CN108801943A - 一种烟雾透过率测试系统的自动校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烟雾透过率测试系统的自动校准装置，由套筒、基准镜、旋转镜、传动装置、伺服电机、角度传感器、控制盒、校准程序组成。套筒整体为“T”字形，操作者可通过电脑上安装的校准程序设置校准参数、自动完成校准全过程，并得出校准曲线以及校准参数。该装置具备自动化程度高、校准速度快、精确度高等优点，可用于推进剂及发射药燃烧烟雾透过率测试系统的快速校准。

Description

一种烟雾透过率测试系统的自动校准装置

技术领域

本发明涉及一种烟雾透过率测试系统的自动校准装置，适用于推进剂羽流烟雾透过率测试系统以及发射药枪口烟雾测试系统等烟雾透过率测试系统。

背景技术

烟雾透过率测试系统，是推进剂以及发射药装药羽流烟雾性能评价中常用的测试装置。其基本原理是朗伯贝尔定律，装置通过测定光源通过烟雾区域后的光强与初始光强的比值，作为烟雾的光透过率。在实现方式上。目前常用烟雾透过率测试装置中，包括推进剂发烟量—密闭燃烧室测试系统、推进剂羽流烟雾透过率测试系统、发射药发烟量测试系统、枪口烟雾测试系统等烟雾透过率测试装置都是将光信号转换为电信号，而后对电信号进行采集以及信号处理，最后获得烟雾光透过率；而推进剂羽流烟雾遮蔽能力测试系统是将光信号转换为图像灰度信息，而后对图像进行采集，并进行图像处理，最终获得烟雾的光透过率率。不管上述哪种烟雾透过率测试系统，其校准装置都是一定数量的已知透过率的光学衰减片。在系统标定时，将校准装置中的光学衰减片依次放置在测试系统的光源(或传感器)附近，根据衰减片已知的光透过率与测试系统测得的光透过率，对测试系统进行校准。

在现有的烟雾透过率测试系统校准装置中，应用得较广泛的是由一组中性衰减片组成的校准装置。这种校准装置具有性能稳定、操作简便的特点，然而，校准装置中每一片衰减片的光透过率都是特定的。在校准过程中，需要不断的手动更换衰减片，导致校准过程操作时间耗时较长，工作效率较低。这一点在推进剂烟雾遮蔽能力测试系统的校准上(其使用环境是外场，标定时需要将衰减片通过螺纹固定在图像传感器的镜头上)，显得尤为突出。另一方面，一般情况下，使用者希望校准装置的衰减片序列中，各衰减片的透过率之间的间隔能相对均匀，而实际过程中，各衰减片的光透过率由其表面的光学镀膜的工艺质量决定，这会在校准装置的制作以及使用上带来不便。

目前，专利申请201710767910.6中还公开了一种基于偏光板的烟雾透过率测试系统校准装置，它通过旋转两个偏光片改变校准装置的标准透过率。这种校准装置由套筒和两片偏光板组成，整体体积较小，在校准过程中也不需要更换偏光片，只需要旋转到特定刻度线。操作过程较由中性衰减片组成的校准装置而言，也更为简便一些。然而，这种装置在校准过程中仍然需要一名操作者手动切换校准装置档位，与烟雾测试系统的操作者配合完成系统，整个过程自动化程度不高，校准过程持续时间基本需要10分钟左右，校准过程也相对较慢。另一方面，操作者在手动切换校准装置档位的过程中，很可能由于个人操作因素，引入刻度线微小偏移等系统误差，导致校准结果误差增大。

发明内容

为了克服现有技术自动化程度、校准速度以及校准结果的准确度等方面存在的不足，本发明提出了一种烟雾透过率测试系统的自动校准装置。

本发明提出的烟雾透过率测试系统的自动校准装置，包括套筒、基准镜、旋转镜、传动装置、伺服电机、角度传感器、控制盒、校准程序。

所述套筒整体为“T”字形，套筒“一”字形部分的两端分别安装基准镜、透光性能好的光学镜片，旋转镜位于套筒中央，基准镜、旋转镜、光学镜片相互平行，且三个透镜的中心轴线重合；。伺服电机、角度传感器固定于套筒中与基准镜镜面平行的筒内。旋转镜通过传动装置分别与伺服电机、角度传感器的转轴相连；伺服电机和角度传感器的电源线、信号线穿过套筒的堵盖连接至控制盒输入端。控制盒输出端通过信号线连接至安装有校准程序以及烟雾透过率测试系统软件的电脑。

