CN104181129A - 固体推进剂烟雾光学透过率纵向多光路多波段测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体推进剂烟雾光学透过率纵向多光路多波段测量装置，解决了烟箱法烟雾光学透过率测量精度差的问题。本装置包括光源单元、分光单元、介质单元、信号接收单元、信号处理单元以及测控软件单元等。入射光由分光单元分成参考光和测量光，测量光由燃烧室上部的光入射窗口垂直进入烟雾区，两束光分别被传感器接受，输出信号经处理可得烟雾光学透过率。本发明设计的纵向光路，消除了烟雾沉积效应对测量精度的不利影响。本发明设计的三路光路，可实现烟雾的红外、可见光和激光透过率的同步测量。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纵向多光路多波段测量装置

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纵向多光路多波段测量装置。

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装置是制导武器研制中的重要内容。

衡量推进剂的烟雾水平，一般采用烟雾对制导信号如雷达波信号衰减、红外(可见光、激光)光学透过率进行表征。烟雾光学透过率测量多采用比较成熟的烟箱法，烟箱法测量推进剂及包覆层烟雾的光学透过率，所需样品少，制样要求简单，操作方便，费用小，在推进剂配方研制阶段广泛应用。

但是，燃烧室内烟雾由于重力的存在，所产生的沉积效应使得水平光路装置测量精度差，重复性低。此外，由于燃烧室加热温度范围有限(1000℃以下)，无法达到发动机工作的温度。此外，烟室中对材料直接加热，升温速率也很有限，不能充分反映样品在发动机中的实际情况。所以有必要对烟箱法测量装置进行技术改造升级，使其具有较高的测量精度、效率以及广泛的应用范围。

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纵向多光路多波段测量装置，以克服现有烟箱法测量装置存在的不足。

本发明实现过程如下：

固体推进剂烟雾光学透过率纵向多光路多波段测量装置，包括光源单元、分光单元、介质单元、信号接收单元、信号处理单元以及测控软件单元。光源单元和分光单元位于介质单元的上部，光源单元发出的红外、可见光和激光经平行光管调节获得平行光，由分光单元把入射光分为参考光和测量光；所设计的三路光路，可实现红外、可见光和激光透过率的同步测量。介质单元包含燃烧室，其上部设有三个光入射窗口，下部设有对应的三个光接受窗口，测量光由光入射窗口垂直进入烟雾区，由光接受窗口射出；介质单元通过气路阀门自动控制可实现燃烧室测量压强的精确控制，通过燃烧室夹套内水温自动控制可实现测量温度的精确控制；介质单元设有可拆卸承力托和点火控制器，可对试样燃烧、热分解、挥发、升华等不同方法产生的烟雾进行光学透过率测量。信号接收单元中测量光的接受器件位于介质单元的下部，接受来自三个光接受窗口的测量光；参考光的接受器件位于介质单元的上部，分光单元的侧部，接受经分光单元分出的参考光；信号接收单元中红外接收采用硅光电池，可见光接收采用光敏电阻，激光接收采用带滤光膜的硅光电池。信号处理单元可实现测量数据自动处理。测控软件单元可实时获得不同波长光的烟雾透射参数，由标定的工作曲线对其进行修正，得到透过率结果，绘制出透过率曲线并保存相关数据。

本发明相比现有的测量装置，具有下述优点：

1.本测量装置采用纵向光路技术和锁相技术，有效解决了由烟雾沉积效应导致水平光路装置测量精度差的问题，同时也降低了背景环境变化、光源不稳定和系统噪声等对测量精度的影响；

2.本测量装置设计的三路光路，实现了红外、可见光和激光透过率的同步测量，提高了测量效率；

3.本测量装置可根据不同种类试样对烟雾产生方式的需要，通过点火或加热(程序升温)，实现燃烧、热分解、挥发、升华等方式产生的烟雾光学透过率的测量，扩大了本装置的应用范围。

附图说明

图1燃烧室结构示意图。1进气阀，2光入射窗口，3温度计，4保温夹套，5视窗，6测量样品，7点火线，8坩埚，9承力托，10光接收窗口，11排气阀。

图2测量装置光学系统示意图。图中，12LED灯平行光管，13激光器，14卤素灯平行光管，15分光器，16燃烧室，17光敏电阻，18带滤光膜的硅光电池，19硅光电池。

