CN109030255A - 一种抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁场与传感器领域，尤其涉及一种抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置及控制方法，有效地解决霍普金森杆多脉冲加载后所遇到的入射杆和透射杆反弹问题，提高了测量的精确度。电磁装置包括第一线圈、第二线圈、光电传感器及电路系统，电路系统分别与第一线圈、第二线圈、光电传感器连接；霍普金森杆的透射杆固定在缓冲挡板上；第一线圈穿套在霍普金森杆的透射杆的一端，所述透射杆的另一端通过试件与霍普金森杆的入射杆连接；第二线圈穿套在所述入射杆的一端，光电传感器设置在入射杆的另一端；霍普金森杆的透射杆和入射杆分别穿出第一线圈、第二线圈。

Description

一种抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电磁场与传感器领域，尤其涉及一种抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置及控制方法。

背景技术

如今，对于材料在高应变率下动态力学特性的研究，尤其是汽车撞击、地震中的二次冲击、炸弹的二次爆炸等情况下引起的冲击载荷作用成了材料性能研究课题中的热点，这些冲击载荷均可由撞击子弹产生，而其中一种装置就是连续加载的多脉冲霍普金森杆装置。多脉冲霍普金森杆装置在加载脉冲过程中，会出现脉冲后的反弹现象，不利于下一次脉冲的连续加载，故会影响试样两端输入与输出应变力波形采集，导致测量不精确。

目前电磁技术的发展日渐成熟，基于电磁技术的应用也越来越广泛，主要应用于军事、运输、航天等领域。本发明利用电磁技术，提供一种有效地解决多脉冲霍普金森杆所遇到的入射杆和透射杆反弹问题的技术方案。

发明内容

为了抑制霍普金森杆多脉冲连续加载的入射杆和透射杆反弹现象的出现，本发明提供一种抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置，通过产生相应的电磁力来抑制反弹力，防止入射杆与试件分离或透射杆与缓冲挡板分离，影响子弹的加载，以确保测量数据的准确性。

本发明还提供一种抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置的控制方法。

本发明电磁装置采用如下技术方案来实现：一种抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置，其特征在于，包括第一线圈、第二线圈、光电传感器及电路系统，电路系统分别与第一线圈、第二线圈、光电传感器连接；

霍普金森杆的透射杆固定在缓冲挡板上；第一线圈穿套在霍普金森杆的透射杆的一端，所述透射杆的另一端通过试件与霍普金森杆的入射杆连接；第二线圈穿套在所述入射杆的一端，光电传感器设置在入射杆的另一端；霍普金森杆的透射杆和入射杆分别穿出第一线圈、第二线圈；

当子弹撞击所述入射杆时，经过光电传感器，触发光电信号，电路系统对第二线圈产生放电电流，放电电流流经第二线圈产生磁场，入射杆被磁化，磁化后的入射杆受到第二线圈磁矩的作用，产生相应的电磁力来抑制入射杆的反弹力，防止入射杆与试件分离；

所述光电信号触发电路系统产生中断，触发电路系统对第一线圈产生放电电流，放电电流流经第一线圈产生磁场，透射杆被磁化，磁化后的透射杆受到第一线圈磁矩的作用，产生相应的电磁力来抑制缓冲挡板给透射杆的反弹力，防止透射杆与缓冲挡板分离。

优选地，所述电路系统包括光电触发放电电路与单片机触发放电电路；

光电触发放电电路包括三极管Q3、晶闸管Q1和电容C1；光电传感器经三极管Q3与晶闸管Q1连接，晶闸管Q1、电容C1与第二线圈2连接；

单片机触发放电电路包括单片机、光电耦合器、电容C2和晶闸管Q2，单片机的外部中断端口与三极管Q3的基极连接，单片机的输出端口与光电耦合器的二极管端连接，光电耦合器的C-E端与晶闸管的门极连接，晶闸管Q2、电容C2与第一线圈连接。

本发明控制方法基于上述电磁装置，包括以下步骤：

子弹对入射杆进行多次冲击；

子弹撞击入射杆时，入射杆出现反弹现象；当子弹撞击入射杆瞬间，同时遮挡光电传感器，从而触发光电信号；

电路系统接收光电信号后，控制与第二线圈连接的电容C1开始放电，同时将光电信号传给单片机，电流流经第二线圈，产生磁场，入射杆产生相应的电磁力，抵消作用于入射杆的反弹力；

在子弹撞击下，透射杆也出现反弹现象；经过单片机微秒级别的延时，与第一线圈连接的电容C2放电，电流流经第一线圈，产生磁场，改变透射杆磁阻，对透射杆产生相应的电磁力，抵消作用于透射杆的反弹力。

