CN106918297A - 一种注装火炸药装药结构损伤实时监测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种注装火炸药装药结构损伤实时监测的方法，该方法以光纤光栅传感技术为基础，将光纤光栅传感器埋装在火炸药装药内部，对火炸药装药的应力应变及温度进行实时监测。该方法首先将光纤光栅传感器沿轴向放置在火炸药装药模具内部，光纤光栅传感器的放置间隔距离为10‑20cm，然后按照注装火炸药生产工艺流程，将光纤光栅传感器沿轴向固定在火炸药装药内部，最后通过光纤光栅传感解调器和计算机对火炸药装药的应力应变及温度进行实时监测，通过应力应变的变化反映火炸药装药结构损伤情况。本发明提供的监测方法在易燃易爆环境下使用可靠性高，寿命长，能对注装火炸药装药进行长期无损检测，克服了背景技术无法实时监测、检测时间长的缺陷。

Description

一种注装火炸药装药结构损伤实时监测的方法

技术领域

本发明涉及一种注装火炸药装药结构损伤实时监测的方法，尤其涉及一种以光纤光栅传感技术为基础，按照注装火炸药生产工艺流程，即火炸药装药进行捏合、浇注或熔注、最后通过固化将光纤光栅传感器固定在火炸药装药内部，对火炸药装药的结构损伤进行无损实时监测的方法。

背景技术

注装火炸药按生产工艺主要分为两类，浇注火炸药和熔注火炸药。其中，浇注火炸药以PBX炸药为典型代表，该类炸药具有较高的能量密度、机械强度，较低的感度，且能量可在一定范围内适当调节。主要应用于导弹战斗部、大口径爆破弹、水中武器和核战斗部起爆装置。熔注火炸药的典型代表是TNT与RDX以各种比例组成的混合炸药，英、美称为B炸药。由于熔注炸药成本低廉、成型性能好、自动化程度高，其在军用混合炸药中的地位还无可替代。美、英、法、徳等西方国家，大量用此类炸药装填各种榴弹、破甲弹、航弹、地雷及部分导弹战斗部。

火炸药及其制品从生产至使用往往要经过一段运输和贮存时间，特别是军用火炸药有较长的贮存期。即使在正常保管条件下，火炸药也会发生一定程度的化学变化或物理变化，导致火炸药内部出现结构损伤。这些变化不仅可能会改变火炸药的爆炸性能，从而影响正常使用，而且还可能发生燃烧和爆炸事故，对火炸药勤务处理及其使用安全性产生重大影响。现今，火炸药装药尺寸越来越大，造价成本越来越高，解剖装药进行结构损伤检测的方法已逐渐被弃用，火炸药装药结构损伤的无损检测技术研究迫在眉睫。目前，有一些针对火炸药装药的无损检测方法。但是，这些方法测试时间长，无法做到实时监测。对于火炸药结构损伤进行无损实时监测一直是一个难题。

近年来，光纤光栅传感器发展迅猛。光纤光栅传感器可将被测的外界信息(外界温度和应力的变化)转化为共振/反射波长的移动，而与入射光的强度，各种连接器的损耗无关。同时还可以方便地将多只光栅复用，多个光纤光栅传感器只需一根数据总线，即可实现对物理量的分布式测量，尤其适用于复合材料的传感网络。这是其他传感器无法比拟的。此外，光纤光栅传感器还具有不受电磁干扰、灵敏度高、重量轻、结构紧凑、适于在高温、腐蚀性或危险环境下使用的特点，适用于特殊网络结构的传感网络。由于光纤光栅传感器对应变和温度的灵敏度较高，也可以采用光强解调，解调系统较简单，因而受到各国军方的重视。

其中，NASA使用常温、低温条件下运行的光纤光栅传感器监测复合材料高压容器的应力、温度和压力情况。为了实时监测航天器结构系统的安全性可靠性，NASA集中了大量的人力物力研究和开发结构健康管理技术，光纤传感技术是他们的首选技术，兰利研究中心开发的光纤光栅系统在一条光纤里可串联高达上千个传感器。德国使用光纤光栅温度、应力传感器监测飞行器结构收到的温度变化和压力情况。目前光纤光栅传感器在军事方面主要应用于飞行器和海军舰队材料结构的健康监测，在火炸药结构损伤实时监测方面使用较少。

