CN105158291B - 一种火炸药体膨胀系数测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液体膨润法和精密激光位移传感器的火炸药体膨胀系数测试装置，由体积计量系统、恒温器、测量控制系统等组成，可以直接用于火炸药及相关材料热膨胀的体积增量的测量并计算其体膨胀系数。测试系统工作时，体积计量系统中样品腔、测量细管及样品腔体积调整元件等构成膨润液体流动系统。以精密激光位移传感器显示的液位高度变化计算试样受热膨胀体积增量从而计算样品的体膨胀系数。本发明的突出优点是操作简单、测量准确度高，劳动强度低，解决了直接测量火炸药热膨胀系数的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于火炸药性能测试领域，主要涉及一种火炸药体膨胀系数测试装置，尤其涉及一种非均质的炸药、火药及包覆材料，基于精密激光位移传感器及液体膨润法的火炸药体膨胀系数测试装置。
背景技术
热膨胀系数是指材料在冷热环境中自身形变的特有属性。一般情况下，随着温度的升高固体火炸药体积相应要增大，当温度降低时火炸药体积相应减小，这种现象称为火炸药的热膨胀。在火炸药成型工艺、装药工艺、试验、贮存、使用等环境中，火炸药均可能发生热膨胀现象，当膨胀超出某一范围，且不可逆时，将会严重影响火炸药装药的结构完整性，从而影响战斗部和发动机的使用安全性。如推进剂与包覆层热膨胀系数相差较大时，可能引起推进剂装药包覆层脱粘，影响燃烧安全性；战斗部炸药装药热膨胀系数较大时，其内部就会产生应力，可能导致装药内部产生裂纹，影响发射安全性和侵彻安定性。因此，准确测量火炸药的热膨胀系数对于保证装药质量和使用安全性具有重要的意义。
目前，火炸药热膨胀系数表征方式可分为线膨胀系数和体膨胀系数两种。线膨胀系数是指在单位温度改变下，火炸药单位长度的形变；体膨胀系数是指在单位温度改变下火炸药单位体积的变化；线膨胀系数更多表征均质材料的热膨胀特性。常用的火炸药线膨胀系数测量装置主要有热机械分析仪、膨胀仪等，其对应试验方法为GJB772A-97方法408.1线膨胀系数热机分析法、方法408.2线膨胀系数膨胀仪法。热机械分析仪主要由热电偶、加热冷却系统、样品平台、测试探头等组成，通过对已知原始长度的试样按设置的程序升温、降温、再升温，记录试样随温度变化的长度形变，绘出温度形变曲线，计算样品某温区的线膨胀系数。膨胀仪主要由样品室、控温系统、测温系统、和长度自动记录系统等组成，通过记录温度上升(或下降)时，试样长度发生的变化，绘制长度随温度变化曲线，计算样品的线膨胀系数。上述方法和装置更多用于测量火炸药的线膨胀系数，体膨胀系数则通过线膨胀系数计算得到。由于体膨胀系数受到环境温度、化学成分、加工方法、几何形体特征等多种因素的影响。因此，从线膨胀系数计算得到体膨胀系的方法对于各向同性的均匀材料如均匀液体，金属单质等来说，具有较高的准确性。对于各向异性的混合材料来说，由于内部化学成分分布的不均匀性，加工方法造成的密度分布不均，或加工工艺造成的结构缺陷等因素影响，通过线膨胀系数计算得到的体膨胀系数准确性较低。因此，需要发展直接，准确的体膨胀系数测试技术，以通过实验准确的测量体膨胀系数，从而能够更好地指导材料的加工工艺及工程应用。
现在常用的火炸药均为混合炸药，其组分较为复杂，通常是几种物理化学性质不同的物质组成的混合物，这就造成了其各项异性的特性，不能通过其线膨胀系数准确计算出体膨胀系数，也就不能能准确的表征火炸药的热膨胀特性。因此，研究火炸药的体膨胀测试技术，研制出精确便利的火炸药体膨胀温度系数测试仪器，建立准确有效的体膨胀系数测试方法是非常重要和紧迫的工作。目前，针对材料体膨胀测量的试验系统及方法，还未见文献资料报道。