与现有技术相比，本发明取得了如下有益效果：解决了霍普金森杆多脉冲连续加载所带来的反弹问题，为实施数据测量与整合带来了不错的效果；且装置的结构简单，使用方便。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置的整体结构示意图；

图2是电路系统的电路图；

图3是本发明控制方法的流程图；

其中：1-第一线圈，2-第二线圈，3-光电传感器，4-固定底座，5-电路系统，6-单片机，7-缓冲挡板，8-透射杆，9-试件，10-入射杆，11-第一子弹，12-第二子弹。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，但本发明的实施方式并不限于此。

如图1所示，本发明抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置，包括：第一线圈1、第二线圈2、光电传感器3、固定底座4及电路系统5，固定底座将线圈固定，电路系统分别与第一线圈、第二线圈、光电传感器连接，电路系统的处理器采用单片机6实现。

霍普金森杆的透射杆10固定在缓冲挡板7上。第一线圈1穿套在霍普金森杆的透射杆8的一端，透射杆8的另一端通过试件9与霍普金森杆的入射杆10连接；第二线圈2穿套在霍普金森杆的入射杆10的一端，即第二线圈2位于靠近试件9的一端，光电传感器设置在入射杆10的另一端。霍普金森杆的透射杆和入射杆分别穿出第一线圈、第二线圈，且穿出长度最好在1-3cm范围内。

如图2所示，电路系统包括：供电电路、光电触发放电电路与单片机触发放电电路。供电电路包括电池、升压模块、降压模块、发光二极管、总开关、充电开关和电容。供电电路给光电触发放电电路、单片机触发放电电路提供电源。

光电触发放电电路包括三极管Q3、电容C1、电阻和晶闸管Q1；光电传感器3采用槽型光耦，并经三极管Q3与晶闸管Q1连接，槽型光耦与三极管Q3的集电极之间设有电阻；三极管Q3的集电极与基极之间设有偏置电阻，晶闸管Q1、电容C1与第二线圈2(即L1)连接。本实施例中槽型光耦采用光电门(H2210)实现。

光电触发放电电路的工作原理主要是：当有物体遮挡光电门(H2210)时，光电门触发放电电路中三极管Q3(9014)的基极从低电平往高电平跳变(由0V跳变到4.95V)，即产生光电信号，从而让三极管Q3的集电极与发射极之间(C-E端)导通，然后触发晶闸管Q1(70TPS12)的门极，让晶闸管Q1的阴极和阳极导通，从而使电容C1放电。

单片机触发放电电路包括单片机6、光电耦合器、电容C2、电阻和晶闸管Q2，单片机的外部中断端口INT0与三极管Q3的基极连接，单片机的输出端口PD0经电阻R4与光电耦合器的二极管端连接，光电耦合器的C-E端经电阻R5与晶闸管Q2的门极连接，晶闸管Q2、电容C2与第一线圈1(即L2)连接。

单片机触发放电电路的工作原理主要是：当有物体遮挡光电门(H2210)时，光电门触发放电电路中三极管Q3(9014)的基极从低电平往高电平跳变(由0V跳变到4.95V)，产生光电信号；该光电信号输入到单片机的外部中断INT0，即单片机的PD2端口，并设置以上升沿的方式触发中断，单片机进入中断服务函数，调用自定义延时函数，经过100微秒以内的延时后，单片机的PD0端口输出高电平(5V)，此时光电耦合器(PC817)的二极管端导通，触发光电耦合器的C-E端导通，接着触发晶闸管Q2(70TPS12)的门极，让晶闸管的阴极和阳极导通从而使电容C2放电，随后单片机的PD0端口由高电平(5V)变为低电平(0V)。

本发明的工作原理如下：第一子弹11初次加载时，经过光电传感器3，触发电路系统5控制与第二线圈2连接的电容C1放电，电流流经第二线圈2产生磁场，霍普金森杆的入射杆10被磁化，磁化后的入射杆受到第二线圈2磁矩的作用，产生一个向右的电磁力来抑制霍普金森杆测量装置给入射杆的反弹力，防止入射杆与试件分离，进而影响第二子弹12的加载。

同时，第一子弹11撞击瞬间，光电信号也传达给单片机，触发单片机内部的中断服务函数，并使用软件延时(即调用自定义延时函数)，经过100微秒以内的延时，触发电路系统控制与第一线圈1连接的电容C2放电，电流流经第一线圈1产生磁场，霍普金森杆的透射杆8被磁化，磁化后的透射杆受到第一线圈1磁矩的作用，产生一个向右的电磁力来抑制缓冲挡板给透射杆的反弹力，防止透射杆与缓冲挡板分离，进而影响第二子弹12的加载。

