CN107490603B - 一种快速在线监测固体推进剂正硫化点的方法及传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种快速在线监测固体推进剂正硫化点的方法及传感器，是一种将压电传感器植入到被监测的推进剂样品中，使得压电传感器与推进剂样品构成机电阻抗耦合结构，利用压电传感器在线检测推进剂硫化过程中，随着硫化时间增加，通过压电传感器检测到的阻抗变化率呈先增加后降低的趋势，绘制机电阻抗变化率‑推进剂硫化时间曲线，利用对曲线拐点的分析，确定推进剂的正硫化点的方法。本发明涉及的方法，可以用于在线快速测定推进剂的正硫化点，也可以监测推进剂的硫化历程，正硫化点测定精度精确到小时。该方法费用低，操作便捷、对监测对象不会造成安全、质量等负面干扰。

Description

一种快速在线监测固体推进剂正硫化点的方法及传感器
技术领域
本发明涉及一种快速在线监测固体推进剂正硫化点的方法，具体涉及一种快速在线监测固体火箭发动机中推进剂正硫化点的方法，为使用压电传感器在线监测固体推进剂的硫化过程，并对正硫化点进行确定。
背景技术
固体推进剂（简称，推进剂）正硫化点是指浆状推进剂在一定温度下，连续加热，使化学交联基本完成，力学性能不再随加热时间延长而变化的起始时间，是推进剂硫化工艺的重要控制参数。正硫化点是固体火箭发动机装药生产时，硫化时间控制的依据。固体火箭发动机完成推进剂浇注后进行硫化，如果推进剂硫化程度不够，即没有达到推进剂的正硫化点，推进剂装药的模量、强度、延伸率等力学性能达不到设计指标；如果硫化过度，推进剂不仅会发生较为明显的后固化现象，甚至会出现推进剂中高分子链的断链和氧化交联等副反应，这些现象同样会使得推进剂力学性能偏离设计指标。因此，测定推进剂正硫化点，也是固体火箭发动机研制生产工艺过程中一项重要的质量控制依据。
在固体火箭发动机硫化过程中，传统的固体推进剂正硫化点确定方法是在固体火箭发动机装药浇注过程中，浇注若干个与发动机中推进剂平行的方坯试样，与固体火箭发动机在同等条件下硫化，根据经验，在接近推进剂的预定正硫化点前后，每间隔一段时间取一个方坯试样测试其力学性能，根据推进剂力学性能测试结果中最大伸长率与断裂伸长率的接近程度、推进剂抗拉强度与预定值的接近程度，确定推进剂是否达到正硫化点，当推进剂方坯试样达到正硫化点时，认为发动机中的推进剂也达到了正硫化点，并据此停止发动机的硫化，并进行降温处理。
传统的固体推进剂正硫化点测定方法，存在较大的经验依赖性，用推进剂方坯推测发动机中正硫化点，存在一定偏差，而且正硫化点测定精度较低，只能精确到1天。因此，传统正硫化点测定方法不利于准确控制固体火箭发动机的硫化时间。除此之外，在正硫化点测定过程中，需要消耗大量推进剂方坯试样，而且需要进行力学性能拉伸测试，存在成本高和过程繁琐的不足。
为了弥补固体火箭发动机装药生产硫化过程中，正硫化点测定的不足，需要一种能够在线监测固体火箭发动机中推进剂正硫化点的方法，而且测定精确度需要显著提高。这类方法需要在固体火箭发动机装药过程中，在推进剂中植入传感器，利用传感器实现硫化历程的在线监测。该传感器不能太昂贵且对监测对象不会造成安全、质量等负面干扰。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种快速在线监测固体推进剂正硫化点的方法，以解决在线监测固体推进剂硫化过程中确定出正硫化点的问题。
为解决存在的技术问题，本发明采用的技术方案为：一种快速在线监测固体推进剂正硫化点的方法，将压电传感器植入到刚浇注后的固体推进剂中，压电传感器与固体推进剂构成机电阻抗耦合结构，在检测时，压电传感器产生振动波在固体推进剂中传播，压电传感器在线检测到固体推进剂与压电传感器组成的机电阻抗耦合结构的阻抗信号，随着硫化时间增加，通过压电传感器检测到的阻抗变化率呈先增加后降低的趋势，绘制阻抗变化率-固体推进剂硫化时间曲线，利用对曲线拐点的分析，确定固体推进剂的正硫化点。