图3数据采集处理主要功能模块示意图。

具体实施方式

依据固体推进剂烟雾光学透过率测量的特点设计本测量装置，包括光源单元、分光单元、介质单元、信号接收单元、信号处理单元以及测控软件单元。光源单元和分光单元位于介质单元的上部。光源单元可产生红外、可见光和激光三路光源，光源单元发出的光经平行光管的调节产生平行光，为测量装置提供平行光源。分光单元包含分光器，分光器将入射光按一定比例分为两束，一束作为参考光直接被光传感器接受，另一束作为测量光由光入射窗口垂直进入烟雾区(被试烟雾类介质)。所设计的三路光路，可实现红外、可见光和激光透过率的同步测量。介质单元包含燃烧室，其上部设有三个光入射窗口，下部设有对应的三个光接受窗口，测量光穿过烟雾区由光接受窗口射出后被光传感器接受；介质单元设置多组电动阀门用来控制高压气瓶、缓冲气瓶等，压强传感器置于燃烧室排气阀前段，计算机通过传感器的输出信号检测当前压强值，与设置的压强值比较后通过控制合适的电动阀动作使压强调整至设定值，实现燃烧室压强的精确控制；介质单元在燃烧室外围加装夹套，恒温水槽配置电加热和致冷压缩机，通过循环水泵向燃烧室外夹套输送循环水，水槽内加装温度传感器，通过计算机实现测量温度的精确控制；介质单元设有可拆卸承力托和点火控制器，可对试样燃烧、热分解、挥发、升华等不同方式产生的烟雾进行光学透过率测量。信号接收单元中测量光的接受器件位于介质单元的下部，接受来自三个光接受窗口的测量光；参考光的接受器件位于介质单元的上部，分光单元的侧部，接受经分光单元分出的参考光；信号接收单元中红外接收采用硅光电池，可见光接收采用光敏电阻，激光接收采用带滤光膜的硅光电池。信号处理单元可实现测量数据自动处理。测控软件单元可实时获得不同波长光的烟雾透射参数，由标定的工作曲线对其进行修正，得到透过率结果，绘制出透过率曲线并保存相关数据。

图1是本装置燃烧室结构示意图。燃烧室为带保温夹套的圆柱腔体，内径140mm±0.5mm，高160mm±0.5mm。燃烧室放在一专用台架上。燃烧室由耐腐蚀的不锈钢材料制成。燃烧室柱体有两个Ф40mm的对称视窗，装有K9光学玻璃，尺寸为Ф40mm×20mm。燃烧室上部设有一个进出气口、三个光入射窗口及温度计，下部设有光接收窗口和盛放样品的可拆卸承力托。燃烧室通过气路阀门自动控制可实现测量压强的精确控制，测量压强范围0.1MPa～15MPa，控压精度±0.5MPa。通过夹套内水温自动控制可实现测量温度的精确控制，测量温度范围0℃～95℃，控温精度±1.5℃。点火控制器可识别点火线的通断，可有效点燃推进剂试样。

图2为测量装置光学系统示意图。红外、可见光和激光分别用卤素灯平行光管、LED灯平行光管和半导体激光器作为光源，可见光波长范围：0.4μm～0.7μm；红外波长范围：1.8μm～2.6μm，3μm～5μm，8μm～14μm；激光波长范围：0.808μm、1.064μm、10.6μm。光学系统工作电压5V±0.05V，功率3W～5W。单色光经分光器(分光比为50％)分为两路，一路进入参考光源电路不进入燃烧室烟雾区，另一路由光入射窗口垂直进入燃烧室烟雾区。红外接收器件采用硅光电池，可见光接收器件采用光敏电阻，激光接收器件采用带滤光膜的硅光电池。光源距其接收器件的光程长不大于300mm。

图3是数据采集处理主要功能模块示意图。本装置的数据采集处理程序包括如下模块：系统模块、测量模块、控制模块、数据处理模块和数据管理模块。该数据采集处理系统分辨率16bit，采样率不低于100sps，通道数不小于6。系统模块主要用来进行测量之前的系统设置和标定，以及初始测量参数和测量数据采集参数设定，主要是对测量样品批次、型号和质量等相关信息的设置，便于后期进行数据检索和对比。测量模块主要用于测量光强的变化，进行压强采样、温度采样、采样波形显示、波形曲线绘制和数据保存的操作。控制模块主要进行压强控制、温度控制和点火(或加热)控制操作，软件通过安装在燃烧室上的温度传感器和压力传感器来实时监测燃烧室的温度和压强，通过恒温槽和电磁阀等动作部件来调节燃烧室的温度和压强。为达到对燃烧室温度和压强快速平稳的控制，两个变量的调节均采用模糊PID控制技术。数据处理模块主要进行测量数据有效性判定和透过率计算等操作。数据管理模块主要进行数据存储、数据检索和检测结果导出等操作，提供了一个检索测量数据的接口，操作人员可以按照一定的检索条件检索测量记录，并将检索结果导出到文本文件或Excel文件，为固体推进剂烟雾性能的对比研究提供了方便。

