CN106814211A - 一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置包括光信号激发单元、光信号捕捉单元、光电转换单元和数据处理单元；所述光信号激发单元的信号输出端与光信号捕捉单元的信号输入端连接，光信号捕捉单元的信号输出端与光电转换单元的信号输入端连接，所述光电转换单元的信号输出端与数据处理单元的信号输入端连接。本发明采用光纤探头靶捕捉漫反射光源信号的方式，能实现对实验目标发生碰撞前速度值的精密测量，基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置与方法具有结构简单、非接触式、高灵敏度、抗干扰性强、高量程等诸多优异性能。
Description
技术领域
本发明涉及激光测速领域，特别是涉及一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置与方法。
背景技术
现阶段国内外普遍采用空气炮实验来模拟高速设备的发射、运动、碰撞等过程。空气炮高速弹丸发生碰撞前的速度的精密测量，是实验重复性和获得碰撞后相关参数和稳定性能分析的保证，直接关系到实验结果的可靠性。
在现有技术中广泛采用接触靶、线圈靶和光幕靶作为触发计时信号的区截方法。
采用接触靶方案，其特点是需要在弹道上固定一个真实存在的靶面，弹丸通过该靶面时产生信号，用示波器记录跳变时刻，计算速度。该方案原理和结构简单，但测量精度和量程上存在不足。
采用线圈靶方案，其特点是使用螺线管线圈感应其产生的磁信号转换为电信号的装置，采集感应信号出现的时间，计算速度。该方案系统反应灵敏，但在抗干扰性和稳定性上有所欠缺。
采用光幕靶方案，其特点是借助于激光源发出的光转化为光幕。弹丸穿过时引起光通量变化，经光敏元件检测并转换为电信号，放大整形转换为电脉冲信号，计算速度。该方案测量精度高，但存在结构复杂，稳定性不高的缺点。
上述方法的共性都是定距离测时间，但是在机械设计和性能效率方面都有着不同程度的不足。经过对测量速度范围、稳定性、抗干扰性等方面的综合考虑，开发一种结构简单、高灵敏度、抗干扰性强、高量程等诸多优异性能的空气炮弹丸测速装置十分必要。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置与方法，能实现对实验目标发生碰撞前速度值的精密测量，基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置与方法具有结构简单、非接触式、高灵敏度、抗干扰性强、高量程等诸多优异性能。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置包括光信号激发单元、光信号捕捉单元、光电转换单元和数据处理单元；所述光信号激发单元的信号输出端与光信号捕捉单元的信号输入端连接，光信号捕捉单元的信号输出端与光电转换单元的信号输入端连接，所述光电转换单元的信号输出端与数据处理单元的信号输入端连接。
进一步的，所述光信号激发单元包括空气炮弹丸捕捉器、空气炮弹丸和漫反射激光源，所述空气炮弹丸捕捉器为直线非透明材质管道，管道的内径与空气炮弹丸最大直径采用间隙配合，所述漫反射激光源在空气炮弹丸捕捉器同轴心位置且与空气炮弹丸捕捉器出口处维持等效无限远间距。
进一步的，所述空气炮弹丸捕捉器出口内壁处设置两个光纤探头靶安装孔。
进一步的，所述光信号捕捉单元包括前光纤探头靶和后光纤探头靶，前光纤探头靶和后光纤探头靶分别内嵌在空气炮弹丸捕捉器管道内壁设置的两个光纤探头靶安装孔中，其中后光纤探头靶靠近空气炮弹丸捕捉器出口。
进一步的，所述空气炮弹丸作为测速目标，空气炮弹丸的弹头表面经过特殊涂层工艺处理，使空气炮弹丸的弹头表面具有增强漫反射光强的性能，所述空气炮弹丸的弹头表面特殊涂层在空气炮弹丸轴线上的有效长度L1、空气炮弹丸弹头表面特殊涂层的最大直径处的直径前光纤探头靶测量点和后光纤探头靶测量点相对于弹丸捕捉器的轴线距离L2三者之间的关系满足