本发明涉及的是一种利用植入式压电传感器在线测定固体火箭发动机中推进剂正硫化点的方法，以及相关的技术设备。本发明涉及的推进剂正硫化点在线监测方法，是将一种压电传感器植入到被监测的推进剂样品中，使得压电传感器与推进剂样品构成机电阻抗耦合结构，利用压电传感器在线检测推进剂硫化过程中，由于推进剂的硬度、模量增加导致的机电阻抗增加，绘制机电阻抗变化率-推进剂硫化时间曲线，利用对曲线拐点的分析，确定推进剂的正硫化点。
本发明涉及的压电传感器是一种在片状压电材料附着上电极和下电极构成的压电传感器芯片，电极通过衔接点附着引线。所述的压电传感器芯片为“电极-压电材料-电极”的三明治结构，形状包括但不限于圆形、椭圆形或多边形等平面形状，所述的压电材料包括但不限于压电石英晶体、压电陶瓷、压电高聚物等具有压电属性的材料，所述的电极材料包括但不限于金、银、铂、铜、铝、合金等导电性良好的电极材料。
本发明所述的压电传感器在推进剂中的植入方式是直接将压电传感器芯片置于浆状推进剂中，使得压电传感器的至少一面电极与推进剂接触良好，既可以将压电传感器置于推进剂的表层，也可以将压电传感器置于推进剂表层以下的内部。压电传感器植入后，通过推进剂自身的粘性使得压电传感器与推进剂构成机电阻抗耦合结构。
本发明所述的在推进剂中植入压电传感器数量至少1枚，可以同时植入1枚以上的压电传感器进行检测。
本发明所述的阻抗变化率计算方法是将不同硫化时间对应的阻抗与初始状态的阻抗进行对比计算阻抗变化百分比的方法，具体计算方法包括但不限于各种数学统计方法中的变化率计算方法。
本发明所述的推进剂正硫化点确定方法是利用阻抗变化率-硫化时间变化曲线的拐点对应硫化时间的方法，将曲线拐点对应的硫化时间作为推进剂的正硫化点。
本发明所述的正硫化点确定方法可以通过电脑软件自动完成，也可以通过阻抗检测值进行人工数据处理，从而确定正硫化点。
有益效果
本发明所涉及的监测固体火箭发动机中推进剂正硫化点的方法有以下特点：
1、可以直接监测固体火箭发动机中推进剂的正硫化点，区别于传统方法利用对比试验件的方法确定发动机中推进剂是否达到正硫化点。
2、可以实现在固体火箭发动机硫化工艺中直接在线监测固体火箭发动机中推进剂的正硫化点。
3、不会对固体火箭发动机带来负面安全、质量等影响。
4、操作便利，利用植入的压电传感器直接获取阻抗信号，每次检测耗时小于1min。
5、成本低廉，每发固体火箭发动机正硫化点监测最小消耗量为1枚压电传感器芯片。
附图说明
附图1 在固体火箭发动机硫化过程中，压电传感器检测到的阻抗变化率-硫化时间的变化曲线；
附图2 固体火箭发动机硫化过程中，用植入式压电传感器在线监测推进剂硫化程度的装置示意图；
附图3 植入式压电传感器与推进剂组成的机电阻抗耦合结构示意图；
附图4 植入式压电传感器结构示意图；
图中，包括固体火箭发动机1、发动机壳体2、中间层3、推进剂4、芯模5、压电传感器6、固定支架7、硫化装置8、信号线9、阻抗检测器10、计算机11、压电材料12、上电极13、下电极14、衔接点15、引线16。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
