CN104634495B - 一种微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统，其组成包括微型火工作动装置、合适强度的小尺寸悬臂梁、小尺寸应变传感器、信号调理器、数字采集系统和微型火工作动装置固定夹具等组成。相比传统的测量方法，本发明一次可以同时测量多个微型火工作动装置的运动特性，且一次推力测量可获得全行程的推力‑时间关系，对被测样品的推动干扰影响小，具有测量系统安全稳定、测量精度高等特点。依据本发明的测试系统工作原理在精确测量火工作动装置的推力、位移等运动特性测试方法方面具有很好的推广应用前景。

Description

一种微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统

所属技术领域

本发明涉及一种火工作动装置输出推力的测试系统，特别是一种微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统，属于火工品测试技术领域。

背景技术

微型火工作动装置具体积小、重量轻、功率大、作用迅速，能够完成机械作动装置无法实现的特殊要求，被广泛的应用在引信安全系统解除保险机构中。其中微型火工作动装置的输出性能即推力性能是决定其能否成功应用的关键。传统的测量火工作动装置推力性能的方法有两种：推动载荷重物法和压力传感器法。推动载荷重物法即在火工作动装置的活塞上方加载一定重量的载荷如砝码，测试活塞将多大重量的载荷推起多高，测试中不断改变砝码的重量，以确定火工作动装置的做功能力范围。该方法测试误差大，受砝码重量大小影响大，且火工作动装置中的活塞在推动载荷一瞬间就会相互分离，无法测得动态推力-行程关系，对火工作动装置药量设计及悬臂梁强度设计的指导性差。而压力传感器法是在距离活塞末端一定距离处放置一个压力传感器，当活塞运动到此处时，会撞击到压力传感器上并被记录推力大小，以此来确定火工作动装置的推力。该方法中的传感器是固定不动的，没有随着活塞的运动而运动，只能得到火工作动装置在固定行程位置处的推力-时间关系，而且因活塞的运动会产生一定的冲量冲击振动，对测试结果有一定的影响。显然这些传统测试方法都不能满足对微型火工作动装置输出推力与-时间关系的测试要求。并且目前国内尚缺少火工作动装置的推力测试方法的标准和规范，也急需制定一个能够实现标准化测量的技术规范。

1996年鲁建存等人在《活塞作动器输出参数的计算与试验》中曾采用压力传感器对活塞作动器的输出推力-时间曲线进行了测试。其测试系统组成主要包括推力传感器、高速数据采集分析仪和微机数据处理系统，但该方法也是基于传统的压力传感器法来测试的，实验中需要固定传感器不动，而火工作动装置的活塞通过火药气体的推动加速运动撞击到传感器上，这种方法有着明显的弊端，当传感器在受到活塞冲击载荷作用时，要产生很大的动应力和动变形，在极短的时间内，活塞的速度也会发生极大的变化，测得的推力并不是真实的火药作用下的活塞推力。2003年国防科技大学吴文杰在《火工品作动力动态测试系统设计与实现》中采用压电式力传感器和加速度传感器，在特制的砝码车上对活塞作动器产生的推力进行了直接测试，其测试系统主要包括推力传感器、测试台架、数据采集系统等。但是该系统中的砝码负载还不能代表实际应用情况，砝码不同，测得的推力也不同，而且砝码车的尺寸和推力量级不适合微型火工作动装置的推力-时间关系的测量。

可以说，对于现有的推力测试方法仅是从定性或半定量的角度来判断火工作动装置的做功性能，尚不能对火工作动装置进行全面的性能评估。要想达到现代微机电系统的技术要求，继续简单采用文献中的现有技术或组合是很难实现的，还需要探索新的测试思想才能解决上述的技术瓶颈。

发明内容

为了克服上述测试方法的种种不足，提高微型火工作动装置输出威力的测量精度，本发明提出用悬臂梁式应变传感器测量微型火工作动装置的推力性能变化，设计一种贴有应变传感器的悬臂梁组成的推力传感器，配备合适的信号调理器和数据采集系统，可用于精确的测量微型火工作动器的推力-时间关系。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

