CN104181160B - 一种基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置，包括图像记录设备、发光二极管、火焰用光电二极管、激光用光电二极管、放大电路和数据采集卡；激光用光电二极管靠近激光管的管壁，火焰用光电二极管设置在燃烧室的视窗外部，并与窗口位置对应，放大电路的输入端与激光用光电二极管相连，放大电路的输出端与发光二极管相连，发光二极管设置于图像记录设备的可拍摄视角内，图像记录设备设置于燃烧室的视窗外部，并与窗口位置对应；数据采集卡信号输入端与激光用光电二极管和火焰用光电二极管相连；本发明原理简单、操作方便、精度高且成本合理。

Description

一种基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置

技术领域

本发明属于信号测试研究技术领域，特别是一种基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置。

背景技术

传统的固体推进剂点火一般采用装有点火药的点火具，在点火具中使用电极引爆点火药，将启动电源开关为电极通电的时刻作为初始时刻。固体推进剂激光辐照下的点火研究始于上个世纪60年代，由于点火方式的新颖性，传统的测量点火延迟时间的方法不再适用。激光点火实验中点火延迟时间的测量是将激光管中气体被电压击穿后发出激光的时刻作为初始时刻。在关于激光点火的大量文献中，介绍点火延迟时间测量方法的内容极少，《Laser-induced ignition of solid propellants for gas generators》一文中提到，利用光束分离器将LED安装在靠近固体推进剂且可进入录像画面的位置，激光加载的初始时刻由录像中的LED首次发光来记录，通过计算录像中LED首次发光帧与推进剂产生初始火焰帧之间的帧数最终得到点火延迟时间。这种方法的缺点是测量精度受到录像设备帧频的限制，且通过人眼判断来得到LED发光初始时刻和固体推进剂点火初始时刻的两帧画面，误差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原理简单、操作方便、精度高且成本合理的基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置，包括图像记录设备、发光二极管、火焰用光电二极管、激光用光电二极管、放大电路和数据采集卡；激光用光电二极管靠近激光管的管壁，火焰用光电二极管设置在燃烧室的视窗外部，并与窗口位置对应，放大电路的输入端与激光用光电二极管相连，放大电路的输出端与发光二极管相连，发光二极管设置于图像记录设备的可拍摄视角内，图像记录设备设置于燃烧室的视窗外部，并与窗口位置对应；数据采集卡信号输入端与激光用光电二极管和火焰用光电二极管相连；

激光用光电二极管采集激光管的光信号并将其转化为电压信号，分别传送给放大电路和数据采集卡，数据采集卡将电压信号转化为数字信号，放大电路将经过放大处理后的电压信号传送给发光二极管；火焰用光电二极管采集固体推进剂试件的火焰光信号并将其转化为电压信号，传送给数据采集卡，数据采集卡将电压信号转化为数字信号；图像记录设备记录发光二极管工作状态和固体推进剂试件的燃烧过程。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)测量精度高。整个测量过程都是采集系统自发进行，两个信号在同一时间轴下被记录，且采用型号相同的两个光电二极管，因装置响应时间造成的误差可以忽略。

(2)为图像记录装置提供了零起点。将采集到激光出光信号的光电二极管的电压信号放大输出给发光二极管，图像记录装置拍摄到发光二极管发光，将发光二极管初始发光时刻作为激光辐照的初始时刻。

(3)光电二极管以及发光二极管成本低廉，信号采集系统原理简单，搭建及操作都十分简单。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置的总体结构示意图。

具体实施方式

结合图1：

一种基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置，包括图像记录设备4、发光二极管5、火焰用光电二极管6、激光用光电二极管7、放大电路8和数据采集卡9；激光用光电二极管7靠近激光管1的管壁，火焰用光电二极管6设置在燃烧室2的视窗外部，并与窗口位置对应，放大电路8的输入端与激光用光电二极管7相连，放大电路8的输出端与发光二极管5相连，发光二极管5设置于图像记录设备4的可拍摄视角内，图像记录设备4设置于燃烧室2的视窗外部，并与窗口位置对应；数据采集卡9信号输入端与激光用光电二极管7和火焰用光电二极管6相连；

激光用光电二极管7采集激光管1的光信号并将其转化为电压信号，分别传送给放大电路8和数据采集卡9，数据采集卡9将电压信号转化为数字信号，放大电路8将经过放大处理后的电压信号传送给发光二极管5；火焰用光电二极管6采集固体推进剂试件3的火焰光信号并将其转化为电压信号，传送给数据采集卡9，数据采集卡9将电压信号转化为数字信号；图像记录设备4记录发光二极管5工作状态和固体推进剂试件3的燃烧过程。

图像记录设备4采用高速摄像机。

火焰用光电二极管6的感光面与固体推进剂试件3的顶端面水平对齐。

激光用光电二极管7与激光管1的管壁贴紧。

实施例1：

一种基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置，包括高速摄像机4、发光二极管5、火焰用光电二极管6、激光用光电二极管7、放大电路8和数据采集卡9；激光用光电二极管7与激光管1的管壁贴紧，火焰用光电二极管6设置在燃烧室2的视窗外部，并与窗口位置对应，火焰用光电二极管6的感光面与固体推进剂试件3的顶端面水平对齐，放大电路8的输入端与激光用光电二极管7相连，放大电路8的输出端与发光二极管5相连，发光二极管5设置于高速摄像机4的可拍摄视角内，高速摄像机4设置于燃烧室2的视窗外部，并与窗口位置对应；数据采集卡9信号输入端与激光用光电二极管7和火焰用光电二极管6相连。