如附图2所示，一种快速在线监测固体火箭发动机中推进剂正硫化点的方法， 在固体火箭发动机1装药过程中，将浆状的推进剂浇注到发动机壳体2中，使推进剂与预定形状相比有一部分富余，再将压电传感器植入到富余部分的推进剂4中，使得压电传感器6与推进剂构成一种机电阻抗耦合结构，如附图3所示。在检测时，压电传感器产生一种振动波在推进剂中传播，推进剂与压电传感器组成的机电阻抗耦合结构的阻抗信号可以通过压电传感器在线检测到。压电传感器植入到推进剂中以后，将压电传感器的引线16固定，使得压电传感器在推进剂中的位置固定，将固体火箭发动机置于预先设定好温度的硫化装置8中，将压电传感器的电极引线16通过信号线9连接到阻抗检测器10上，阻抗检测器通过信号线与计算机11连接。待温度稳定后，利用植入的压电传感器在线检测阻抗信号，作为初始阻抗Io。硫化过程中，随着硬度、模量增加，推进剂对压电传感器产生的振动波的阻抗作用会产生变化，表现为连续增加或连续降低。每隔一定时间在线检测阻抗值，作为对应硫化时间的阻抗Ii，通过将Ii和Io对比计算对应硫化时间的阻抗变化率ΔIi，绘制阻抗变化率-硫化时间曲线，如附图1所示，并拟合曲线的解析方程。随着硫化时间增加，推进剂硫化深度增加，其硬度、模量的增加幅度逐渐降低，所对应的阻抗变化率也逐渐降低。因此，在推进剂硫化过程中，通过压电传感器检测到的阻抗变化率随着硫化时间延长，呈先增加后降低的趋势。在曲线的拐点位置，阻抗变化率-时间曲线拟合方程对时间的一阶导数为0，阻抗变化率不再增加，硫化时间继续延长，阻抗变化率将逐渐减小。该点对应的推进剂硫化深度达到最大，推进剂中高分子网络的交联反应基本完成，即达到正硫化点。在实际操作过程中，根据正硫化点的计算方法，可以利用计算机实现正硫化点的自动分析和确定。在正硫化点对应的时间结束固体火箭发动机的硫化，硫化完毕，待发动机温度降至室温后，将附着压电传感器的推进剂切除即可。
实施例：某型固体火箭发动机中推进剂正硫化点监测
实施步骤：
该固体火箭发动机的燃烧室部分尺寸为Φ200mm×1500mm，装药用推进剂为一种以端羟基聚丁二烯为粘合剂、以甲苯二异氰酸酯为固化剂、以高氯酸铵为氧化剂、以铝粉为燃烧剂的成熟的推进剂。所用的压电传感器为一种圆形芯片，所用的压电传感器的压电材料为锆钛酸铅压电陶瓷，电极材料为银电极，压电传感器的尺寸为Φ10mm×0.2mm。所用的阻抗检测器为一种阻抗分析板。该固体火箭发动机的硫化工艺温度条件是70℃，根据传统正硫化点监测方法，该推进剂在70℃下正硫化点为5天左右。具体实施过程如下：
（1）制备压电传感器芯片备用：如图4所示，在压电材料12上附着上电极13和下电极14，通过衔接点15在压电传感器的上下电极中引出电极引线16；
（2）浇注固体推进剂：预先准备好固体火箭发动机壳体2，通常需要事先在发动机壳体中制备好中间层3，将浆状推进剂4浇注到发动机壳体中，利用芯模5保持推进剂的预定形状。使得推进剂与预定形状相比富余一部分；
（3）植入压电传感器：在浇注完成的固体火箭发动机中富余出的推进剂中植入压电传感器，将压电传感器的引线固定，以使得压电传感器在推进剂中的位置固定；
（4）发动机硫化：将浇注完毕的固体火箭发动机放置在固定支架7上，置于硫化装置8中，固定装置预先设置温度为70℃，温度控制条件为70±2℃；
（5）连接监测线路：将压电传感器的电极引线16与阻抗检测器10的信号线9连接，再通过信号线将阻抗检测器与计算机11连接；
（6）阻抗在线检测：利用植入的压电传感器在线检测阻抗信号，作为初始阻抗Io，每隔一段时间利用植入的压电传感器在线检测阻抗值，作为对应硫化时间的阻抗Ii；
（7）分析阻抗变化率：利用电脑软件自动将Ii和Io对比计算对应硫化时间的阻抗变化率ΔIi，不同硫化时间对应的阻抗变化率如下表所示；
表1 不同硫化时间下的阻抗变化率
硫化时间（h） 1 5 8 12 20 34 55 90 100 110
阻抗变化率（%） 0.3 0.9 2.3 3.3 4.8 7.5 10.5 15.1 15.6 15.7
（8）绘制阻抗变化率-硫化时间曲线：绘制阻抗变化率ΔIi-硫化时间t曲线，并拟合方程；
（9）确定正硫化点：根据表1中数据拟合阻抗变化率对硫化时间的变化方程为ΔIi=-1E-5t2+0.0025t+0.0011，根据拟合方程可以计算在硫化时间t=125h时，ΔIi对时间的一阶导数为0，达到拐点，因此确定该推进剂在对应硫化条件下的正硫化点是125h。

