表述推进剂烟雾光学透过率测量结果，有效位数保留至小数点后一位；若有一个异常数据，剔除该异常数据并补做1个试样；若连续补做2个试样都有异常值，则这组数据无效，重新开始测量；若有两个及以上数据，则这组数据无效，重新开始测量。

本发明相比现有的测量方法，具有下述优点：

在红外、可见光和激光波长范围内各配置由专业计量检定单位定值过的8个标准衰减片对测量系统进行分段线性校准，提高了系统的测量精度。

附图说明

图1烟雾光学透过率测量曲线示意图。

具体实施方式

依据固体推进剂烟雾光学透过率测量方法的特点，该方法包括测量前的准备、系统校准、测量、测量数据处理以及测量结果表述共五个步骤。

步骤一、测量前的准备：环境温度为10℃～30℃，相对湿度为40％～70％；切取圆柱体或长方体药块，中心钻Ф0.9mm的通孔，用分析天平称量100mg±5mg，每组5个试样，并编号；

步骤二、系统校准：接通电源，开启系统，预热30min，将承力托安装在燃烧室上，打开氮气气源，将燃烧室的排气阀门关闭，进气阀门打开，充入氮气，使燃烧室内压强达到7.0MPa±0.5MPa，关闭进气阀门，保持3min，将由专业计量检定单位定值过的8个标准衰减片分别置于光路中，以不同波长光的透过率定值作为标准值；利用数据采集系统获得不同波长的光的透过率测量值，每一个标准衰减片透过率标准值对应一个透过率测量值，以标准值为横坐标，测量值为纵坐标作图得到工作曲线，由此可获得不同波长的光在不同衰减段内的透过率修正系数，完成测量系统的分段线性校准；每次测量前都要进行系统校准；

步骤三、测量：将镍铬丝穿过称量好的试样，点火线夹在承力托的接线柱上，避免与坩埚接触，以免形成短路而导致点火失败；将放好试样的承力托安装在燃烧室内，打开点火控制器的检通开关；打开氮气气源，将燃烧室的排气阀门关闭，进气阀门打开，充入氮气，使燃烧室内压强达到7.0MPa±0.5MPa，关闭进气阀门；当信号放大器输出电压稳定后，设置采样率和采样时间，采样率不低于100sps，采集时间120s，启动数据采集，10s后点火；关闭检通开关和点火开关，保存测量数据；打开排气阀门，卸下承力托，对燃烧室窗口及盖上的残渣进行清理；测量结束，关闭电源，用镜头纸擦拭燃烧室的视窗、光入射窗口及光接收窗口，仪器设备盖好防尘罩；

步骤四、测量数据处理：

(1)光学透过率曲线实际测量

图1所示的是推进剂烟雾红外、可见光和激光透过率随时间变化的曲线(实际测量)。

(2)光学透过率计算

一束单色光通过一定浓度和范围的烟雾后，由于烟雾吸收、散射了一部分光能，透射光的强度减弱，光学透过率按式(1)计算：

$\mathrm{\τ}=\frac{P}{P_0}\×100\%...\left(1\right)$

式中：

τ－光学透过率，以百分数(％)表示，

P－光束透过有烟雾燃烧室的光强值，单位为坎德拉(cd)，

P₀－光束透过无烟雾燃烧室的光强值，单位为坎德拉(cd)；

由式(1)得出的光学透过率为烟雾产生前后光强的比值，在实际测量中，光强度经过光电接收器后转换为相应的电压值，当工作曲线为线性时，式(1)可用式(2)表示：

$\mathrm{\τ}=\frac{P}{P_0}\×100\%=\frac{V}{V_0}\×100\%...\left(2\right)$

式中：

V－光束透过有烟雾燃烧室的光强在接收器处转换的电压值，单位为伏(V)，

V₀－光束透过无烟雾燃烧室的光强在接收器处转换的电压值，单位为伏(V)；

(3)推进剂烟雾光学透过率计算

选取0s～10s时间段所有点的电压值，按式(3)计算其均值：

$\stackrel{\‾}{V_0}=\frac{1}{N_1}\underset{i=0}{\overset{N_1-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i...\left(3\right)$