进一步的，所述空气炮弹丸捕捉器管道内的后光纤探头靶测量点与空气炮弹丸捕捉器出口端面相对于弹丸捕捉器的轴线距离L3和空气炮弹丸捕捉器内壁直径之间满足
进一步的，所述光电转换单元包括两个光电二极管和脉冲发生器，两个光电二极管分别与前光纤探头靶和后光纤探头靶末端相连，两个光电二极管的店电信号输出端分别连接脉冲发生器两端。
进一步的，所述数据处理单元包括包括计时仪、微处理器、存储器和显示器，数据处理单元以微处理器为中心，计时仪、存储器和显示器分别与微处理器相连。
进一步的，所述一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：确定光信号捕捉单元中前光纤探头靶测量点和后光纤探头靶测量点的相对于弹丸捕捉器的轴线距离，同时漫反射激光源将平行于空气炮弹丸运动方向的光连续地导入弹丸捕捉器的弹丸出口管道使平行光能垂直射入弹丸捕捉器内部。
步骤2：空气炮弹丸捕捉器入口捕捉到空气炮弹丸，空气炮弹丸沿着空气炮弹丸捕捉器弹道高速运动，投射在空气炮弹丸弹头表面的光在空气炮弹丸弹头处激发漫反射；
步骤3：空气炮弹丸途径前光纤探头靶时，前光纤探头靶捕捉漫反射光信号，并触发光电二极管，发光电二极管将电信号传送给脉冲发生器，随即脉冲发生器给计时仪开始信号；
步骤4：空气炮弹丸途径后光纤探头靶时，后光纤探头靶捕捉漫反射光信号，并触发光电二极管，发光电二极管将电信号传送给脉冲发生器，随即脉冲发生器给计时仪结束信号；
步骤5：计时仪将时间差数据传送给微处理器，微处理器用前光纤探头靶测量点和后光纤探头靶测量点的相对于弹丸捕捉器的轴线距离除以两通道时间差可计算弹丸出口平均速度，最后微处理器将得出的数据传送给显示器和存储器。
有益效果：本发明的一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置与方法，包括光信号激发单元、光信号捕捉单元、光电转换单元、数据处理和储存单元。能实现对实验目标发生碰撞前速度值的精密测量。采用光纤探头靶捕捉漫反射光源信号的方式在机械机构和稳定性上要优于光幕靶方案，克服了接触式测量法在量程和精度上的不足，在抗干扰性和稳定性上也高于线圈靶方案。综合所述：激光反射式的空气炮弹丸测速装置与方法具有结构简单、非接触式、高灵敏度、抗干扰性强、高量程等诸多优异性能。
附图说明
附图1为本发明的原理结构示意图；
附图2为对光纤探头靶安装孔的位子限定示意图；
附图3为本发明测速装置的速度测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1所示一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置包括光信号激发单元1、光信号激发单元2、光电转换单元3和数据处理单元4；所述光信号激发单元1的信号输出端与光信号激发单元2的信号输入端连接，光信号激发单元2的信号输出端与光电转换单元3的信号输入端连接，所述光电转换单元3的信号输出端与数据处理单元4的信号输入端连接。
光信号激发单元1包括空气炮弹丸捕捉器5、空气炮弹丸6和漫反射激光源10，所述空气炮弹丸捕捉器5为直线非透明材质管道，管道的内径与空气炮弹丸6最大直径采用间隙配合，所述漫反射激光源10在空气炮弹丸捕捉器5同轴心位置且与空气炮弹丸捕捉器5出口处维持等效无限远间距，等效无限远间距的具体数值的是指间距要远于空气炮弹丸6飞出空气炮弹丸捕捉器5之后的运动轨迹刚好与漫反射激光源10不相交时漫反射激光源10所在的位置。
空气炮弹丸捕捉器5出口内壁处设置两个光纤探头靶安装孔，本实施案例中，两个光纤探头靶安装孔的连线与空气炮弹丸捕捉器5轴线平行。
光信号捕捉单元2包括前光纤探头靶7和后光纤探头靶8，前光纤探头靶7和后光纤探头靶8分别内嵌在空气炮弹丸捕捉器5管道内壁设置的两个光纤探头靶安装孔中，其中后光纤探头靶8靠近空气炮弹丸捕捉器5出口。