通过准确测量某一温度区间下火炸药热膨胀体积，可以计算出该温度下的热膨胀系数。本发明就是根据火炸药独特的性能和特点，设计了一种直接，准确测量火炸药热膨胀体积的试验系统，解决火炸药体膨胀系数缺乏测量手段和方法的技术问题，从而能够更好地指导火炸药的加工工艺及工程应用。该测量系统可在温度变化的情况下，通过精确测量浸入膨胀测量液中火炸药药柱的体积变化，计算获得火炸药体膨胀温度系数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，在准确评价和表征火炸药热膨胀特性时，现有线膨胀测试技术不能满足火炸药热膨胀特性准确测量，缺乏直接，准确测量火炸药体膨胀系数试验系统和方法。为了克服现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种能够直接测量火炸药药柱及相关材料体膨胀系数的测试装置。
本发明提供的火炸药体膨胀系数测试装置基于精密激光位移传感器及液体浸润法的原理，将各项异性的火炸药的体积膨胀转化为均匀液体的液面高度的线性变化进行测量，以达到体膨胀系数的准确实验测定的目的。整个系统的核心为温度的精确控制及液体液面位移的精确测量，利用精密温度传感器及外置恒温腔体对温度进行准确控制，利用激光位移传感器进行液体体积微小变化的精确测量。
本发明提供的火炸药体膨胀系数测试装置包含体积计量系统、恒温器、测量控制系统等。
体积计量系统为装置的核心部件，主要用于放置膨润液体及样品，并进行不同温度下膨润液体及样品体积变化量的计量，其具体工作原理为：通过精密液位传感器测量不同温度下测量细管中膨润液体液位的高度，得到腔室中膨润液体和样品共同的体积变化量，从而计算待测样品的体膨胀系数。体积计量系统主要包含腔室、样品腔容积控制元件、精密激光位移传感器、测量浮板、观察窗、测量细管、真空泵、升降装置等。腔室内部为圆筒状，内壁光滑平整，上部有连接管连接真空泵，下部有连接导管连接测量细管，腔室内放置支架。试验时样品放入支架内，样品与腔室壁间要留有空隙，利用真空泵对样品腔进行排气处理，以排出膨润液体内部及膨润液体与样品腔壁之间的气泡，保证测量结果的准确性。腔室上部有中心带穿透型圆孔的圆形腔室盖，腔室上口外边缘与腔室盖之间以O型密封圈实现对腔室的密封，样品腔容积控制元件中的升降杆从圆孔穿过，用以连接精密微动旋钮及调整块，圆孔内壁加固定密封圈以实现腔室盖与升降杆之间的密封，腔室盖侧面连接导柱，以实现与升降装置的连接，用以控制腔室内支架及样品的升降。样品腔容积控制元件主要由精密微动旋钮、升降杆、调整块构成，用以控制及调整样品腔容积，升降杆穿过腔室盖中心圆孔，上部连接精密微动旋钮，下部连接调整块,调整块为圆柱体，直径略小于腔室内径，可由精密微动旋钮控制在腔室内部上下滑动，调整块中心有一圆孔用以连接升降杆，侧面有一穿透型圆孔，用以安装温度传感器，温度传感器穿过调整块，底部置于腔室内部，测量时接触膨润液体液面，用以测量膨润液体温度。试验时，根据样品体积大小，利用精密微动旋钮精确控制调整块的位置，以记录膨润液体初始液面高度，用于最终体膨胀系数的计算。精密激光位移传感器通过位移传感器支架固定于腔室一侧，直立于观察窗上方，与测量细管呈直线型(夹角180°)，保证激光位移传感器所发射的测距光线可射入观察窗，进入测量细管中。测量细管横截面为椭圆形，椭圆长径垂直于激光位移传感器支架，测量细管通过连接导管与腔室连接，以使测量细管与腔室保持连通及液面高度一致。测量浮板置于测量细管之中，横截面为椭圆形，尺寸略小于测量细管，可在细管中自由上下浮动，试验过程中用于反射激光位移传感器所发射的测距激光。观察窗为透明椭圆形，置于测量细管上部，用于透过激光位移传感器所发射的测距光线，与测量细管之间以O型密封圈密封。真空泵通过方向可控密封活塞及连接管与腔室连接，试验过程中用于样品腔排气，以使整个样品腔中无气泡残留，避免气体体积膨胀系数过大对测试结果造成的影响。升降装置通过导柱及连接板与腔室内支架连接，用于在试验过程中自动升降样品及样品支架，提高整个测量过程的自动化程度。
