CN109001054B - 一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验装置及方法，装置包括子弹和测试装置；子弹包括弹托、弹体、橡胶圈和铜环薄片；测试装置依次包括炮管、激光遮断式测速装置、挡板和样品支架；炮管的末端固定连接激光遮断式测速装置；挡板上设有用于安装钢环的环形凹槽，环形凹槽中央设有开孔；钢环的表面上对称的设置有两个铜片，铜片分别与导线相连；样品支架包括一体成型的上平面、竖直面和下平面，上平面和下平面的自由边分别通过螺钉安装一个夹片；样品两侧分别设有相机和闪光灯；激光遮断式测速装置、挡板上的开孔和样品支架上的小孔均与炮管同轴。本发明能够方便更换弹体大小、形状，并且能够对相机位置进行调节实现多角度拍摄。

Description

一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验装置及方法

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，涉及一种侵彻实验装置，特别涉及一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验装置及方法。

背景技术

在车辆工程、兵工技术及航空航天领域，材料会承受各种类型的冲击载荷。在冲击载荷下，材料的力学性能及变形破坏模式与准静态条件下有明显区别，因此仅仅对材料准静态力学性能及破坏模式的研究是不完整的，科学家们越来越关注材料的动态力学性能及变形破坏模式。一级轻气炮实验装置是研究各类工程材料动态力学性能的一种较为基础的装置，其应变率可以达到10⁶s^-1，广泛应用于材料的动态加载试验，其中就包括侵彻试验。

在侵彻试验的过程中，为了更直观地看到材料的动态破坏过程，更准确地研究材料的变形破坏模式，我们对试验要求也不断提高。纵观以前的试验设备，我们可以发现，以往的试验存在着只能单一弹体冲击样品，不方便更换不同材质、不同尺寸、不同形状的弹体；无法做到样品夹持装置精准移动，完成精准定位冲击；试验中样品是直接贴在炮管一端的，样品会被弹体打飞，不利于回收；或者将样品用全外框的夹具夹持，如图1所示，不利于侧面拍摄，相机拍摄角度非常受限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够方便更换弹体大小、形状，能够对相机位置进行调节实现多角度拍摄，利于样品回收的适用于高速相机拍摄的侵彻实验装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验装置，依次包括炮管、激光遮断式测速装置、挡板和样品支架；

所述炮管的末端固定连接激光遮断式测速装置；所述激光遮断式测速装置呈环形，其一端通过螺纹与炮管固定连接，激光遮断式测速装置的侧壁上对称的设有两组开孔，所述开孔用于插入光纤；

所述挡板上与激光遮断式测速装置相对应的位置处设有用于安装钢环的环形凹槽，环形凹槽中央设有开孔；钢环的表面上对称的设置有两个铜片，铜片分别与导线相连，导线通过电阻-电容电路连接数字延时触发器；

所述样品支架包括一体成型的上平面、竖直面和下平面，上平面和下平面相互平行，上平面和下平面的固定侧边分别与竖直面固定连接，上平面和下平面的自由边分别通过螺钉安装一个夹片，夹片用于夹持样品；样品支架的竖直面上设有用于供弹体通过的小孔；样品支架下平面固定安装在二轴位移台上，二轴位移台安装在升降台上；

所述样品两侧分别设有相机和闪光灯，相机与示波器连接；

所述的激光遮断式测速装置、挡板上的开孔和样品支架上的小孔均与炮管同轴。

进一步地，所述激光遮断式测速装置的侧面上对称地设置有用于提前泄压的直通方形孔。因为一级轻气炮用高压作为动力源，弹体较小时受气流影响比较大，而该装置放于炮管末端真空室内，这个方形孔用于提前泄压，能够防止前冲气体对弹体的影响，减小测试误差。

进一步地，所述钢环表面喷涂有不导电的绝缘漆。

进一步地，所述样品支架的上平面和下平面上分别对应地设有两个定位孔，下平面上的两个定位孔用于通过螺钉将样品支架固定在二轴位移台上，上平面上的两个定位孔用于安装两个螺钉。

