CN106768628A - 一种用于校准压力响应膜片的激波管安装结构与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种校准压力响应膜片的激波管安装结构与方法，属于动态校准领域。具体包括一种压力响应膜片校准结构，可安装于激波管末端，校准压力响应膜片。该结构包括安装座(1)、膜片夹紧盖板(2)、压力响应膜片(3)、激波管夹紧件(4)、压力传感器(5)、压力传感器安装孔(6)、压力响应膜片密封凹槽(7)、螺孔(8)、螺钉(9)。本发明还包括一种压力响应膜片校准方法，该方法通过10种不同的激波管夹膜对10个的压力响应膜片进行校准，通过传感器压力值求出作用于压力响应膜片(3)上的入射压力，测得压力响应膜片(3)的最大挠度，可拟合出挠度随入射压力峰值变化的关系式，进而使用压力响应膜片测量爆炸场冲击波压力。

Description

一种用于校准压力响应膜片的激波管安装结构与方法

技术领域

本发明属于动态校准领域，主要涉及一种用于校准压力响应膜片的激波管安装结构及校准方法。

背景技术

爆炸冲击波超压是衡量爆炸威力的重要参量，也是造成目标毁伤的重要因素，对超压的测量可采用等效压力罐法、等效靶板法、生物试验法、电测法等。目前国内外普遍采用电测法，其优点是精确性高，能够反映整个变化过程，便于信号存储记录，缺点是容易受到干扰，高温、高冲击和电磁环境等因素作用于电测系统，会产生较强的寄生效应，需要对其进行动态补偿或修正,而且电测法布线繁杂，成本较高，在大型爆炸场中多测点布设较为困难，尤其对于一些复杂环境如沟壑、丘陵地带几乎无法开展。

鉴于电测法的缺点，可采用压力响应膜片测试法作为获取冲击波参数的另一种途径，它一般采用不同厚度的矩形或圆形金属薄膜，根据爆炸载荷作用后薄膜的塑性变形来评价爆炸威力，尤其是采用一些轻质材料(如铝合金等)时，其在不同强度爆炸载荷作用下的变形差异明显，且结果的重复性较好，可作为一种装配简单、成本低廉的测试手段，避免现有电测系统丢失数据的风险。然而对于压力响应膜片测试方法，鲜有理论研究其变形与冲击波的关系，通常只根据其最大挠度对冲击波的量值大小定性比较，而没有将最大挠度与冲击波压力联系起来，从而压力响应膜片只能用作冲击波大小的表而不能作为冲击波压力的测量工具，建立一种理论或者方法获得压力响应膜片最大挠度与冲击波压力关系迫在眉睫。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种安装结构及校准方法，该安装结构能够安装在激波管末端校准压力响应膜片，该校准方法可获取冲击波压力与压力响应膜片最大挠度的关系。

为了解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：

1.一种用于校准压力响应膜片的激波管安装结构,包括传感器及压力响应膜片安装座、膜片夹紧盖板、压力响应膜片、激波管夹紧件、压力传感器、压力传感器安装孔、压力响应膜片密封凹槽、螺孔、螺钉，其特征在于：

所述传感器及压力响应膜片安装座，采用不锈钢材料，变截面柱体。端面有压力传感器安装孔用于安装压力传感器，压力传感器安装后感压面与安装座上端面平齐；上端面设置有压力响应膜片密封凹槽，凹槽为柱状，凹槽直径与待校准压力响应膜片的工作直径相同，凹槽周围均匀分布6个螺孔；

所述压力响应膜片，材质为软铝，直径与所述安装座上端面相等，贴合于该安装座上端面，在压力传感器及螺钉所在位置开孔；

所述膜片夹紧盖板，采用不锈钢材料，直径与所述传感器及压力响应膜片安装座上端面相等，在压力传感器、压力响应膜片密封凹槽及螺钉所在位置开孔，其中对应的压力传感器位置开孔后填充凡士林用于传感器感压面隔热，螺钉位置孔为阶梯孔，膜片夹紧盖板贴合于压力响应膜片上表面；