所述的恒温器用以控制测量系统温度，可以使测量系统按照设定的升温速率进行升温并在设定温度保持恒温，主要包括温度测量控制组件、保温腔、保温腔盖、温度传感器。保温腔为内置硅油、电加热套及温度传感器的的长方体箱体，保温腔盖与箱体为一体，与腔室外壁连接，高于调整块上部最高点，低于透明观察窗；恒温箱内置温度传感器，试验过程中与腔室内温度传感器共同进行温度测量。
所述的测量控制系统由数据采集盒和测量控制系统组成，测量控制系统包含温度测量控制组件和液位高度测量组件。数据采集盒用于数据采集与转换，测量控制系统用于整个系统的控制及数据计算。
试验时，首先利用精密微动旋钮将样品腔容积控制元件中的调整块调节至最高位置，然后利用升降装置将样品腔内部的支架提起至支架底部与腔室口平行，在样品腔中加入一定量的膨润液体，膨润液体为物理化学性能稳定的惰性液体，一般为聚硅氧烷类液体。然后利用升降装置将支架放回至样品腔底部，调节精密微动旋钮使液面高度到达指定下限位置，并记录；然后再次将样品腔内部的支架提起至支架底部与腔室口平行，将样品放入样品架中，利用升降装置将支架放置入腔室底部，将腔室盖盖上保证该处密封，将活塞打开，使连接管与真空泵联通，利用真空泵使系统保持一定时间的负压以除去膨润液体中的气泡，然后关闭真空泵，将活塞转向联通大气，再次调节精密微动旋钮使液位高度到达指定下限位置，通过升降旋钮两次的调节高度差可以计算得到样品的初始体积。然后利用温度测量控制系统对膨润液体及样品进行加热，到达需要的温度时，记录精密激光位移传感器的液位高度变化，可以得到样品的体积变化量，从而计算得到样品的体膨胀系数。
本发明的优点：(1)本发明利用液体膨润法的原理，将样品体积膨胀转化为均匀液体液面高度变化，消除了不均匀样品体膨胀系数的测量误差，能够对各种非均质的火炸药及相关材料体膨胀系数进行测试，对样品状态无要求，无需进行样品前处理，解决了现有线膨胀测试技术不能满足火炸药热膨胀特性准确测量，缺乏直接准确测量火炸药体膨胀系数试验系统和方法的技术问题。(2)本发明试验系统安装操作简单，恒温试验过程全部由电脑控制，试验人员的劳动强度较低，提高了试验效率。
附图说明
图1是本发明火炸药体膨胀系数测试装置总体构成示意图(1.数据传输接口；2.精密激光位移传感器；3.位移传感器支架；4.活塞；5.真空泵；6.观察窗；7.连接管；10.升降装置；11.升降旋钮；12.升降杆；13.腔室盖；20.保温腔；22.保温腔盖)。
图2是图1中体积计量系统示意图(1.数据传输接口；2.精密激光位移传感器；3.位移传感器支架；4.活塞；5.真空泵；6.观察窗；7.连接管；8.测量细管；9.连接导管；10.升降装置；11.升降旋钮；12.升降杆；13.腔室盖；14.温度传感器；15.调整块；16.导柱；17.连接板；18.支架；19.腔室；20.保温腔；21.测量浮子；22.保温腔盖)。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