光纤光栅传感器在易燃易爆环境下使用可靠性高，寿命长，能进行长期安全监测，响应时间快，且光纤裸栅直径只有150-200μm，不会破坏装药内部的结构完整性，可做到无损检测，适用于火炸药装药结构损伤实时监测。目前火炸药装药结构损伤检测方法主要是CT检测。例如《工业X射线CT在火工品检测中的应用》，火工品，1003-1480(2000)03-0048-05.中公开了一种CT检测火炸药装药结构的方法，该方法可清楚的看到火炸药装药内部结构损伤情况。虽然CT检测法可对火炸药装药进行无损检测，但X射线扫描时间较长，无法做到实时监测，且无法在贮存火炸药的库房内直接进行检测，火炸药搬运过程中，增加了危险性。

发明内容

为了克服背景技术中存在的不足，本发明提供一种使用可靠性高，能从火炸药装药内部进行长期安全无损检测，且响应时间快的火炸药装药结构损伤实时监测方法。

本发明提供的一种注装火炸药装药结构损伤实时的无损监测方法，包括以下步骤：

A、选择波长范围在1510nm-1590nm的Single FBG带fc/apc接口的裸栅光纤光栅传感器，使用光纤熔接机将多个传感器串联在同一根光纤上；

B、将步骤A串联后的光纤光栅传感器沿轴向放置在装药模具内部中心处。以火炸药装药中心放置的串联光纤光栅传感器的光纤为原点，根据装药半径每间隔0-10cm沿轴向放置四根串联光纤光栅传感器的光纤，不相邻两根串联光纤光栅传感器的光纤端点的连线过装药中心且相互正交，如图2所示，图2(a)为光纤光栅传感器在装药内部的埋装示意图，图2(b)为沿装药轴向的俯视图。1为光纤；2为注装火炸药装药；3为光纤光栅传感器。按照注装火炸药生产工艺流程，即火炸药装药进行捏合、浇注或熔注、最后通过固化将光纤光栅传感器固定在火炸药装药内部；

C、将步骤B在装药内部固定好的光纤光栅传感器与光纤光栅传感解调器和计算机连接，组成监测系统，计算机定时对从光纤光栅传感解调器传回的装药内部的光纤光栅传感器波长测量值λ进行采集。通过下列两个公式，将光纤光栅传感器波长测量值分别转换为温度和应力应变数据。T＝(λ－λ₀)×1000/a+T₀。ε＝(λ－λ₀)×1000/b。式中，T为温度。λ为传感器波长测量值。λ₀为传感器初始波长。a为温度转换系数，等于常数10nm/℃。T₀为初始温度。ε为应力应变。b为应力应变转换系数，等于常数1.2nm/με。最终通过origin数据处理软件将应力应变及温度数据绘制成曲线图。根据应力应变曲线图对注装火炸药装药的结构损伤进行实时监测。数据采集时间间隔可自行调整，最小间隔为2ms。

本发明的步骤A的光纤光栅传感器的最优放置间隔距离为10-20cm。该距离可有效避免光纤光栅传感器信号叠加，增强数据的可靠性，避免结构损伤漏检。

本发明步骤B的光纤光栅传感器通过注装火炸药生产工艺流程固定在火炸药装药内部。从火炸药内部进行监测可以更加准确的获得装药内部的结构变化情况。若装药半径小于5cm，则只在装药中心沿轴向放置串联光纤光栅传感器的光纤；

本发明可应用于火炸药热加速老化试验、环境适应性试验及自然长贮监测。

本发明的优点：与现有技术相比，本发明可进行长期无损实时监测，且监测过程更安全，响应时间快，有利于降低测试危险。

附图说明

图1光纤光栅传感监测方法流程图。

图2光纤光栅传感器埋装示意图。

图3 85℃下光纤光栅传感器应力应变数据曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

研究对象为本单位研发的新型凝胶态火炸药，对其进行热加速老化试验。新型凝胶态火炸药常温状态时为凝胶态，当环境温度改变时其凝胶态可能发生变化，导致体系内部装药结构发生改变。传统的检测方法为CT检测。该方法检测时间长，无法做到实时监测，且无法在贮存火炸药的库房内直接进行检测，搬运过程中，增加了危险性。通过光纤光栅传感监测系统可以监测密闭容器中新型凝胶态火炸药体系内部应力/应变的变化，样品无需搬用，检测过程实现人机隔离，确保实验人员安全，且检测结果更加快速。如图1所示，本发明提供的火炸药装药结构损伤实时监测方法包括，光纤光栅传感器的选择、固定、搭建光纤光栅传感监测系统等步骤：