基准镜、旋转镜的光学玻璃均为偏光板，两者的边框表面都有标明偏光板出射光偏振方向的刻度线，在装置的初始状态中，两者出射光的偏振方向相同，同时角度传感器的输出信号为其输出范围的最小值。

旋转镜边框的中部置于小套筒内，小套筒通过螺杆固定在套筒内；旋转镜的两端与传动装置连接。传动装置由不少于3个斜齿轮组成，传动装置将旋转镜、伺服电机、角度传感器的转轴联动。在装置运行时，伺服电机通过传动装置带动旋转镜旋转，而旋转镜通过传动装置带动角度传感器旋转。

控制盒主要由电源、伺服电机驱动芯片、模数转换芯片组成。其输入端通过数据线与工控机连接，其输出端除连至套筒内的伺服电机、角度传感器，还有一路连接至烟雾透过率测试系统的光学传感器的输出端；控制盒的功能：为伺服电机、角度传感器、伺服电机驱动芯片、模数转换芯片提供电源；接收电脑的输出信号，控制旋转镜旋转特定角度；读取角度传感器的输出信号，转换为数字信号，然后传输至电脑；将烟雾测试系统的光传感器的输出信号转换为数字信号，然后传输至电脑。

校准程序读取角度传感器的输出信号计算旋转镜的旋转角度，读取烟雾测试系统的光学传感器输出信号计算计算校准装置的实测透过率；输出信号通过控制盒内的伺服电机控制芯片控制旋转镜转动；校准程序内部有旋转镜在不同旋转角度下对应的校准装置透过率的数据库；在此基础上，校准程序具有校准装置的自动复位、校准参数设置、自动校准、校准结果计算、数据库编辑功能。

校准程序安装于烟雾测试系统的计算机中，其类型可以为可执行程序、或者已插件形式嵌入到烟雾透过率测试系统软件中运行。

校准程序在每次启动时，自动执行一次装置的自动复位功能。这样可使得校准装置在固定好之后不需要再移除，同时有利于保证校准装置的稳定性以及测试系统测试结果的准确性。

校准程序的自动复位功能实现流程：

1)程序读取角度传感器输出角度信息；

2)程序判断旋转镜是否位于基准位置；如果是，则退出该流程，如果不是，则计算复位需要旋转的角度。

3)程序电路输出信号至伺服电机控制芯片，芯片控制伺服电机带动旋转偏光板转动特定角度。

4)循环至步骤1)，继续执行。

校准程序的透过率标准参数设置功能：

校准程序的数据库内包含旋转镜的旋转角度以及对应的校准装置的透过率信息(透过率数据可使用分光光度计参照GB/T 15489.1-1995《滤光玻璃测试方法光谱特性》测得)。自动程序通过对话框窗口实现对数据库的查看和修改。

校准程序的校准参数设置功能：

校准参数包括标定点的数量，标定点的透过率设定，标定点的采样数量等参数，校准程序可通过对话框窗口实现对校准参数查看、设置、保存功能。

校准程序的自动校准功能实现流程(假定标定点数量为N)：

1)读取校准设置参数；

2)校准装置自动复位；

3)设置计数器i＝1

4)读取第i校准点的透过率数值，通过数据库查询到旋转镜的旋转角度，输出控制信号，将旋转镜旋转至指定角度。

5)读取烟雾透过率的光学传感器的输出信号，求均值并保存。

6)判断i是否等于N。如果是，则校准装置自动复位，将所有数据保存为标定数据文件，退出自动校准模块，运行校准结果运算功能；如果不是，则令i＝i+1，然后循环至步骤4)继续运行。

校准程序的校准结果计算功能：

校准结果计算的输入为标定数据文件，数据处理方法的依据为GJB/3348-98《固体推进剂烟雾信号测试系统检定规程》中的数据处理方法，这里不再赘述。计算结果直接写入烟雾测试系统程序的配置文件。

注：自动校准装置所使用的光传感器的类型由装置中的偏光片的通光波段决定。

自动校准装置的使用方法：

1.将该装置固定在烟雾测试系统的光源出口或光传感器的入口，将光传感器的输出连接至控制盒的输出接口、将装置套筒的信号线连接至控制盒的输出接口、将控制盒连接至装有校准程序以及烟雾测试系统软件的电脑上。