所述传感器及压力响应膜片安装座、压力响应膜片及所述膜片夹紧盖板通过螺钉、螺孔配合连接为组合体；

所述激波管夹紧件通过螺栓与螺母配合与激波管连接，将上述组合体夹紧于激波管末端；

优选的，上述一种用于校准压力响应膜片的激波管安装结构,其特征在于，所述传感器及压力响应膜片安装座上端面直径50mm，用于配合内径50mm激波管；

优选的，上述一种用于校准压力响应膜片的激波管安装结构,其特征在于，所述压力响应膜片工作直径30mm；

优选的上述一种用于校准压力响应膜片的激波管安装结构,其特征在于，所述压力响应膜片密封凹槽深度不小于15mm。

2.一种使用所述安装结构的用于校准压力响应膜片的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：用激波管标定压力响应膜片

激波管高压段连接12MPa氮气瓶，将权利要求书1所述激波管安装结构安装于激波管末端，用压力传感器测量激波管末端的反射压力；为了得到压力与压力响应膜片变形的规律，更换压力响应膜片改变激波管夹膜类型及厚度进行10次校准，每次校准都更换相同的压力响应膜片。其中膜片类型如下表：

步骤二：压力数据采集与处理

通过传感器数据采集系统可采集到得每一次激波管校准中传感器的响应，该内径50mm氮气激波管所产生的激波有2ms的压力平台，可读取每一次校准的平台压力值记为p_i(i＝1,2,3…10)，该平台压力为反射压，通过下式计算对应的正入射压的值ΔP_i(i＝1,2,3…10)；入射压与反射压的关系为

式中，p₀为大气压；

步骤三：压力响应膜片最大挠度获取

通过深度尺测得10次校准中每一次的压力响应膜片变形后凹坑的最大挠度记为y_i(i＝1,2,3…10)；

步骤四：参数拟合

根据ΔP_i(i＝1,2,3…10)和y_i(i＝1,2,3…10)，通过最小二乘线性拟合可求出函数y_i＝f(ΔP_i)。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

一、本发明所述结构，可用于压力响应膜片的动态校准，获得压力响应膜片最大挠度与压力峰值的关系

二、根据压力响应膜片最大挠度与压力峰值的关系可使用压力响应膜片测量爆炸场冲击波压力

附图说明

图1是本发明校准压力响应膜片的激波管安装结构组成示意图,图中标号分别代表：1-安装座，2-膜片夹紧盖板，3-压力响应膜片，4-激波管夹紧件,5-压力传感器6-压力传感器安装孔,7-压力响应膜片密封凹槽,8-螺孔，9-螺钉；

图2是第9次校准压力传感器的响应曲线；

图3是实施例中压力响应膜片最大挠度与压力峰值的关系。

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。

遵从上述技术方案，如图1所示，本发明的第一优选实施方案为：传感器及压力响应膜片安装座上端面与下端面直径50mm，总长26mm，中间直径较大的部分直径为59mm，长5mm。压力响应膜片密封凹槽直径30mm，深23mm。安装座上留有PCB113A26压力传感器安装孔。压力响应膜片密封凹槽周围均匀分布有6个M3螺孔。

膜片夹紧盖板厚度4mm，压力传感器对应位置处开孔直径为7mm，用凡士林填充，完全填充后凡士林与盖板端面平齐；压力响应膜片对应位置开孔直径为30mm，压力响应膜片开孔位置周围均匀分布有6个台阶状孔，用于安装M3螺钉。

压力响应膜片直径为50mm，工作直径30mm。压力传感器对应位置处开孔直径为7mm，在6个螺钉安装对应位置开孔直径为3mm。

将PCB113A26传感器安装在传感器及压力响应膜片安装座对应位置，依次放置压力响应膜片和膜片夹紧盖板，并用螺钉紧密连接。将连接后的组合结构放入内径50mm激波管末端，通过激波管夹紧件紧固在激波管管体上，激波管夹紧件与激波管通过6个螺栓和螺母连接。