A、选择初始波长λ₀范围在1510nm-1590nm的Single FBG带fc/apc接口的光纤光栅传感器，使用光纤熔接机将两个传感器熔接在同一条光纤上。为提高数据的可靠性，同一条光纤上串联的传感器的初始波长λ₀应相差10nm左右。由于装药长度为14cm，故选取传感器间隔为10cm；

B、由于新型凝胶态火炸药中的主要成分硝酸异丙酯易挥发，故将样品装在由316不锈钢制成的密封容器中。由于密封容器半径为1.5cm，故将步骤A串联后的光纤光栅传感器沿轴向放置在装药模具中心处，并将已制备好的新型凝胶态火炸药注入密封容器中。由于光纤裸栅较细，直径只有150-200μm。为防止注装过程中光纤断裂，将光纤放入直径为0.03mm医用针头中，火炸药装药注装完成后将医用针头抽出。使光纤光栅传感器直接与装药接触，经固化后将光纤光栅传感器固定在新型凝胶态火炸药装药内部；

C、将步骤B在装药内部固定好的光纤光栅传感器通过密封盖中央Ф4的孔洞穿出与MOI公司生产的sm130型光纤光栅传感解调器和计算机连接，组成监测系统。其中，Ф4的孔洞使用不与硝酸异丙酯反应的环氧胶密封。密封盖由6个M6螺钉固定。将密封容器放入85℃加热炉内，计算机定时对从光纤光栅传感解调器传回的装药内部的光纤光栅传感器波长测量值λ进行采集。通过公式，ε＝(λ－λ₀)×1000/b。式中，λ为传感器波长测量值。λ₀为传感器初始波长。ε为应力应变。b为应力应变转换系数，等于常数1.2nm/με。将光纤光栅传感器波长测量值转换为应力应变数据，最终通过origin数据处理软件将应力应变数据绘制成曲线图。根据应力应变曲线图对新型凝胶态火炸药的结构损伤进行实时监测。因为热加速老化试验周期较长，为避免数据文件过大，导致后期绘图不便，故数据采集时间间隔选择10min。本实施例中，1^#光纤光栅传感器初始波长为1570.20nm，2^#光纤光栅传感器初始波长为1546.03nm。由于测试数据点较多，无法全部列出。表1为出现结构损伤部分的测试数据。

表1光纤光栅传感器波长采集及应力应变数据换算结果

图2(a)为1^#光纤光栅传感器的应力应变曲线，图2(b)为2^#光纤光栅传感器的应力应变曲线。由图2可以看出，由于加热炉加热不均匀，密封容器底部温度较高，导致靠近密封容器底部2^#传感器的微应变大于1^#传感器。图2(a)随着老化时间的延长，1^#传感器微应变波动在10με左右，基本保持不变，说明该部分装药内部结构基本完整。图2(b)2^#传感器的微应变出现异常点，微应变下降明显，说明该部分装药内部结构出现损伤。

实施例2：

由于光纤光栅传感器对应力应变和温度同时响应，为确保测试结果的准确性，在使用光纤光栅传感器测量环境温度时需对其进行封装，以排除应变对测试结果的影响。封装温度传感器所使用的管材内径应大于光纤光栅的外径，并且尽可能的减小对装药内部结构和力学性能的影响。经市场调研及试验论证，最终选取直径为0.03mm的医用针头封装光纤光栅传感器。封装时，将光纤光栅传感器放入医用针头内，两端使用环氧胶密封，静置12小时固化。

A、选择初始波长λ₀范围在1510nm-1590nm的Single FBG带fc/apc接口的光纤光栅传感器，使用医用针头对其进行封装；

B、由于新型凝胶态火炸药中的主要成分硝酸异丙酯易挥发，故将样品装在由316不锈钢制成的密封容器中。由于密封容器半径为1.5cm，故将步骤A中的光纤光栅传感器沿轴向放置在装药模具中心处，并将已制备好的新型凝胶态火炸药注入密封容器中，经固化后将光纤光栅传感器固定在新型凝胶态火炸药装药内部；