Claims (3)

1.一种快速在线监测固体推进剂正硫化点的方法，其步骤为：将压电传感器(6)植入到刚浇注后的固体推进剂(4)中，压电传感器(6)与固体推进剂(4)构成机电阻抗耦合结构，在检测时，压电传感器(6)产生振动波在固体推进剂(4)中传播，压电传感器(6)在线检测到固体推进剂(4)与压电传感器(6)组成的机电阻抗耦合结构的阻抗信号，随着硫化时间增加，通过压电传感器(6)检测到的阻抗变化率呈先增加后降低的趋势，绘制阻抗变化率-固体推进剂硫化时间曲线，利用对曲线拐点的分析，确定固体推进剂(4)的正硫化点；
所述的压电传感器(6)在固体推进剂(4)中的植入方式是直接将压电传感器(6)芯片置于浆状固体推进剂(4)中，使得压电传感器(6)的至少一面电极与固体推进剂(4)接触良好，或将压电传感器(6)置于固体推进剂(4)的表层，或将压电传感器(6)置于固体推进剂(4)表层以下的内部。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的压电传感器(6)植入固体推进剂(4)中数量至少1枚，或者同时植入1枚以上的压电传感器(6)进行检测。
3.根据权利要求1-2任一所述的方法的压电传感器，是在片状压电材料(12)附着上电极(13)和下电极(14)构成的压电传感器芯片，上电极(13)和下电极(14)通过衔接点(15)附着引线(16)，其特征在于：所述的压电传感器(6)芯片为圆形、椭圆形或多边形平面形状；所述的压电材料(12)为具有压电属性的压电石英晶体、压电陶瓷或压电高聚物材料；所述的上电极(13)和下电极(14)的材料为具有导电性良好的金、银、铂、铜或铝的电极材料。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2041619U (zh) * 1988-12-14 1989-07-26 凤城满族自治县煤气表厂 橡胶皮膜硫化成型装置
US5087574A (en) * 1983-09-06 1992-02-11 Arizona Instrument Corp. Fluid component detection method with feedback
CN101432346A (zh) * 2006-05-01 2009-05-13 利安德巴塞尔高级聚烯烃美国有限责任公司 可发泡的热塑性硫化橡胶共混物、方法及其制品
CN103499639A (zh) * 2013-09-25 2014-01-08 北京化工大学 一种硫化过程超声波在线表征方法和装置
CN105272230A (zh) * 2014-05-30 2016-01-27 佳能株式会社 压电材料、压电元件、压电元件制造方法和电子设备

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5087574A (en) * 1983-09-06 1992-02-11 Arizona Instrument Corp. Fluid component detection method with feedback
CN2041619U (zh) * 1988-12-14 1989-07-26 凤城满族自治县煤气表厂 橡胶皮膜硫化成型装置
CN101432346A (zh) * 2006-05-01 2009-05-13 利安德巴塞尔高级聚烯烃美国有限责任公司 可发泡的热塑性硫化橡胶共混物、方法及其制品
CN103499639A (zh) * 2013-09-25 2014-01-08 北京化工大学 一种硫化过程超声波在线表征方法和装置
CN105272230A (zh) * 2014-05-30 2016-01-27 佳能株式会社 压电材料、压电元件、压电元件制造方法和电子设备

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Richard Magill.用实时阻抗测量来监控橡胶的硫化.《橡胶参考资料》.2006, *
用实时阻抗测量来监控橡胶的硫化;Richard Magill;《橡胶参考资料》;20061231;第55-59页，第8-11页 *

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