如图3，本发明电磁装置的控制方法，包括如下步骤：

S1、为电路系统充电至一定电压；

S2、位于霍普金森杆测量装置右端的霍普金森杆发射装置发射子弹，对入射杆进行多次冲击；

S3、子弹撞击入射杆时，入射杆会出现反弹现象；当子弹撞击入射杆瞬间，同时也遮挡光电门，从而触发光电信号；

S4、电路系统接收光电信号后，控制与第二线圈2连接的电容C1开始放电，同时将光电信号传给单片机，电流流经第二线圈2，产生磁场，入射杆产生一个向左的电磁力，抵消作用于入射杆向右的反弹力；

S5、在子弹撞击下，透射杆也出现反弹现象；经过单片机微秒级别的延时，与第一线圈1连接的电容C2放电，电流流经第一线圈1，产生磁场，改变透射杆磁阻，对透射杆产生一个向左的电磁力，抵消作用于透射杆向右的反弹力。

至此，入射杆和透射杆的反弹现象都得到了解决，夹在入射杆和透射杆之间的试件也不会被弹开，有利于下一次子弹进行撞击。

本实施例中，撞击子弹11、12，试件、入射杆、透射杆、缓冲挡板及子弹的发射装置，均有相关成熟的技术，在此不再作仔细介绍。

需要说明的是，供电电路的电池可以但不限于为12V锂电池，升压模块可以但不限于为ZVS升压模块，二极管可以但不限于为FR207快恢复二极管；光电触发放电电路和单片机触发放电电路的晶闸管可以但不限于为70TPS12晶闸管。用于充电的电容与用于放电的电容为同一个电容。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属技术领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明所请求保护的范围中。

Claims (7)

1.一种抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置，其特征在于，包括第一线圈、第二线圈、光电传感器及电路系统，电路系统分别与第一线圈、第二线圈、光电传感器连接；

霍普金森杆的透射杆固定在缓冲挡板上；第一线圈穿套在霍普金森杆的透射杆的一端，所述透射杆的另一端通过试件与霍普金森杆的入射杆连接；第二线圈穿套在所述入射杆的一端，光电传感器设置在入射杆的另一端；霍普金森杆的透射杆和入射杆分别穿出第一线圈、第二线圈；

当子弹撞击所述入射杆时，经过光电传感器，触发光电信号，电路系统对第二线圈产生放电电流，放电电流流经第二线圈产生磁场，入射杆被磁化，磁化后的入射杆受到第二线圈磁矩的作用，产生相应的电磁力来抑制入射杆的反弹力，防止入射杆与试件分离；

所述光电信号触发电路系统产生中断，触发电路系统对第一线圈产生放电电流，放电电流流经第一线圈产生磁场，透射杆被磁化，磁化后的透射杆受到第一线圈磁矩的作用，产生相应的电磁力来抑制缓冲挡板给透射杆的反弹力，防止透射杆与缓冲挡板分离。

2.根据权利要求1所述的抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置，其特征在于，所述电路系统包括光电触发放电电路与单片机触发放电电路；

光电触发放电电路包括三极管Q3、晶闸管Q1和电容C1；光电传感器经三极管Q3与晶闸管Q1连接，晶闸管Q1、电容C1与第二线圈2连接；

单片机触发放电电路包括单片机、光电耦合器、电容C2和晶闸管Q2，单片机的外部中断端口与三极管Q3的基极连接，单片机的输出端口与光电耦合器的二极管端连接，光电耦合器的C-E端与晶闸管的门极连接，晶闸管Q2、电容C2与第一线圈连接。

3.根据权利要求2所述的抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置，其特征在于，所述电路系统还包括给光电触发放电电路与单片机触发放电电路供电的供电电路。

4.根据权利要求1所述的抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置，其特征在于，所述光电传感器采用光电门实现。

5.根据权利要求1所述的抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置，其特征在于，所述电磁装置还包括用于将第一线圈、第二线圈固定的固定底座。

6.根据权利要求1所述的抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置，其特征在于，入射杆和透射杆分别穿出第一线圈、第二线圈的穿出长度在1-3cm范围内。

7.基于权利要求2所述抑制多脉冲霍普金森杆反弹的电磁装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

子弹对入射杆进行多次冲击；

子弹撞击入射杆时，入射杆出现反弹现象；当子弹撞击入射杆瞬间，同时遮挡光电传感器，从而触发光电信号；

电路系统接收光电信号后，控制与第二线圈连接的电容C1开始放电，同时将光电信号传给单片机，电流流经第二线圈，产生磁场，入射杆产生相应的电磁力，抵消作用于入射杆的反弹力；

在子弹撞击下，透射杆也出现反弹现象；经过单片机微秒级别的延时，与第一线圈连接的电容C2放电，电流流经第一线圈，产生磁场，改变透射杆磁阻，对透射杆产生相应的电磁力，抵消作用于透射杆的反弹力。