C、将步骤B在装药内部固定好的光纤光栅传感器通过密封盖中央Ф4的孔洞穿出与MOI公司生产的sm130型光纤光栅传感解调器和计算机连接，组成监测系统。其中，Ф4的孔洞使用不与硝酸异丙酯反应的环氧胶密封。密封盖由6个M6螺钉固定。将密封容器放入85℃加热炉内，计算机定时对从光纤光栅传感解调器传回的装药内部的光纤光栅传感器波长测量值λ进行采集。通过公式，T＝(λ－λ₀)×1000/a+T₀。式中，T为温度。λ为传感器波长测量值。λ₀为传感器初始波长。a为温度转换系数，等于常数10nm/℃。T₀为初始温度。将光纤光栅传感器波长测量值转换为温度数据，通过温度数据实时监测装药内部的温度变化。本实施例中初始温度T₀为18℃，传感器初始波长为λ₀为1546.20nm。数据采集结果见表2。

表2光纤光栅传感器波长采集及温度数据换算结果

时间(min)	波长测量值λ(nm)	温度(℃)
			0	1546.876	85.6
60	1546.874	85.4
			120	1546.872	85.2
180	1546.873	85.3
			240	1546.870	85.0
300	1546.870	85.0

为保证本发明所述方法检测结果准确、可靠、重复性好，课题组还进行了光纤光栅传感器测温准确性检测研究工作。

将检定合格的便携式温度计与封装后的光纤光栅传感器放置在85℃加热炉相同位置，对两者的测温结果进行比对，验证光纤光栅传感器测温准确性。间隔一小时记录一次测试结果。测试结果见表3。

表3便携式温度计与光纤光栅传感器测温结果

由表2可知，试验开始时，封装后的光纤光栅传感器的测温结果有小幅度波动，240mins后测温结果稳定在85℃。光纤光栅传感器与便携式温度计测温结果最大相差1℃，最大相对误差为1.2％，该误差对于85℃高温加速老化试验可忽略不计。试验结果说明光纤光栅传感器具有较好的测温准确性，适用于监测环境温度。

综上所述，该方法可实时监测注装火炸药装药内部的结构损伤及温度变化，且响应时间快，设备使用寿命长，适用于火炸药装药结构损伤无损实时监测。

Claims (2)

1.一种注装火炸药装药结构损伤实时监测的方法，所述方法以光纤光栅传感技术为基础，将光纤光栅传感器埋装在火炸药装药内部，对火炸药装药内部应力应变和温度进行无损实时监测，其特征在于，包括以下步骤：

A、选择初始波长λ₀范围在1510nm-1590nm的Single FBG带fc/apc接口的裸栅光纤光栅传感器，使用光纤熔接机将多个传感器串联在同一根光纤上；

B、将步骤A串联后的光纤光栅传感器沿轴向放置在火炸药装药模具内部中心处。以火炸药装药中心放置的串联光纤光栅传感器的光纤为原点，根据装药半径每间隔相同距离沿轴向放置四根串联光纤光栅传感器的光纤，不相邻两根串联光纤光栅传感器的光纤端点的连线过装药中心且相互正交。按照注装火炸药生产工艺流程，即火炸药装药进行捏合、浇注或熔注、最后通过固化将光纤光栅传感器固定在火炸药装药内部；

C、将步骤B在装药内部固定好的光纤光栅传感器与光纤光栅传感解调器和计算机连接，组成监测系统，计算机定时对从光纤光栅传感解调器传回的装药内部的光纤光栅传感器波长测量值λ进行采集。通过下列两个公式，将光纤光栅传感器波长测量值分别转换为温度和应力应变数据。T＝(λ－λ₀)×1000/a+T₀。ε＝(λ－λ₀)×1000/b。式中，T为温度。λ为传感器波长测量值。λ₀为传感器初始波长。a为温度转换系数，等于常数10nm/℃。T₀为初始温度。ε为应力应变。b为应力应变转换系数，等于常数1.2nm/με。最终使用origin数据处理软件将应力应变及温度数据绘制成曲线图。

2.根据权利要求1所述的火炸药装药结构损伤实时监测方法，其特征在于步骤A中串联光纤光栅传感器的放置间隔距离为10-20cm；步骤B中串联光纤光栅传感器的光纤沿径向的放置间隔距离为0-10cm。