式中：

―接收器电压数据在0s～10s时间段的平均电压值，单位为伏特(V)，

N₁―接收器电压数据在0s～10s时间段的数据点数目，

V_i―数据采集系统获得的传感器电压值，单位为伏特(V)；

选取80s～120s时间段所有点的电压值，按式(4)计算其均值：

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{1}{N_2}\underset{i=N_s}{\overset{N_s+N_2-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i...\left(4\right)$

式中：

―接收器电压数据序列在80s～120s时间段的平均电压值，单位为伏特(V)，

N₂―接收器电压数据序列在80s～120s时间段的数据点数目，

N_s―接收器电压数据在80s～120s时间段的起始序号；

按式(5)计算单个试样烟雾光学透过率测量值τ′_i：

${\mathrm{\τ}}_i^{\′}=\frac{\stackrel{\‾}{V}}{{\stackrel{\‾}{V}}_0}\×100\%...\left(5\right)$

式中：

τ′_i―单个试样烟雾光学透过率测量值，以百分数(％)表示；

由标定的工作曲线，对τ′_i进行修正，得到烟雾光学透过率τ_i；

(4)推进剂烟雾光学透过率平均值计算

推进剂烟雾光学透过率按式(6)计算：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_i...\left(6\right)$

式中：

―推进剂烟雾光学透过率平均值，以百分数(％)表示，

n―有效测量数目；

步骤五、测量结果表述：

平行测量5个试样的烟雾光学透过率，依据格拉布斯(Grubbs)准则，在置信度为95％时，若无异常数据，采用5个试样有效数据的平均值来表述推进剂烟雾光学透过率测量结果，有效位数保留至小数点后一位；若有一个异常数据，剔除该异常数据并补做1个试样；若连续补做2个试样都有异常值，则这组数据无效，重新开始测量；若有两个及以上数据，则这组数据无效，重新开始测量。

Claims (6)

1.固体推进剂烟雾光学透过率测量方法，其特征在于包括以下五个步骤：

步骤一、测量前的准备：环境温度为10℃～30℃，相对湿度为40％～70％；切取圆柱体或长方体药块，中心钻Ф0.9mm的通孔，每组5个试样，并给试样编号；

步骤二、系统校准：接通电源，开启系统，预热30min，将承力托安装在燃烧室上，打开氮气气源，将燃烧室的排气阀门关闭，进气阀门打开，充入氮气，使燃烧室内压强达到7.0MPa±0.5MPa，关闭进气阀门，保持3min，将由专业计量检定单位定值过的8个标准衰减片分别置于光路中，以不同波长光的透过率定值作为标准值；利用数据采集系统获得不同波长的光的透过率测量值，每一个标准衰减片透过率标准值对应一个透过率测量值，以标准值为横坐标，测量值为纵坐标作图得到工作曲线，由此可获得不同波长的光在不同衰减段内的透过率修正系数，完成测量系统的分段线性校准；每次测量前都要进行系统校准；

步骤三、测量：将镍铬丝穿过称量好的试样，点火线夹在承力托的接线柱上，避免与坩埚接触，以免形成短路而导致点火失败；将放好试样的承力托安装在燃烧室内，打开点火控制器的检通开关；打开氮气气源，将燃烧室的排气阀门关闭，进气阀门打开，充入氮气，关闭进气阀门；当信号放大器输出电压稳定后，设置采样率和采样时间，采样率不低于100sps，采集时间120s，启动数据采集，10s后点火；关闭检通开关和点火开关，保存测量数据；打开排气阀门，卸下承力托，对燃烧室窗口及盖上的残渣进行清理；测量结束，关闭电源，用镜头纸擦拭燃烧室的视窗、光入射窗口及光接收窗口，仪器设备盖好防尘罩；