2.在需要校准烟雾透过率测试系统时，在电脑上设置自动校准参数，运行自动校准功能。

3.定期(一般是间隔一年)将自动校准装置拆卸下来送检，并根据检定结果修改校准程序的透过率标准参数设置。

本发明优点：

1.本发明自动化程度高。使用该装置后，通常需要两人完成的测试系统校准操作，

只需要一人通过电脑操作即可完成。

2.本发明校准速度快。传统校准装置视操作者的熟练程度，需要几分钟到十几分钟完成一次系统校准。利用该装置不到1分钟即可完成所有操作。

3.本发明装置稳定性高、校准结果准确。该装置实现了校准过程的全自动化，避免了由人手动操作引入的随机误差，提高了校准装置的稳定性和准确性。

4.本发明体积小、成本低。传统的基于衰减片的校准装置一个标定点就需要一个衰减片，标定点越多，衰减片越多，装置体积就越大，成本也随之升高。而本装置只需要两片偏光片，改变旋转镜的旋转角度，就可得到不同透过率。体积很小，装置整体成本也较低。

5.该装置可提高校准过程的安全性。在固体推进剂燃烧烟雾透过率测试系统的校准过程需要燃烧室腔内充高压的条件下进行。该装置可实现人机隔离，提高了测试装置校准过程的安全性。

附图说明

图1为本发明剖面示意图，1-套筒，2-基准镜，3-旋转镜，4-传动装置，5-伺服电机，6-角度传感器，7-控制盒，8-校准程序(安装于有烟雾透过率测试系统软件的计算机上)。

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。

本发明是一种烟雾透过率测试系统的自动校准装置，包括套筒1、基准镜2、旋转镜3、传动装置4、伺服电机5、角度传感器6、控制盒7、校准程序8。

所述的套筒1为铝合金材料，壳体表面发黑处理。套筒1整体为“T”字形，旋转镜3位于套筒1中央，且与套筒1一端固定的基准镜2正对，与基准镜2相对的套筒另一端为透光性能好的光学玻璃。伺服电机5、角度传感器6固定于套筒1中与基准镜2镜面平行的筒内。旋转镜3通过传动装置4分别与伺服电机5、角度传感器6的转轴相连；伺服电机5和角度传感器8的电源线、信号线穿过套筒的堵盖连接至控制盒7输入端。控制盒7输出端通过信号线连接至安装有校准程序8以及烟雾透过率测试系统软件的电脑。

基准镜2、旋转镜3的光学玻璃均为偏光板，两者的边框表面都有标明偏光板出射光偏振方向的刻度线，在装置的初始状态中，两者出射光的偏振方向相同，同时角度传感器6的输出信号为其输出范围的最小值。

旋转镜3边框的中部置于小套筒内，小套筒通过螺杆固定在套筒内；旋转镜3的两端与传动装置4连接。传动装置4由4个斜齿轮组成，传动装置将旋转镜3、伺服电机5、角度传感器6的转轴联动。在装置运行时，伺服电机5通过传动装置4带动旋转镜3旋转，而旋转镜3通过传动装置带动角度传感器6旋转。

控制盒7主要由电源、伺服电机驱动芯片、模数转换芯片组成。其输入端通过数据线与工控机连接，其输出端除连至套筒内的伺服电机5、角度传感器6，还有一路连接至烟雾透过率测试系统的光学传感器的输出端；控制盒的功能：为伺服电机5、角度传感器6、伺服电机驱动芯片、模数转换芯片提供电源；接收电脑的输出信号，控制旋转镜3旋转特定角度；读取角度传感器6的输出信号，转换为数字信号，然后传输至电脑；将烟雾测试系统的光传感器的输出信号转换为数字信号，然后传输至电脑。

校准程序8的最基本功能为通过角度传感器6的输出计算旋转镜的旋转角度、通过输出信号至控制盒7内的伺服电机控制芯片控制旋转镜转动、读写旋转镜3在不同旋转角度下的透过率的数据库、读取烟雾测试系统的光学传感器输出信号。在此基础上，校准程序8具有校准装置的自动复位、透过率标准参数设置、校准参数设置、自动校准、校准结果计算功能。

校准程序的类型为可执行程序。

校准程序在每次启动时，自动执行一次装置的自动复位功能。这样可使得校准装置在固定好之后不需要再移除，同时有利于保证校准装置的稳定性以及测试系统测试结果的准确性。

校准程序的自动复位功能实现流程：

1)程序读取角度传感器输出角度信息；

2)程序判断旋转镜是否位于基准位置；如果是，则退出该流程，如果不是，则计算复位需要旋转的角度。

3)程序电路输出信号至伺服电机控制芯片，芯片控制伺服电机带动旋转偏光板转动特定角度。

4)循环至步骤1)，继续执行。

校准程序的透过率标准参数设置功能：

校准程序的数据库内包含旋转镜的旋转角度以及对应的校准装置的透过率信息(透过率数据可使用分光光度计参照GB/T 15489.1-1995《滤光玻璃测试方法光谱特性》测得)。自动程序通过对话框窗口实现对数据库的查看和修改。