Claims (8)

1.固体推进剂烟雾光学透过率纵向多光路多波段测量装置，其特征在于包括光源单元、分光单元、介质单元、信号接收单元、信号处理单元以及测控软件单元：

光源单元和分光单元位于介质单元的上部，光源单元发出的红外、可见光和激光经平行光管调节获得平行光，由分光单元把入射光分为参考光和测量光；所设计的三路光路，可实现红外、可见光和激光透过率的同步测量；

介质单元上部设有三个光入射窗口，下部设有对应的三个光接受窗口，测量光由光入射窗口垂直进入烟雾区，由光接受窗口射出；介质单元通过气路阀门自动控制实现燃烧室压强精确控制，通过燃烧室夹套内水温自动控制实现温度进行精确控制；介质单元设有可拆卸承力托和点火控制器，可对试样燃烧、热分解、挥发、升华等不同方法产生的烟雾进行光学透过率测量；

信号接收单元中测量光的接受器件位于介质单元的下部，接受来自三个光接受窗口的测量光；参考光的接受器件位于介质单元的上部，分光单元的侧部，接受经分光单元分出的参考光；信号接收单元中红外接收采用硅光电池，可见光接收采用光敏电阻，激光接收采用带滤光膜的硅光电池；

信号处理单元可实现测量数据自动处理；

测控软件单元可实时获得不同波长光的烟雾透射参数，由标定的工作曲线对其进行修正，得到透过率结果，绘制出透过率曲线并保存相关数据。

2.根据权利要求1所述的固体推进剂烟雾光学透过率纵向多光路多波段测量装置，其特征在于所述的测量装置，其光源波段为：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)；其光学透过率测量范围：0％～100％；其测量扩展不确定度：1.6％～2.8％(k＝2)。

3.根据权利要求1所述的固体推进剂烟雾光学透过率纵向多光路多波段测量装置，其特征在于所述的测量装置采用纵向光路技术和锁相技术，解决了由烟雾沉积效应导致水平光路装置测量精度差的问题，同时也降低了背景环境变化、光源不稳定和系统噪声等对测量精度的影响。

4.根据权利要求1所述的固体推进剂烟雾光学透过率纵向多光路多波段测量装置，其特征在于所述的测量装置通过设计三路光路可实现红外、可见光和激光透过率的同步测量。

5.根据权利要求1所述的固体推进剂烟雾光学透过率纵向多光路多波段测量装置，其特征在于所述的测量装置可根据不同种类试样对烟雾产生方式的需要，通过点火或加热(程序升温)，实现燃烧、热分解、挥发、升华等方式产生的烟雾的光学透过率测量。

6.根据权利要求1所述的固体推进剂烟雾光学透过率纵向多光路多波段测量装置，其特征在于所述的测量装置设置多组电动阀门用来控制高压气瓶、缓冲气瓶等，压强传感器置于燃烧室排气阀前段，通过传感器的输出信号检测当前压强值，与设置的压强值比较后控制合适的电动阀动作使压强调整至设定值，通过计算机实现测量压强的精确控制；所述的测量装置可根据不同种类试样对测量压强的需要，实现燃烧室内0.1MPa～15MPa范围内烟雾的光学透过率测量，控压精度±0.5MPa。

7.根据权利要求1所述的固体推进剂烟雾光学透过率纵向多光路多波段测量装置，其特征在于所述的测量装置在燃烧室外围加装夹套，恒温水槽配置电加热和致冷压缩机，通过循环水泵向燃烧室外夹套输送循环水，水槽内加装温度传感器，通过计算机实现测量温度的精确控制；所述的测量装置可根据不同种类试样对测量温度的需要，实现燃烧室内0℃～95℃范围内烟雾的光学透过率测量，控温精度±1.5℃。

8.根据权利要求1所述的固体推进剂烟雾光学透过率纵向多光路多波段测量装置，其特征在于所述的光源距其接收器件的光程长不大于300mm。