本发明还公开了一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验方法，包括以下步骤：

S1、根据用户需要的尺寸对样品进行切割，并将切割的样品安装在样品支架上，将样品支架安装在二轴位移台上；

S2、根据用户需求调整相机和闪光灯的角度，相机和闪光灯分别位于样品的相对两侧；

S3、设置数字延时触发器，使之在收到信号后完成对示波器、闪光灯、相机的信号延时传递；设置示波器，使之处于等待触发状态；

S4、发射子弹，子弹经过激光遮断式测速装置时切断激光回路，将采集到的激光信号显示在示波器的二、三通道上，从示波器上得到遮挡两束激光的时间差ΔT，两束激光间隔距离记为L，则子弹速度为L÷ΔT；

S5、子弹碰撞挡板，铜环薄片与钢环表面的铜片接触，使得两根导线连通形成回路，产生一个触发信号，将触发信号发送至示波器的一通道进行显示；产生的触发信号通过电阻-电容电路传递到数字延时触发器，数字延时触发器经过不同延时后将信号分路传递给示波器、闪光灯、相机；

S7、相机接收数字延时触发器发送的信号并向示波器发送响应信号，该响应信号显示在示波器的四通道上；然后打开闪光灯照射样品，相机采集样本图片，完成实验。

本发明的有益效果是：本发明提供了用于一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验装置，能够方便更换弹体大小、形状；样品支架通过二轴位移台和升降台组合连接，对样品支架进行调整，可以精准控制空间位置，完成精准冲击；本发明的样品通过上下两个夹具进行固定，相机和闪光灯位于样品两侧，夹具不会阻挡相机的拍摄，并且能够对相机位置进行调节实现多角度拍摄；本发明的样品支架能够设置成多种倾斜角度，从而改变子弹的冲击角度，获得更多的测试数据；本发明的样品通过夹具夹持并且远离炮管，利于样品回收。

附图说明

图1为现有实验装置中夹具与样品的示意图；

图2为本发明的适用于高速相机拍摄的侵彻实验装置的测试装置的结构示意图；

图3为本发明的激光遮断式测速装置结构示意图；

图4为本发明的挡板结构示意图；

图5为本发明的钢环及铜片结构示意图；

图6为本发明的样品支架结构示意图；

图7为图6的样品支架的俯视图；

图8为本发明的另一种实施例的样品支架俯视图；

图9为本发明的相机和闪光灯位置示意图一；

图10为本发明的相机和闪光灯位置示意图二；

图11为本发明的子弹结构示意图一；

图12为本发明的子弹结构示意图二；

图13为本发明的子弹结构示意图三；

图14为本发明的控制系统结构示意图；

图15为本发明的控制系统时序图；

附图标记说明：1—炮管、2—激光遮断式测速装置、3—光纤、4—挡板、5—导线、6—铜片、7—钢环、8—样品、9—样品支架、10—二位移台、11—升降台、12—相机、13—闪光灯、14—橡胶圈、15—弹托、16—弹体、17—铜环薄片。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

本发明在以往设备的基础上进行了大规模的改进，能够在侵彻实验中实现不同弹体冲击、精准定位冲击、多角度拍摄及样品回收等等。

如图2所示，一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验装置，包括子弹和测试装置；

所述子弹包括弹托15、弹体16、橡胶圈14和铜环薄片17；所述弹托15两端分别设有凹槽，凹槽上套有橡胶圈14；弹托15一端粘有一个铜环薄片17，用于触发钢环7上的铜片6；弹托15粘有铜环薄片17的一端设有用于安装弹体16的开孔；铜环薄片17中心设有弹体16通过的开孔；