校准程序的校准参数设置功能：

校准参数包括标定点的数量，标定点的透过率设定，标定点的采样数量等参数，校准程序可通过对话框窗口实现对校准参数查看、设置、保存功能。

校准程序的自动校准功能实现流程(假定标定点数量为N)：

1)读取校准设置参数；

2)校准装置自动复位；

3)设置计数器i＝1

4)读取第i校准点的透过率数值，通过数据库查询到旋转镜的旋转角度，输出控制信号，将旋转镜旋转至指定角度。

5)读取烟雾透过率的光学传感器的输出信号，求均值并保存。

6)判断i是否等于N。如果是，则校准装置自动复位，将所有数据保存为标定数据文件，退出自动校准模块，运行校准结果运算功能；如果不是，则令i＝i+1，然后循环至步骤4)继续运行。

校准程序的校准结果计算功能：

校准结果计算的输入为标定数据文件，数据处理方法的依据为GJB/3348-98《固体推进剂烟雾信号测试系统检定规程》中的数据处理方法，这里不再赘述。计算结果直接写入烟雾测试系统程序的配置文件。

注：自动校准装置所使用的光传感器的类型由装置中的偏光片的通光波段决定。

自动校准装置的使用方法：

1.将该装置固定在烟雾测试系统的光源出口或光传感器的入口，将光传感器的输出连接至控制盒的输出接口、将装置套筒的信号线连接至控制盒的输出接口、将控制盒连接至装有校准程序以及烟雾测试系统软件的电脑上。

2.在需要校准烟雾透过率测试系统时，在电脑上设置自动校准参数，运行自动校准功能。

3.定期(一般是间隔一年)将自动校准装置拆卸下来送检，并根据检定结果修改校准程序的透过率标准参数设置。

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 (3)

1.一种烟雾透过率测试系统的自动校准装置，其特征在于包括：套筒(1)、基准镜(2)、旋转镜(3)、传动装置(4)、伺服电机(5)、角度传感器(6)、控制盒(7)、校准程序(8)；所述套筒(1)为“T”字形，套筒“一”字形部分的两端分别安装基准镜(2)及光学镜片，旋转镜(3)位于套筒中央，基准镜(2)、旋转镜(3)、光学镜片相互平行，且三个透镜的中心轴线重合；伺服电机(5)、角度传感器(6)位于套筒(1)中与基准镜(2)镜面平行的筒内；旋转镜(3)通过传动装置(4)分别与伺服电机(5)、角度传感器(6)的转轴相连；伺服电机(5)和角度传感器(6)的电源线、信号线连接至控制盒(7)输入端；控制盒(7)输出端通过信号线连接至安装有校准程序(8)以及烟雾透过率测试系统软件的计算机；所述基准镜(2)、旋转镜(3)的光学玻璃均为偏光板，两者的边框表面都有标明偏光板出射光偏振方向的刻度线；装置的初始状态中，两者出射光的偏振方向相同，同时角度传感器的输出信号为其输出范围的最小值；所述旋转镜(3)边框的中部置于小套筒内，小套筒通过螺杆固定在套筒(1)内；旋转镜(3)的两端与传动装置(4)连接；所述传动装置(4)由不少于3个斜齿轮组成，传动装置将旋转镜(3)、伺服电机(5)、角度传感器(6)的转轴联动；所述控制盒(7)由电源、伺服电机驱动芯片、模数转换芯片组成；其输入端通过数据线与工控机连接，输出端除连至套筒内的伺服电机、角度传感器，还有一路连接至烟雾透过率测试系统的光学传感器的输出端；所述校准程序(8)读取角度传感器(6)的输出信号计算旋转镜(3)的旋转角度，读取烟雾测试系统的光学传感器输出信号计算计算校准装置的实测透过率；输出信号通过控制盒(6)内的伺服电机控制芯片控制旋转镜(3)转动；校准程序(8)内部有旋转镜(3)在不同旋转角度下对应的校准装置透过率的数据库；在此基础上，校准程序具有校准装置的自动复位、校准参数设置、自动校准、校准结果计算、数据库编辑功能。

2.根据权利要求1所述的自动校准装置，其特征在于所述校准程序(8)的类型为可执行程序或插件形式。

3.根据权利要求1所述的自动校准装置，其特征在于所述校准程序(8)每次启动时，自动执行一次装置的自动复位功能。