一种使用所述安装结构的用于校准压力响应膜片的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：用激波管标定压力响应膜片

激波管高压段连接12MPa氮气瓶，将权利要求书1所述激波管安装结构安装于激波管末端，用压力传感器测量激波管末端的反射压力；为了得到压力与压力响应膜片变形的规律，更换压力响应膜片改变激波管夹膜类型及厚度进行10次校准，每次校准都更换相同的压力响应膜片。其中膜片类型如下表：

步骤二：压力数据采集与处理

通过传感器数据采集系统可采集到得每一次激波管校准中传感器的响应，该内径50mm氮气激波管所产生的激波有2ms的压力平台，可读取每一次校准的平台压力值记为p_i(i＝1,2,3…10)，该平台压力为反射压，通过下式计算对应的正入射压的值ΔP_i(i＝1,2,3…10)。入射压与反射压的关系为

式中，p₀为大气压；

步骤三：压力响应膜片最大挠度获取

可通过深度尺测得10次校准中每一次的压力响应膜片变形后凹坑的最大挠度记为y_i(i＝1,2,3…10)；

步骤四：参数拟合

根据ΔP_i(i＝1,2,3…10)和y_i(i＝1,2,3…10)，通过最小二乘线性拟合可求出函数y_i＝f(ΔP_i)。

实施例1

使用厚度为0.2mm软铝作为被校准压力响应膜片，其工作直径为30mm，PCB113A26为校准用压力传感器，该传感器灵敏度为1.37V/MPa。将压力传感器安装在传感器及压力响应膜片安装座上，安装座与膜片夹紧盖板通过螺钉连接并夹紧压力响应膜片，将整个安装结构安装在内径50mm激波管末端，将传感器与传感器数据采集系统连接。按照下述步骤完成校准：

步骤一：用激波管标定压力响应膜片

激波管高压段连接12MPa氮气瓶，将校准用激波管安装结构安装于激波管末端，用压力传感器测量激波管末端的反射压力；为了得到压力与压力响应膜片变形的规律，更换压力响应膜片改变激波管夹膜类型及厚度进行10次校准，每次校准都更换相同的压力响应膜片。其中膜片类型如下表：

步骤二：压力数据采集与处理

通过传感器数据采集系统可采集到得每一次激波管校准中传感器的响应，该内径50mm氮气激波管所产生的激波有2ms的压力平台，可读取每一次校准的平台压力值记为p_i(i＝1,2,3…10)，该平台压力为反射压，通过下式子计算对应的正入射压的值ΔP_i(i＝1,2,3…10)，其中第9次校准压力传感器的响应曲线如图2。入射压与反射压的关系为

其中，p₀为大气压。压力采集数据及处理后数据如下表：

次数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											pi/MPa	0.1	0.24	0.30	0.52	0.68	0.9	1	1.14	1.23	1.28
ΔPi/MPa	0.043	0.090	0.107	0.165	0.203	0.251	0.300	0.318	0.318	0.327

步骤三：压力响应膜片最大挠度获取

通过深度尺测得10次校准中每一次的压力响应膜片变形后凹坑的最大挠度记为y_i(i＝1,2,3…10)。

次数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											yi/mm	1.3	2.4	3	4	5	6.3	7	7.5	8	8.4

步骤四：参数拟合

根据ΔP_i(i＝1,2,3…10)和y_i(i＝1,2,3…10)，通过最小二乘线性拟合可求出函数

y_i＝f(ΔP_i)＝0.0405ΔP_i-0.0067。

Claims (6)