激光管1发出热流密度为4.78MW·m^-2的激光束，激光管1内部的激发气体被击穿后发光，紧贴在激光管1管壁上的激光用光电二极管7采集到光信号后输出电压信号，该电压信号经过数据采集卡9转化为数字信号并将数字信号输入给电脑，该数字信号的上升沿作为触发，Multi Channel Software软件开始采集记录信号；

激光束经过燃烧室2上端的透窗垂直辐照在固体推进剂试件3的端面，经过激光辐照的固体推进剂试件3发生点火，设置与燃烧室2视窗外并与固体推进剂试件3端面水平对齐的火焰用光电二极管6采集到光信号并输出电压信号，该电压信号经过数据采集卡9处理，转化为数字信号并将数字信号传输到电脑。

数据采集卡9采集到的两个信号最终由Multi Channel Software显示出来，激光用光电二极管7输出的电压信号上升沿所对应的时刻为0s，压力为2.3V，火焰用光电二极管6输出的电压信号上升沿所对应的时刻为0.027s，压力为0.4V，即该固体推进剂的点火延迟时间为0.027s；

与此同时，将激光用光电二极管7输出的电压信号经放大电路8放大并输出给发光二极管5，发光二极管5放置在图像记录设备4可拍摄的视角内，当激光管1开始工作，发光二极管5立刻发光，并被图像记录设备4拍摄到，在激光点火过程的图像记录中，这一帧即为零时刻，用以推算其后每帧画面所记录实验现象距离激光加载初始时刻的时间。

实施例2：

结合图1：

一种基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置，包括高速摄像机4、发光二极管5、火焰用光电二极管6、激光用光电二极管7、放大电路8和数据采集卡9；激光用光电二极管7与距离激光管1管壁0.2m，火焰用光电二极管6设置在燃烧室2的视窗外部，并与窗口位置对应，火焰用光电二极管6的感光面与固体推进剂试件3的顶端面水平对齐，放大电路8的输入端与激光用光电二极管7相连，放大电路8的输出端与发光二极管5相连，发光二极管5设置于高速摄像机4的可拍摄视角内，高速摄像机4设置于燃烧室2的视窗外部，并与窗口位置对应；数据采集卡9信号输入端与激光用光电二极管7和火焰用光电二极管6相连。

激光管1发出热流密度为4.78MW·m^-2的激光束，激光管1内部的激发气体被击穿而发光，距离激光管1管壁0.2m的激光用光电二极管7采集到光信号后输出电压信号，该电压信号经过数据采集卡9转化为数字信号并将数字信号输入给电脑，该数字信号的上升沿作为触发，Multi Channel Software软件开始采集记录信号。

激光束经燃烧室2上端的透窗垂直辐照在固体推进剂试件3的端面，经过激光辐照后，固体推进剂试件3发生点火，设置于燃烧室2视窗外，并与窗口位置相对应的火焰用光电二极管6采集到火焰信号并输出电压信号，该电压信号经过数据采集卡9处理，转化为数字信号并将数字信号传输到电脑。

数据采集卡9采集到的两个信号最终由Multi Channel Software显示出来，激光用光电二极管7输出的电压信号上升沿所对应的时刻为0s，压力为1.1V，火焰用光电二极管6输出的电压信号上升沿所对应的时刻为0.027s，压力为0.1V，即该固体推进剂的点火延迟时间为0.027s；

与此同时，将激光用光电二极管7输出的电压信号经放大电路8放大并输出给发光二极管5，发光二极管5放置在图像记录设备4可拍摄的视角内，当激光管1开始工作，发光二极管5立刻发光，并被图像记录设备4拍摄到，在激光点火过程的图像记录中，这一帧即为零时刻，用以推算其后每帧画面所记录实验现象距离激光加载初始时刻的时间。

Claims (4)

1.一种基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置，其特征在于：包括图像记录设备(4)、发光二极管(5)、火焰用光电二极管(6)、激光用光电二极管(7)、放大电路(8)和数据采集卡(9)；激光用光电二极管(7)靠近激光管(1)的管壁，火焰用光电二极管(6)设置在燃烧室(2)的视窗外部，并与窗口位置对应，放大电路(8)的输入端与激光用光电二极管(7)相连，放大电路(8)的输出端与发光二极管(5)相连，发光二极管(5)设置于图像记录设备(4)的可拍摄视角内，图像记录设备(4)设置于燃烧室(2)的视窗外部，并与窗口位置对应；数据采集卡(9)信号输入端与激光用光电二极管(7)和火焰用光电二极管(6)相连；

激光用光电二极管(7)采集激光管(1)的光信号并将其转化为电压信号，分别传送给放大电路(8)和数据采集卡(9)，数据采集卡(9)将电压信号转化为数字信号，放大电路(8)将经过放大处理后的电压信号传送给发光二极管(5)；火焰用光电二极管(6)采集固体推进剂试件(3)的火焰光信号并将其转化为电压信号，传送给数据采集卡(9)，数据采集卡(9)将电压信号转化为数字信号；图像记录设备(4)记录发光二极管(5)工作状态和固体推进剂试件(3)的燃烧过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置，其特征在于：所述的图像记录设备(4)采用高速摄像机。

3.根据权利要求1所述的一种基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置，其特征在于：所述的火焰用光电二极管(6)的感光面与固体推进剂试件(3)的顶端面水平对齐。

4.根据权利要求1所述的一种基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置，其特征在于：所述的激光用光电二极管(7)与激光管(1)的管壁贴紧。