所述测试装置依次包括炮管1、激光遮断式测速装置2、挡板4和样品支架9；

所述炮管1的末端固定连接激光遮断式测速装置2；所述激光遮断式测速装置2呈环形，其一端通过螺纹与炮管1固定连接，激光遮断式测速装置2的侧壁上对称的设有两组开孔，所述开孔用于供光纤3通过，四根光纤分别插入激光遮断式测速装置2的开孔中，如图3所示。当子弹通过激光遮断式测速装置2时会依次遮挡这两束激光，在示波器上可以得到遮挡这两束激光的时间差ΔT，这两束激光间隔距离为L，则可以估算子弹速度为L÷ΔT。如：当设计的激光遮断式测速装置上光纤前后间距为12mm，实验中子弹通过时间为24μs，则可以算出子弹速度为500m/s。

如图4所示，所述挡板4上与激光遮断式测速装置2相对应的位置处设有用于安装钢环7的环形凹槽，环形凹槽中央设有开孔，钢环7以及环形凹槽中央的开孔可以让弹体穿过而将弹托进行阻挡；钢环7的表面上对称的设置有两个铜片6，铜片6位于开孔的两侧，铜片6分别与导线相连，如图5所示，导线通过电阻-电容电路连接数字延时触发器；通过数字延时触发器完成对示波器、闪光灯与相机的信号延时传递；

如图6和图7所示，所述样品支架9包括一体成型的上平面、竖直面和下平面，上平面和下平面相互平行，上平面和下平面的固定侧边分别与竖直面固定连接，上平面和下平面的自由边分别通过螺钉安装一个夹片，夹片用于夹持样品8；样品支架9的竖直面上设有用于供弹体通过的小孔；样品支架9下平面固定安装在二轴位移台10上，二轴位移台10安装在升降台11上；样品支架9通过二轴位移台10和升降台11组合连接，可以精准控制空间位置，完成精准冲击。比如，在样品上建立二维坐标，可精确控制第一发子弹打在坐标(1,1)上，第二发子弹打在坐标(2,2)上，可用于研究不同冲击点的实验区别，属于变量的一种。

图6和图7中的样品支架9上平面和下平面为矩形，弹体运动方向与样品垂直。本发明的样品支架可以进行简单加工修改倾斜角度，因为冲击角度也是实验的一个重要变量，进行简单加工后可以预制任意倾斜角度，如图8所示，其上平面和下平面为直角梯形，在样品支架9的自由端预制了一个倾斜角度，能够改变弹体运动方向与样品角度关系。钢珠(一种弹体)同样能从后面的孔中飞出。而不是简单的旋转，因为简单整体旋转可能会使钢珠打不到后面的孔中，会打到夹具上弹回来对样品进行二次冲击，不利于实验分析。

所述样品两侧分别设有相机和闪光灯，如图9所示，相机与示波器连接，用于采集相机响应信号，图9中的相机与示波器分别位于样品的左右两侧。相机与闪光灯的位置并不唯一，只要分别位于样品的两侧，能够实现拍摄即可，其角度可以由用户自行调整，如图10所示，相机位于样品的斜前方和斜后方，能够从不同角度拍摄样品图片。

所述的激光遮断式测速装置2、挡板4上的开孔和样品支架9上的小孔均与炮管1同轴。

进一步地，所述激光遮断式测速装置2的侧面上对称地设置有用于提前泄压的直通方形孔。因为一级轻气炮用高压作为动力源，弹体较小时受气流影响比较大，而该装置放于炮管末端真空室内，这个方形孔用于提前泄压，能够防止前冲气体对弹体的影响，减小测试误差。

进一步地，所述钢环7表面喷涂有不导电的绝缘漆。

进一步地，所述样品支架9的上平面和下平面上分别对应地设有两个定位孔，下平面上的两个定位孔用于通过螺钉将样品支架9固定在二轴位移台10上，上平面上的两个定位孔用于安装两个螺钉。