1.一种用于校准压力响应膜片的激波管安装结构,该结构包括传感器及压力响应膜片安装座(1)、膜片夹紧盖板(2)、压力响应膜片(3)、激波管夹紧件(4)、压力传感器(5)、压力传感器安装孔(6)、压力响应膜片密封凹槽(7)、螺孔(8)、螺钉(9)，其特征在于：

所述传感器及压力响应膜片安装座(1)，采用不锈钢材料，变截面柱体，端面设置压力传感器安装孔(6)，压力传感器安装孔(6)用于安装压力传感器(5)，压力传感器(5)安装后压力传感器(5)感压面与安装座(1)上端面平齐，安装座(1)的上端面设置压力响应膜片密封凹槽(7)，凹槽(7)为柱状，凹槽(7)直径与待校准压力响应膜片(3)的工作直径相同，凹槽(7)周围均匀分布6个螺孔(8)；

所述压力响应膜片(3)，材质为软铝，直径与安装座(1)上端面相等，贴合于安装座(1)上端面，在压力传感器(5)及螺钉(9)对应位置开孔；

所述膜片夹紧盖板(2)，采用不锈钢材料，直径与安装座(1)上端面相等，在压力传感器(5)、压力响应膜片密封凹槽(7)及螺钉(9)所在位置开孔，其中对应的压力传感器(5)位置开孔后填充凡士林，螺钉(9)孔为阶梯孔，膜片夹紧盖板(2)贴合于压力响应膜片(3)上表面；

所述压力传感器(5)、压力响应膜片安装座(1)、压力响应膜片(3)及所述膜片夹紧盖板(2)通过螺钉(9)、螺孔(8)配合连接为组合体；

所述激波管夹紧件(4)通过螺栓与螺母配合与激波管连接，将所述组合体夹紧于激波管末端。

2.根据权利要求书1所述一种用于校准压力响应膜片的激波管安装结构,其特征在于，所述传感器(5)及压力响应膜片安装座(1)上端面直径50mm，用于配合内径50mm激波管。

3.根据权利要求书1所述一种用于校准压力响应膜片的激波管安装结构,其特征在于，所述压力响应膜片(3)工作直径30mm。

4.根据权利要求书1所述一种用于校准压力响应膜片的激波管安装结构,其特征在于，所述压力响应膜片密封凹槽(7)深度不小于15mm。

5.一种使用如权利要求书1所述安装结构的用于校准压力响应膜片的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：用激波管标定压力响应膜片

激波管高压段连接12MPa氮气瓶，将所述激波管安装结构安装于激波管末端，用压力传感器测量激波管末端的反射压力；更换压力响应膜片改变激波管夹膜类型及厚度进行10次校准得到压力与压力响应膜片变形的规律，每次校准都更换相同的压力响应膜片；其中膜片类型如下表：

步骤二：压力数据采集与处理

通过压力传感器数据采集系统采集到得每一次激波管校准中压力传感器(5)的数据，该内径50mm氮气激波管所产生的激波有2ms的压力平台，读取每一次校准的平台压力值，平台压力值记为p_i(i＝1,2,3…10)，所述平台压力为反射压，通过下述公式计算对应的正入射压ΔP_i(i＝1,2,3…10)；入射压与反射压的关系为

$p_i=2{\mathrm{\ΔP}}_i+\frac{6{\mathrm{\ΔP}}_i^2}{7p_0+{\mathrm{\ΔP}}_i}$

式中，p₀为大气压；

步骤三：压力响应膜片最大挠度获取

通过深度尺测得10次校准中每一次的压力响应膜片(3)变形后凹坑的最大挠度记为y_i(i＝1,2,3…10)；

步骤四：参数拟合

根据ΔP_i(i＝1,2,3…10)和y_i(i＝1,2,3…10)，通过最小二乘线性拟合得到函数关系：y_i＝f(ΔP_i)。

6.根据权利要求书5所述一种用激波管校准压力响应膜片的方法，其特征在于，用于校准正入射压区间为0.04MPa-0.35MPa。