CN105842247A - 一种密闭空间内火药燃烧烟雾空间分布特性测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种密闭空间内火焰燃烧烟雾空间分布特性测试装置及方法，该装置由密闭燃烧室、面光源、图像传感器、气源及压强控制装置、点火电源、数据采集处理装置组成。该测试方法通过图像传感器采集火药燃烧前后中的面光源的视频，通过对图像数据处理计算得出火药燃烧生成的烟雾在密闭燃烧室内光学透过率的空间分布以及沉降速率、持续时间等参数，以此来表征火药燃烧生成烟雾的空间分布特性。该装置及方法适用于测试推进剂以及发射药的燃烧生成烟雾的空间分布特性。该发明装置具备结构简单、测试结果稳定、所需测试样品量少等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种火药燃烧烟雾空间分布特性测试装置及方法，适用于火药在密闭空间内烟雾空间分布特性的测试。
背景技术
洁净发射药是我国发射药技术发展的一个重要方向。身管武器在工作过程中，发射药燃烧会产生大量的烟雾。这些烟雾一方面会暴露武器系统的位置，另一方面，对于视频制导系统的二次瞄准造成干扰。身管武器系统的隐身及制导需求要求发射药在配方设计和工艺过程中尽量降低燃烧过程中产生的烟雾。
随着高技术武器的发展，对低特征信号推进剂、清洁燃气发生剂、洁净发射药的需求越来越多，要求也越来越具体。近年来，舰载武器发射后，舰艇内部烟雾长时间无法消散，对于工作人员及电器系统的工作造成极大干扰。新的需求对于发射药(以及推进剂)的烟雾性能指标要求不仅仅在于对透过率的限定，而且也希望对于火药燃烧在烟雾在密闭环境中的持续时间、沉降速度、垂直空间分布等特性进行表征。而目前国内并不具备相应的测试表征手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种密闭空间内火药燃烧烟雾空间分布特性测试装置及方法，适用于推进剂及发射药在密闭空间内烟雾空间分布特性的测试。
本发明中提供的密闭空间内火药燃烧烟雾空间分布特性测试装置，主要由密闭燃烧室、压力调节装置、点火电源、面光源、光学图像传感器、数据采集及处理装置组成；
所述密闭燃烧室具备压力调节接口、点火线接口和样品托架，燃烧室侧面有一对观察窗。
所述压力调节装置由高压氮气瓶、限压阀、开关阀及连接管路组成。
所述点火电源由直流电源组成，输出电流可调节、具备电阻通断检测功能。
所述面光源由光学背景板、辅助光源组成，光学背景板表面为灰白条纹。
所述图像传感器为在镜头前加装窄带滤波片的红外CCD传感器，图像传感器与面光源分别固定于密闭燃烧室观察窗的两侧。
所述数据采集及处理装置为安装图像采集及数据处理软件的工控机，与图像传感器通过数据线相连。
测试方法的主要步骤：
第一步：将测试装置连接通电预热；将称量好的测试样品置于密闭燃烧室的样品托架上，用压力调节装置对密闭燃烧室初始压力进行调节，对面光源的亮度及图像传感器的参数进行调节，连接点火电源。
第二步：将图像传感器的图像采集区域设置为面光源的条纹区域，用数据采集及处理装置控制图像传感器开始采集图像，10秒后用点火电源对测试样品进行点火，待面光源成像稳定后停止图像采集，将采集到的视频文件存储到数据采集及处理装置上。
第三步：对试验采集的视频文件转化为灰度图像序列；逐帧处理图像，将测试样品点火前的图像序列作为基准序列，将基准图像序列的灰度求平均值合成基准图像。
第四步：计算图像序列中的每一帧图像像素的灰度与基准图像的灰度值的比值；计算结果作为该时刻面光源与光学传感器之间的烟雾在对光学信号透过率的空间分布τi(x，y)。
第五步：将烟雾在对光学信号的透过率的空间分布τi(x，y)在水平方向上求均值，可获得即烟雾在垂直方向上的浓度分布。
第六步：将在时间上进行差分运算，可获不同垂直高度y上烟雾浓度的沉降速度
第七步：求解获得在垂直高度y上烟雾的平衡时间。
本发明的优点在于：该装置结构简单，所需样品量少，极大的降低了测试成本；测试范围大，基本涵盖了整个密闭燃烧室内的空间。
附图说明
图1密闭空间内火药燃烧烟雾空间分布特性测试装置示意图，1-密闭燃烧室，2-气源及压力控制装置，3-点火电源，4-面光源、5-图像传感器、6-数据采集及处理装置。
图2密闭燃烧室结构示意图，1-1燃烧室壳体，1-2压力调节接口，1-3观察窗，1-4承力托，1-5样品托架，1-6点火线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步解释说明。