按照本发明的测量思路，设计一个火工作动装置的推力特性测试系统，其组成主要包括被测火工作动装置、火工作动装置固定夹具、悬臂梁、应变传感器、悬臂梁固定夹具、信号调理器、数据采集系统、发火控制箱及电源，其中应变传感器通过粘结剂贴在距离悬臂梁顶端一定距离处，火工作动装置、火工作动装置固定装置、悬臂梁、悬臂梁固定夹具通过螺栓连接在一起，并且火工作动装置中活塞的顶端紧贴着悬臂梁并与悬臂梁顶部平齐。当火工作动装置的活塞开始运动时，推动悬臂梁发生弯曲变形，应变传感器开始采集应变信号并传送给数据采集系统。

所述悬臂梁材料选自铍青铜、黄铜、钢中的至少一种，悬臂梁长度为6～10mm，宽度为1～1.5mm，厚度为0.5～2.0mm。

所述应变传感器宽度小于悬臂梁宽度的一半，以减小应变测量的边界效应。

所述应变传感器的栅长和栅宽均小于1mm，灵敏系数不小于2.08，适用于活塞直径为0.5～1.0mm的推力装置的动态推力测量。

所述应变传感器在悬臂梁正反两面各粘贴一个，同步测量两面变形应变，以消除悬臂梁两侧弯曲的曲率半径不同所造成的应变量误差，提高测量精度。

所述微型火工作动装置固定夹具可以同时安装5个以上的微型火工作动装置，以提高测量效率和测量条件一致性，微型火工作动装置通过通孔装入夹具，在夹具垂直方向开有螺纹孔，用螺钉固定。

当外界给定微火工作动装置预定的激励能量后，发火件点火，引燃做功药剂释放高温高压气体推动活塞轴向运动，同时悬臂梁在活塞的推力作用下发生弯曲变形，应变片感应悬臂梁发生弯曲的应变变化信号通过信号调节器转换并放大信号后传输给动态分析仪实时储存，再通过应力-应变标定关系换算得出微型火工作动装置动态的推力-时间关系。

本发明的有益效果是：此种方法能够同时动态测量微型火工作动装置的推力-时间关系，应变传感器的悬臂梁可以采用MEMS安保机构的原配零件，可不改变被测物体的推力-时间关系，测量的火工作动器和悬臂梁安保机构的动态推力-行程关系，正是对应于MEMS安保机构在实际发火作用过程中出现的推力-时间关系，测量结果可直接用于火工作动器动态推力评价及火工作动器和悬臂梁安保机构的推力-时间性能评价。测量系统引入误差小，且结构简单，一次安装可同时测量多个微型作动装置的推力，可提高安装效率和测量一致性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是悬臂梁式应变传感器的工作原理示意图。图中应变传感器安装在距离悬臂梁固定端i处，悬臂梁长度为l，F为给悬臂梁在端点B处施加的推力，ω为悬臂梁在力F的作用下产生的位移，θ为悬臂梁变形产生的弯曲角度。

图2是悬臂梁结构尺寸图。

图3是测试装置的装配示意图。

图4是基于本发明设计的火工作动装置的作动特性测量系统结构示意图。

图5是火工作动装置活塞的典型推力—时间曲线。

具体实施方式

在图1中，应变传感器安装在距离悬臂梁固定端i处，火工作动装置的活塞产生的推力F作用于悬臂梁的B处，从而导致悬臂梁发生弯曲，应变片感应应力变化信号ε_i，经信号处理器处理并记录。在得到应变信号ε_i后，通过下面的公式计算得到推力F。

式中：ε_i为i处的应变值，W为抗弯截面系数，W＝bh²/6，h为悬臂梁矩形截面的高，b为矩悬臂梁矩形截面的宽，E为悬臂梁材料的弹性模量。通过应变传感器得到ε_i随时间的变化曲线，就可以精确测量火工作动装置活塞部件的推力—时间曲线。

图2中悬臂梁的尺寸、材料与在引信安全系统中的应用的保持一致。为了加工、测量方便，在一个方片上加工出5个长7.0mm，宽1.0mm，厚度0.3mm的悬臂梁，悬臂梁之间的间距为5mm，悬臂梁通过两个直径为2.5mm的孔与悬臂梁固定夹具、火工作动装置固定夹具连接在一起。