空气炮弹丸6作为测速目标，空气炮弹丸6的弹头表面经过特殊涂层工艺处理，使空气炮弹丸6的弹头表面具有增强漫反射光强的性能。
如附图1和2所示，前光纤探头靶7测量点和后光纤探头靶8测量点相对于弹丸捕捉器5的轴线距离L2无限接近零时，空气炮弹丸6的瞬间速度测量值最为精确，但为了保证空气炮弹丸6有足够的漫反射强度，空气炮弹丸6弹头表面强化涂层需要保证一定的轴向长度L1，通过大量实验表明，当空气炮弹丸6的弹头表面的特殊涂层的轴线长度L1和特殊涂层最大直径处的直径不变的情况下，L2如果小于一定数值会造成系统误差突变，所以为了最大限度消除系统误差，L2的值需要对其进行范围限定，本发明通过理论推导并结合大量实验对L2的值进行如下限定：所述空气炮弹丸6的弹头表面特殊涂层在空气炮弹丸6轴线上的有效长度L1、空气炮弹丸6弹头表面特殊涂层的最大直径处的直径前光纤探头靶7测量点和后光纤探头靶8测量点相对于弹丸捕捉器的轴线距离L2三者之间的关系满足
如附图1和2所示，后光纤探头靶8测量点与空气炮弹丸捕捉器5出口端面的垂直距离L3无限接近零时，所得到的空气炮弹丸6离开空气炮弹丸捕捉器5时的初速度最真实，但是随着L3的变小，光电二极管受环境光源的干扰会越大，直接影响实验的有效实施，为了最大限度消除干扰和最大限度保证测量值的真实性，L3的值需要对其进行范围限定，本发明通过理论推导并结合大量实验对L3的值进行如下限定：空气炮弹丸捕捉器5管道内的后光纤探头靶8测量点与空气炮弹丸捕捉器5出口端面相对于弹丸捕捉器的轴线距离L3和空气炮弹丸捕捉器5内壁直径之间满足
光电转换单元3包括两个光电二极管9和脉冲发生器，两个光电二极管9分别与前光纤探头靶7和后光纤探头靶8末端相连，两个光电二极管9的电信号输出端分别连接脉冲发生器两端。
数据处理单元4包括包括计时仪、微处理器、存储器和显示器，数据处理单元4以微处理器为中心，计时仪、存储器和显示器分别与微处理器相连。
附图3为本实施例中测速装置的速度测量方法的流程图。
如附图3所示，一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置的速度测量方法包括以下步骤：
步骤1：确定光信号激发单元2中前光纤探头靶7测量点和后光纤探头靶8测量点的相对于弹丸捕捉器的轴线距离，同时漫反射激光源将平行于空气炮弹丸运动方向的光连续地导入弹丸捕捉器的弹丸出口管道使平行光能垂直射入弹丸捕捉器内部。
步骤2：空气炮弹丸捕捉器5入口捕捉到空气炮弹丸，空气炮弹丸沿着空气炮弹丸捕捉器5弹道高速运动，投射在空气炮弹丸6弹头表面的光在空气炮弹丸弹头处激发漫反射；
步骤3：空气炮弹丸途径前光纤探头靶7时，前光纤探头靶7捕捉漫反射光信号，并触发光电二极管9，发光电二极管9将电信号传送给脉冲发生器，随即脉冲发生器给计时仪开始信号；
步骤4：空气炮弹丸途径后光纤探头靶8时，后光纤探头靶8捕捉漫反射光信号，并触发光电二极管9，发光电二极管9将电信号传送给脉冲发生器，随即脉冲发生器给计时仪结束信号；
步骤5：计时仪将时间差数据传送给微处理器，微处理器用前光纤探头靶7测量点和后光纤探头靶8测量点的相对于弹丸捕捉器的轴线距离除以两通道时间差可计算弹丸出口平均速度，最后微处理器将得出的数据传送给显示器和存储器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置，其特征在于：包括光信号激发单元(1)、光信号捕捉单元(2)、光电转换单元(3)和数据处理单元(4)；所述光信号激发单元(1)的信号输出端与光信号捕捉单元(2)的信号输入端连接，光信号捕捉单元(2)的信号输出端与光电转换单元(3)的信号输入端连接，所述光电转换单元(3)的信号输出端与数据处理单元(4)的信号输入端连接。