为达到快速更换弹体，本发明采用弹托携带弹体式结构，可对弹托进行开槽换装不同材质、不同尺寸、不同形状的弹体，使不同弹体冲击试验可以在同一轻气炮上完成；为达到精准定位冲击目的，本发明采用二轴位移台和升降台固定样品支架结构，可方便调节样品空间位置，进行精准定位冲击。为实现高速相机多角度拍摄，本发明创新样品支架，对样品侧方大范围镂空，能够实现侧前方、正侧方、侧后方等多角度拍摄。

本发明的子弹结构是弹托携带弹体式，可以很方便的携带不同弹体，如2mm钢珠、4mm钢珠、4mm柱体、4mm锥体，这样可以很简单的完成一个变量(可以是尺寸上的，也可以是形状上的)的控制。观察在不同变量下的材料变形破坏模式。本发明的弹托15可以是塑料加工而成，根据不同的试验条件可以更换为铝、铜等金属。弹体16也可以根据不同试验条件进行更换，有不同材质、不同形状、不同大小等，如图11、图12和图13所示，图11的弹体采用球形，图12的弹体采用圆柱体形状，图13的弹体采用圆柱体与锥体相结合的方式，弹头为锥体，弹底为圆柱体。

本发明的工作原理为：本发明中，示波器、相机和闪光灯的触发方式为：弹托15前端携带铜环薄片17，在携带弹体16的弹托15在经过炮管之后首先会经过激光遮断式测速装置2，子弹会切断光纤接收激光的回路，从而达到测速的目的；然后弹托到达挡板4，挡板4会对弹托15进行阻挡，使弹体16脱离弹托15直接冲击样品。弹托碰撞在挡板上的信号触发装置(铜片6、钢环7和导线5组成)时，弹托前端的铜环薄片碰撞到镶嵌在挡板里的钢环上的一对铜片6时，线路导通，触发信号产生。产生的信号通过电阻-电容电路传递到数字延时触发器，由数字延时触发器再将信号分路传递给示波器、相机和闪光灯。本发明的控制系统原理如图14所示。其中数字延时触发器将信号传递给示波器，示波器一通道采集触发信号，二、三通道采集测速信号，四通道采集相机响应信号；经过一定延时t后数字延时触发器将信号传递给闪光灯，由于闪光灯会经过大约15μs才会达到最亮值，所以数字延时触发器会再延时15μs把信号传递给高速相机。而延时t加上15μs的时间就是弹体离开弹托到弹体到达样品的时间，即相机可以拍摄到弹体冲击样品瞬间，时序图见图15。例如，当需要试验冲击速度为500m/s时，铜片6距离样品8有20mm，即在信号触发后40μs弹体16到达样品8。若相机拍摄张数只有8张，每1us拍摄一张，总用时为8μs，则可以设置在触发信号后36us可以开始拍摄，这样可以在冲击前和冲击后各拍4张。由于闪光灯需要15μs才能达到最亮状态，则在信号触发后21μs闪光灯就要开始工作。

本发明公开了一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验方法，包括以下步骤：

S1、根据用户需要的尺寸对样品进行切割，并将切割的样品安装在样品支架上，将样品支架安装在二轴位移台上；

S2、根据用户需求调整相机和闪光灯的角度，相机和闪光灯分别位于样品的相对两侧；

S3、设置数字延时触发器，使之在收到信号后完成对示波器、闪光灯、相机的信号延时传递；设置示波器，使之处于等待触发状态；

S4、发射子弹，子弹经过激光遮断式测速装置时切断激光回路，将采集到的激光信号显示在示波器的二、三通道上，从示波器上得到遮挡两束激光的时间差ΔT，两束激光间隔距离记为L，则子弹速度为L÷ΔT；

S5、子弹碰撞挡板，铜环薄片与钢环表面的铜片接触，使得两根导线连通形成回路，产生一个触发信号，将触发信号发送至示波器的一通道进行显示；产生的触发信号通过电阻-电容电路传递到数字延时触发器，数字延时触发器经过不同延时后将信号分路传递给示波器、闪光灯、相机；