步骤四、测量数据处理：

(1)通过实际测量获得推进剂烟雾红外、可见光和激光的透过率随时间变化的曲线；

(2)光学透过率计算

一束单色光通过一定浓度和范围的烟雾后，由于烟雾吸收、散射了一部分光能，透射光的强度减弱，光学透过率按式(1)计算：

$\mathrm{\τ}=\frac{P}{P_0}\×100\%...\left(1\right)$ 式中：

τ－光学透过率，以百分数(％)表示，

P－光束透过有烟雾燃烧室的光强值，单位为坎德拉(cd)，

P₀－光束透过无烟雾燃烧室的光强值，单位为坎德拉(cd)；

由式(1)得出的光学透过率为烟雾产生前后光强的比值，在实际测量中，光强度经过光电接收器后转换为相应的电压值，当工作曲线为线性时，式(1)可用式(2)表示：

$\mathrm{\τ}=\frac{P}{P_0}\×100\%=\frac{V}{V_0}\×100\%...\left(2\right)$ 式中：

V－光束透过有烟雾燃烧室的光强在接收器处转换的电压值，单位为伏(V)，

V₀－光束透过无烟雾燃烧室的光强在接收器处转换的电压值，单位为伏(V)；

(3)推进剂烟雾光学透过率计算

选取0s～10s时间段所有点的电压值，按式(3)计算其均值：

$\stackrel{\‾}{V_0}=\frac{1}{N_1}\underset{i=0}{\overset{N_1-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i...\left(3\right)$ 式中：

―接收器电压数据在0s～10s时间段的平均电压值，单位为伏特(V)，

N₁―接收器电压数据在0s～10s时间段的数据点数目，

V_i―数据采集系统获得的传感器电压值，单位为伏特(V)；

选取80s～120s时间段所有点的电压值，按式(4)计算其均值：

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{1}{N_2}\underset{i=N_s}{\overset{N_s+N_2-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i...\left(4\right)$ 式中：

―接收器电压数据序列在80s～120s时间段的平均电压值，单位为伏特(V)，

N₂―接收器电压数据序列在80s～120s时间段的数据点数目，

N_s―接收器电压数据在80s～120s时间段的起始序号；

按式(5)计算单个试样烟雾光学透过率测量值τ′_i：

${\mathrm{\τ}}_i^{\′}=\frac{\stackrel{\‾}{V}}{{\stackrel{\‾}{V}}_0}\×100\%...\left(5\right)$ 式中：

τ′_i―单个试样烟雾光学透过率测量值，以百分数(％)表示；

由标定的工作曲线，对τ′_i进行修正，得到烟雾光学透过率τ_i；

(4)推进剂烟雾光学透过率平均值计算

推进剂烟雾光学透过率按式(6)计算：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_i...\left(6\right)$ 式中：

―推进剂烟雾光学透过率平均值，以百分数(％)表示，

n―有效测量数目；

步骤五、测量结果表述：

平行测量5个试样的烟雾光学透过率，依据格拉布斯(Grubbs)准则，在置信度为95％时，若无异常数据，采用5个试样有效数据的平均值来表述推进剂烟雾光学透过率测量结果，有效位数保留至小数点后一位；若有一个异常数据，剔除该异常数据并补做1个试样；若连续补做2个试样都有异常值，则这组数据无效，重新开始测量；若有两个及以上数据，则这组数据无效，重新开始测量。

2.根据权利要求1所述的固体推进剂烟雾光学透过率测量方法，其特征在于所述的切取圆柱体或长方体药块质量100mg±5mg。

3.根据权利要求1所述的固体推进剂烟雾光学透过率测量方法，其特征在于所述的不同波长的光，其波长范围为：可见光(0.4μm～0.7μm)，红外(1.8μm～2.6μm，3μm～5μm，8μm～14μm)，激光(0.808μm、1.064μm、10.6μm)。

4.根据权利要求1所述的固体推进剂烟雾光学透过率测量方法，其特征在于所述的由专业计量检定单位定值过的8个标准衰减片，其红外透过率标准值分别为2.7％、4.7％、11.9％、32.9％、53.8％、67.9％、83.3％和91.9％，可见光透过率标准值分别为1.0％、2.8％、10.3％、32.1％、52.9％、64.2％、78.8％和90.5％，激光透过率标准值分别为2.1％、4.0％、11.0％、31.6％、52.9％、66.0％、81.7％和91.5％。

5.根据权利要求1所述的固体推进剂烟雾光学透过率测量方法，其特征在于所述的测量压强，通过氮气充入量控制在0.1MPa～15MPa范围内。

6.根据权利要求1所述的固体推进剂烟雾光学透过率测量方法，其特征在于在实际测量时，光强度经过光电接收器后转换为相应的电压值，当工作曲线为线性时，光的透过百分率可由80s～120s光束透过有烟雾燃烧室的光强在接收器处转换的点电压平均值与0s～10s光束透过无烟雾燃烧室的光强在接收器处转换的点电压平均值的比值来表示，由标定的工作曲线对其进行修正，得到烟雾的光学透过率。