2.根据权利要求(1)所述的一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置，其特征在于：所述光信号激发单元(1)包括空气炮弹丸捕捉器(5)、空气炮弹丸(6)和漫反射激光源(10)，所述空气炮弹丸捕捉器(5)为直线非透明材质管道，管道的内径与空气炮弹丸(6)最大直径采用间隙配合，所述漫反射激光源(10)在空气炮弹丸捕捉器(5)同轴心位置且与空气炮弹丸捕捉器(5)出口处维持等效无限远间距。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置，其特征在于：所述空气炮弹丸捕捉器(5)出口内壁处设置两个光纤探头靶安装孔。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置，其特征在于：所述光信号捕捉单元(2)包括前光纤探头靶(7)和后光纤探头靶(8)，前光纤探头靶(7)和后光纤探头靶(8)分别内嵌在空气炮弹丸捕捉器(5)管道内壁设置的两个光纤探头靶安装孔中，其中后光纤探头靶(8)靠近空气炮弹丸捕捉器(5)出口。
5.根据权利要求2或4所述的一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置，其特征在于：所述空气炮弹丸(6)作为测速目标，空气炮弹丸(6)的弹头表面经过特殊涂层工艺处理，使空气炮弹丸(6)的弹头表面具有增强漫反射光强的性能，所述空气炮弹丸(6)的弹头表面特殊涂层在空气炮弹丸(6)轴线上的有效长度L1、空气炮弹丸(6)弹头表面特殊涂层的最大直径处的直径前光纤探头靶(7)测量点和后光纤探头靶(8)测量点相对于弹丸捕捉器的轴线距离L2三者之间的关系满足
6.根据权利要求2或4所述的一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置，其特征在于：所述空气炮弹丸捕捉器(5)管道内的后光纤探头靶(8)测量点与空气炮弹丸捕捉器(5)出口端面相对于弹丸捕捉器的轴线距离L3和空气炮弹丸捕捉器(5)内壁直径之间满足
7.根据权利要求1或4所述的一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置，其特征在于：所述光电转换单元(3)包括两个光电二极管(9)和脉冲发生器，两个光电二极管(9)分别与前光纤探头靶(7)和后光纤探头靶(8)末端相连，两个光电二极管(9)的电信号输出端分别连接脉冲发生器两端。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置，其特征在于：数据处理单元(4)包括包括计时仪、微处理器、存储器和显示器，数据处理单元(4)以微处理器为中心，计时仪、存储器和显示器分别与微处理器相连。
9.根据权利要求1所述的一种基于激光反射式的空气炮弹丸测速装置的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：确定光信号激发单元2中前光纤探头靶(7)测量点和后光纤探头靶(8)测量点的相对于弹丸捕捉器的轴线距离，同时漫反射激光源将平行于空气炮弹丸运动方向的光连续地导入弹丸捕捉器的弹丸出口管道使平行光能垂直射入弹丸捕捉器内部。
步骤2：空气炮弹丸捕捉器(5)入口捕捉到空气炮弹丸，空气炮弹丸沿着空气炮弹丸捕捉器(5)弹道高速运动，投射在空气炮弹丸(6)弹头表面的光在空气炮弹丸弹头处激发漫反射；
步骤3：空气炮弹丸途径前光纤探头靶(7)时，前光纤探头靶(7)捕捉漫反射光信号，并触发光电二极管(9)，发光电二极管(9)将电信号传送给脉冲发生器，随即脉冲发生器给计时仪开始信号；
步骤4：空气炮弹丸途径后光纤探头靶(8)时，后光纤探头靶(8)捕捉漫反射光信号，并触发光电二极管(9)，发光电二极管(9)将电信号传送给脉冲发生器，随即脉冲发生器给计时仪结束信号；
步骤5：计时仪将时间差数据传送给微处理器，微处理器用前光纤探头靶(7)测量点和后光纤探头靶(8)测量点的相对于弹丸捕捉器的轴线距离除以两通道时间差可计算弹丸出口平均速度，最后微处理器将得出的数据传送给显示器和存储器。
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