如图1所示，本发明提供的火炸药体膨胀系数测试装置由体积计量系统、恒温器、测量控制系统等组成。所述的体积膨胀测量元件为试验系统的核心部件，主要由腔室、测量细管及浮块、精密激光位移传感器和样品腔容积控制元件等构成。通过调整样品容积控制元件的高度使放置样品前后液面高度位于同一位置得到样品的初始体积，以精密激光位移传感器测得的不同温度下测量细管中膨润液体液面高度的变化计算样品受热时的体积增量，并利用测量控制及计算软件计算样品的体膨胀系数。如图2所示，体积计量系统直径不大于140mm,高约590mm,主要包括腔室[19]、样品腔容积控制元件、精密激光位移传感器[2]、测量浮板[21]、观察窗[6]、测量细管[8]、真空泵[5]、升降装置[10]等。所述的腔室[19]为一圆柱状，由殷钢加工而成，桶内壁光滑平整，腔室内部容积已知。腔室[19]内有支架[18]，材料为殷钢，支架内部直径约41mm，高度约41mm，样品腔溶剂控制元件由连接板[17]、导柱[16]、调整块[15]、升降杆[12]、精密微动旋钮[11]构成，其中连接板、导柱、调整块均由殷钢加工而成。试验时利用精密微动旋钮[11]将样品腔容积控制元件中的调整块调节至最高位置，然后利用升降装置[10]将样品腔内部的支架[18]提起至支架底部与腔室口平行，在样品腔中加入一定量的膨润液体，膨润液体为物理化学性能稳定的惰性液体，一般为聚硅氧烷类液体。利用升降装置[10]将支架放回至样品腔底部，调节精密微动旋钮[11]使液面高度到达指定下限位置，然后再次将样品腔内部的支架[18]提起至支架底部与腔室口平行，将样品放入样品架中，然后利用升降装置[10]将支架放置入腔室底部，将腔室盖[13]盖上保证该处密封，将活塞[4]打开，使连接管[7]与真空泵[5]联通，利用真空泵使系统保持一定时间的负压以除去膨润液体中的气泡，然后关闭真空泵，将活塞[4]转向联通大气，再次调节精密微动旋钮[11]使液位高度到达指定下限位置，通过升降旋钮两次的调节高度差可以计算得到样品的初始体积。然后利用温度测量控制系统对膨润液体及样品进行加热，到达需要的温度时，记录精密激光位移传感器的液位高度变化，可以得到样品的体积变化量，从而计算得到样品的体膨胀系数。
下面通过实例叙述本发明优选实施例的火炸体膨胀系数测量过程。
第一、利用升降装置[10]将样品腔内部的支架[18]提起至支架底部与腔室口平行，在样品腔中加入一定量的膨润液体，利用升降装置[10]将支架放回至样品腔底部，调节精密微动旋钮[11]使液面高度到达指定下限位置h0，记录精密微动旋钮[11]的升降高度H1及初始温度T1。
第二、将样品腔内部的支架[18]提起至支架底部与腔室口平行，将样品放入样品架中，然后利用升降装置[10]将支架放置入腔室底部，将腔室盖[13]盖上保证该处密封，将活塞[4]打开，使连接管[7]与真空泵[5]联通，利用真空泵使系统保持一定时间(一般时间为10min左右)的负压以除去膨润液体中的气泡，然后关闭真空泵，将活塞[4]转向联通大气。
第三、调节精密微动旋钮[11]使液位高度到达指定下限位置h0，记录精密微动旋钮[11]的升降高度H2，
第四、利用温度测量控制系统对膨润液体及样品进行加热，到达需要的温度T2，在该温度处保持30min以上使样品充分膨胀，记录精密激光位移传感器的液位度数h1。
第五、腔室初始体积为V0，调整块截面积为S0，测量细管截面积为S1，通过测量控制及计算软件可以计算得到样品的初始体积及样品的体膨胀系数。
Claims (3)