测试现场布置：根据图1所示，连接测试装置，将仪器连接电源，预热半小时。
测试步骤：
1)将称量好的测试样品置于密闭燃烧室1的样品托架1-5上，然后放置于密闭燃烧室中；连接点火电源；用压力调节装置对密闭燃烧室初始压力进行调节；对面光源的亮度及图像传感器的参数进行调节；
2)将图像传感器5的图像采集区域设置为面光源的条纹区域，用数据采集及处理装置6控制图像传感器开始采集图像，10秒后用点火电源对测试样品进行点火，待面光源成像稳定后停止图像采集，将采集到的视频存储到数据采集及处理装置上。
数据处理处理过程：
1)对试验采集的视频文件转化为灰度图像序列；逐帧处理图像，将测试样品点火前的图像序列作为基准序列，将基准图像序列的灰度求平均值合成基准图像。
2)计算图像序列中的每一帧图像像素的灰度与基准图像的灰度值的比值；计算结果作为该时刻面光源与光学传感器之间的烟雾在对光学信号透过率的空间分布τi(x，。
3)将烟雾在对光学信号的透过率的空间分布τi(x,在水平方向上求均值，可获得即烟雾在垂直方向上的浓度分布。
4)将在时间上进行差分运算，可获不同垂直高度y上烟雾浓度的沉降速度
5)求解获得在垂直高度y上烟雾的平衡时间。
本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或近似的结构，而得到的其他结构设计，均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种密闭空间内火药燃烧烟雾空间分布特性测试装置，其特征在于由密闭燃烧室(1)、压力调节装置(2)、点火电源(3)、面光源(4)、光学图像传感器(5)、数据采集及处理装置(6)组成；所述密闭燃烧室(1)具备压力调节接口、点火线接口和样品托架，燃烧室侧面有一对观察窗；所述压力调节装置(2)由高压氮气瓶、限压阀、开关阀及连接管路组成；所述点火电源(3)由直流电源组成，输出电流可调，具备电阻通断检测功能；
所述面光源(4)由光学背景板、辅助光源组成，光学背景板表面为灰白条纹，内部有辅助光源；所述图像传感器(5)为在镜头前加装窄带滤波片的红外CCD传感器，图像传感器(5)与面光源(4)分别固定于密闭燃烧室观察窗两侧；所述数据采集及处理装置(6)为安装图像采集及数据处理软件的工控机，与图像传感器(5)通过数据线相连。
2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于所述密闭燃烧室(1)的壳体材料为1Cr18Bi9Ti；观察窗的材质为光学玻璃，红外及可见波段的透过率大于80％。
3.根据权利要求书1所述的测试装置，其特征在于所述图像传感器(3)的窄带滤波片，通光频段为0.3～0.7μm，或1～3μm波段。
4.一种密闭空间内火药燃烧烟雾空间分布特性测试方法，其特征在于步骤如下：
第一步：将测试装置连接通电预热；将称量好的测试样品置于密闭燃烧室(1)的样品托架上，用压力调节装置(2)对密闭燃烧室初始压力进行调节，对面光源(4)的亮度及图像传感器(5)的参数进行调节，连接点火电源；
第二步：将图像传感器(5)的图像采集区域设置为面光源的条纹区域，用数据采集及处理装置(6)控制图像传感器(5)开始采集图像，10秒后用点火电源(3)对测试样品进行点火，待面光源成像稳定后停止图像采集，将采集到的视频文件存储到数据采集及处理装置(6)上；
第三步：对试验采集的视频文件转化为灰度图像序列；逐帧处理图像，将测试样品点火前的图像序列作为基准序列，将基准图像序列的灰度求平均值合成基准图像；
第四步：计算图像序列中的每一帧图像像素的灰度与基准图像的灰度值的比值；计算结果作为该时刻面光源(2)与光学传感器(3)之间的烟雾在对光学信号透过率的空间分布τi(x，y)；
第五步：将烟雾在对光学信号的透过率的空间分布τi(x，y)在水平方向上求均值，可获得即烟雾在垂直方向上的浓度分布；
第六步：将在时间上进行差分运算，可获不同垂直高度y上烟雾浓度的沉降速度
第七步：求解获得在垂直高度y上烟雾的平衡时间。
5.根据权利要求书4所述的测试方法，其特征在于第一步中，对面光源(4)的亮度及图像传感器(5)的参数进行调节后，面光源成像中灰条纹区域平均灰度与白条纹区域平均灰度的比值在区间[0.5,0.8]内。
6.根据权利要求书4所述的测试方法，其特征在于第四步中，在求得烟雾在对光学信号的透过率的空间分布τi(x，y)后，通过灰白条纹区域透过率的相关运算，消除杂散光的影响。
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