图3中将粘贴好应变传感器(4)的悬臂梁(5)置于火工作动装置固定夹具(1)和悬臂梁夹具(6)中间，并用螺钉(7)连接在一起，将火工作动装置放入火工作动装置固定夹具(1)的孔(3)中，并通过直径为2mm的螺钉(2)将火工作动装置固定在孔中。在推销器的放置过程中，注意将活塞顶端对准悬臂梁顶端，并与悬臂梁紧贴住，在一次实验完成后，可以在火工作动装置固定夹具(1)其他的孔中继续进行实验。

在图4中，在测量火工作动装置的作动特性前，先将应变传感器粘贴在悬臂梁上，然后按照图4连接测量系统线路并调试妥当。根据起爆器(8)的额定发火条件以及测量系统电路的电阻，调节发火控制箱(12)的电压大小；当打开发火控制箱(12)的开关时，起爆器(8)开始发火，同时发火控制箱(12)的发火信号触发数据采集系统(14)并使其工作通道开始采集各路信号，起爆器(8)发火后引燃做功药剂(9)产生高温高压气体并推动活塞(10)沿着壳体(11)内壁构成的活塞腔迅速开始轴向运动，与活塞(10)接触的的悬臂梁(5)也开始发生弯曲变形，应变传感器(4)开始采集应变信号并传送给信号调理器(15)，经放大转换后传送给数据采集系统(14)；当活塞(10)在完成规定距离的运动时，应变传感器(4)采集完悬臂梁(5)在此作动过程中的应变信息，并在数据采集系统(14)上产生应变—时间曲线，再由得到的应力-应变曲线计算获得火工作动装置高瞬态的推力-时间关系。整个活动作动装置运动过程中，电源(13)给发火控制箱(12)、数据采集系统(14)以及信号调理器(15)提供各自所需的电流。

图5是采用应变传感器测得的典型推力—时间曲线，发火控制箱(12)的发火信号触发数据采集系统(14)的时刻即为点火时刻，活塞推动悬臂梁发生弯曲的时刻即为推力起始点，从点火开始到推力起始点即为点火时间t_f，随着活塞的加速运动，推力从零开始变化，并在一定的时间内一直加速上升达到最大值即为火工作动装置的推力峰值，对应的横坐标值即为火工作动装置的作用时间t_e。

Claims (4)

1.一种微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统，其特征是：它采用悬臂梁式应变传感器测量火工作动装置的推力特性，对应的动态推力测试系统组成包括被测火工作动装置、火工作动装置固定夹具、悬臂梁、应变传感器、悬臂梁固定夹具、信号调理器、数据采集系统、发火控制箱及电源；将粘贴好应变传感器的悬臂梁置于火工作动装置固定夹具和悬臂梁夹具中间，并用螺钉连接在一起，将火工作动装置放入火工作动装置固定夹具的孔中，并通过螺钉将火工作动装置固定在孔中；在一次实验完成后，可以在火工作动装置固定夹具其他的孔中继续进行实验；当火工作动装置的活塞开始运动并接触到悬臂梁时，推动悬臂梁发生弯曲变形，应变传感器感应悬臂梁发生弯曲的应变大小并输出变化信号，再经过信号调理器转换放大后传输给数据采集系统，再由提前得到的应力-应变标定曲线换算可以获得微型火工作动装置动态的推力-时间关系；

悬臂梁材料选自铍青铜、黄铜、钢中的至少一种，悬臂梁长度为6～10mm，宽度为1～1.5mm，厚度为0.5～2.0mm，适用于活塞直径为0.5～1.0mm的推力装置的高瞬态推力测量；

火工作动装置固定夹具可以同时安装5个以上的微型火工作动装置，以提高测量效率和测量条件一致性，在夹具垂直方向开有螺纹孔，微型火工作动装置通过通孔装入夹具后用螺钉固定并使悬臂梁顶端对正微型火工作动装置。

2.根据权利要求1所述的微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统，其特征是：所述应变传感器宽度小于悬臂梁宽度的一半，以减小应变测量的边界效应。

3.根据权利要求1所述的微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统，其特征是：所述应变传感器的栅长和栅宽均小于1mm，灵敏系数不小于2.08。

4.根据权利要求3所述的微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统，其特征是：所述应变传感器在悬臂梁正反两面各粘贴一个，同步测量两面变形应变，以消除悬臂梁两侧弯曲的曲率半径不同所造成的应变量误差，提高测量精度。