S7、相机接收数字延时触发器发送的信号并向示波器发送响应信号，该响应信号显示在示波器的四通道上；示波器与电脑相连接，电脑发送控制信号控制闪光灯和相机开始工作，打开闪光灯照射样品，相机采集样本图片，完成实验。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验装置，其特征在于，包括子弹和测试装置；

所述子弹包括弹托(15)、弹体(16)、橡胶圈(14)和铜环薄片(17)；所述弹托(15)两端分别设有凹槽，凹槽上套有橡胶圈(14)；弹托(15)一端粘有一个铜环薄片(17)；弹托(15)粘有铜环薄片(17)的一端设有用于安装弹体(16)的开孔；铜环薄片(17)中心设有弹体(16)通过的开孔；

所述测试装置依次包括炮管(1)、激光遮断式测速装置(2)、挡板(4)和样品支架(9)；

所述炮管(1)的末端固定连接激光遮断式测速装置(2)；所述激光遮断式测速装置(2)呈环形，其一端通过螺纹与炮管(1)固定连接，激光遮断式测速装置(2)的侧壁上对称的设有两组开孔，所述开孔用于供光纤(3)通过，光纤分别与示波器相连；

所述挡板(4)上与激光遮断式测速装置(2)相对应的位置处设有用于安装钢环(7)的环形凹槽，环形凹槽中央设有开孔；钢环(7)的表面上对称的设置有两个铜片(6)，铜片(6)分别与导线相连，导线通过电阻-电容电路连接数字延时触发器；

所述样品支架(9)包括一体成型的上平面、竖直面和下平面，上平面和下平面相互平行，上平面和下平面的固定侧边分别与竖直面固定连接，上平面和下平面的自由边分别通过螺钉安装一个夹片，夹片用于夹持样品；样品支架(9)的竖直面上设有用于供弹体通过的小孔；样品支架(9)下平面固定安装在二轴位移台(10)上，二轴位移台(10)安装在升降台(11)上；

所述样品两侧分别设有相机和闪光灯，相机与示波器连接；

所述的激光遮断式测速装置(2)、挡板(4)上的开孔和样品支架(9)上的小孔均与炮管(1)同轴。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验装置，其特征在于，所述激光遮断式测速装置(2)的侧面上对称地设置有用于提前泄压的直通方形孔。

3.根据权利要求1所述的一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验装置，其特征在于，所述钢环(7)表面喷涂有不导电的绝缘漆。

4.根据权利要求1所述的一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验装置，其特征在于，所述样品支架(9)的上平面和下平面上分别对应地设有两个定位孔，下平面上的两个定位孔用于通过螺钉将样品支架(9)固定在二轴位移台(10)上，上平面上的两个定位孔用于安装两个螺钉。

5.如权利要求1～4任意一项所述的一种适用于高速相机拍摄的侵彻实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据用户需要的尺寸对样品进行切割，并将切割的样品安装在样品支架上，将样品支架安装在二轴位移台上；

S2、根据用户需求调整相机和闪光灯的角度，相机和闪光灯分别位于样品的相对两侧；

S3、设置数字延时触发器，使之在收到信号后完成对示波器、闪光灯、相机的信号延时传递；设置示波器，使之处于等待触发状态；

S4、发射子弹，子弹经过激光遮断式测速装置时切断激光回路，将采集到的激光信号显示在示波器的二、三通道上，从示波器上得到遮挡两束激光的时间差ΔT，两束激光间隔距离记为L，则子弹速度为L÷ΔT；

S5、子弹碰撞挡板，铜环薄片与钢环表面的铜片接触，使得两根导线连通形成回路，产生一个触发信号，将触发信号发送至示波器的一通道进行显示；产生的触发信号通过电阻-电容电路传递到数字延时触发器，数字延时触发器经过不同延时后将信号分路传递给示波器、闪光灯、相机；

S7、相机接收数字延时触发器发送的信号并向示波器发送响应信号，该响应信号显示在示波器的四通道上；然后打开闪光灯照射样品，相机采集样本图片，完成实验。