1.一种火炸药体膨胀系数测试装置，包含体积计量系统、恒温器、测量控制系统，其特征在于：所述的体积计量系统为测试装置的核心部件，可以通过精密激光位移传感器(2)精密测量不同温度下测量细管(8)中的液位高度，从而实现对试样某一温度下体积膨胀值的准确测量从而计算样品的体膨胀系数；体积计量系统包括腔室(19)、腔室盖(13)、样品腔容积控制元件、精密激光位移传感器(2)、测量浮板(21)、观察窗(6)、测量细管(8)、真空泵(5)、升降装置(10)；所述的腔室(19)内部为圆筒状，内壁光滑平整，上部有连接管(7)用以连接真空泵(5)，下部有连接导管(9)用以连接测量细管(8)，腔室(19)内放置支架(18)，试验时样品放入支架(18)内，样品与腔室(19)壁间要留有空隙；所述的腔室盖(13)为圆形，腔室盖(13)中心有穿透性圆孔用以穿过升降杆(12)，圆孔内壁加固定密封圈以实现腔室盖(13)与升降杆(12)之间的密封，腔室盖(13)侧面连接导柱(16)，以实现与升降装置(10)的连接，用以控制腔室(19)内支架(18)及样品的升降，腔室(19)上口外边缘与腔室盖(13)之间以O型密封圈实现对腔室(19)的密封；所述的样品腔容积控制元件由精密微动旋钮(11)、升降杆(12)、调整块(15)构成，用以控制及调整腔室(19)容积，升降杆(12)穿过腔室盖(13)中心圆孔，上部连接精密微动旋钮(11)，下部连接调整块(15),调整块(15)为圆柱体，直径略小于腔室(19)内径，可由精密微动旋钮(11)控制在腔室(19)内部上下滑动，调整块(15)中心有一圆孔用以连接升降杆(12)，侧面有一穿透型圆孔，用以安装温度传感器(14)，温度传感器(14)穿过调整块(15)，底部置于腔室(19)内部，测量时接触膨润液体液面，用以测量膨润液体温度；所述的精密激光位移传感器(2)通过位移传感器支架(3)固定于腔室(19)一侧，直立于观察窗(6)上方，与测量细管(8)夹角180°，保证精密激光位移传感器(2)所发射的测距光线可射入观察窗(6)，进入测量细管(8)中；所述的测量细管(8)横截面为椭圆形，长径垂直于位移传感器支架(3)，测量细管(8)通过连接导管(9)与腔室(19)连接，以使测量细管(8)与腔室(19)保持连通及液面高度一致；所述的测量浮板(21)置于测量细管(8)之中，横截面为椭圆形，尺寸略小于测量细管(8)，可在测量细管(8)中自由上下浮动；所述的观察窗(6)为透明椭圆形，置于测量细管(8)上部，用于透过精密激光位移传感器(2)所发射的测距光线，与测量细管(8)之间以O型密封圈密封；所述真空泵(5)通过方向可控密封活塞(4)及连接管(7)与腔室连接；所述的升降装置(10)用以腔室(19)内支架(18)的升降，升降装置(10)通过导柱(16)及连接板(17)与腔室(19)内支架(18)连接；
所述的恒温器用以控制测量系统温度，可以使测量系统按照设定的升温速率进行升温并在设定温度保持恒温，包括温度测量控制组件、保温腔(20)，保温腔盖(22)、温度传感器(14)；保温腔(20)为内置硅油、电加热套及温度传感器的的长方体箱体，保温腔盖(22)与箱体为一体，与腔室(19)外壁连接，高于调整块(15)上部最高点，低于透明观察窗(6)；温度传感器(14)穿过调整块(15)置于腔室(19)内部，与保温腔(20)内置温度传感器共同进行温度测量；
所述的测量控制系统由数据采集盒和测量控制系统组成，测量控制系统包含温度测量控制组件和液位高度测量组件。
2.根据权利要求1所述的火炸药体膨胀系数测试装置，其特征在于：可以直接用于火炸药及相关材料热膨胀的体积增量的测量并计算其体膨胀系数；测试系统工作时，体积计量系统中腔室(19)、测量细管(8)及样品腔容积控制元件构成膨润液体流动系统，以精密激光位移传感器(2)显示的液位高度变化计算试样受热膨胀体积增量。
3.根据权利要求1所述的火炸药体膨胀系数测试装置，其特征在于：所述的腔室(19)、腔室盖(13)、样品腔容积控制元件、测量细管(8)、连接导管(9)、支架(18)所用加工材质为殷钢。
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