CN109580977A - 空气炮弹丸出口速度测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空气炮弹丸出口速度测试系统，包括炮筒，其特征是：还包括半导体激光器、光电传感器、信号隔离器、直流电源和数字信号采集仪，所述炮筒出口侧壁上置有半导体激光器，在炮筒出口侧壁与半导体激光器相对位置上置有光电传感器，所述光电传感器通过信号隔离器与数字信号采集仪连接，半导体激光器和信号隔离器分别与直流电源连接。有益效果：本发明采用半导体激光器和光电传感器组成激光测速系统,再配合信号采集处理系统，成本较低，可大范围推广到类似弹丸的测速需求中。系统具有操作简便，成本低，适用范围广，测量精度高等优点，通过选用反应速度快的光电传感器和采样频率高的数采系统，测量速度可达1000m/s。
Description
技术领域
本发明属于物理测量测试领域，尤其涉及一种空气炮弹丸出口速度测试系统。
背景技术
空气炮是由压缩空气提供能量，瞬间释放推动弹丸飞出的一种设备。它有多种用途：1、研究材料在冲击压缩下的动力学特性、状态方程以及物理、化学特性；2、做成一种模拟远场爆炸分离冲击的试验系统，从而考核结构件或电子器件承受冲击的能力；3、可做成鸟撞或弹丸冲击系统，考核飞机某些部位承受鸟撞的能力或考核防暴门承受器物破坏冲击的能力。在这些功能的实现过程中,弹丸的速度是确定材料中冲击状态或冲击能量的最重要参数之一,因此,精确测量弹速是十分必要和重要的。通常测量弹速的方法主要有三种类型。第一、接触式测量方法，例如铝箔靶、铜丝网靶等。第二、非接触式测量方法，非接触式测量方法主要通过光电效应或电磁效应完成。第三、毫米波测速方法。空气炮的三种用途中均需要测量弹丸的出口速度。特别是在作为爆炸分离冲击试验系统使用时，需要按照不同的试验条件更换不同的大小和重量的弹丸。空气炮的炮口100mm内需要放置冲击谐振板，导致可以放置速度测量系统的距离及空间变得很小。这三种方法都由于上述限制而不方便使用，或即使使用也精度不高。另外，弹丸打在谐振板上也会产生几万g的加速度，对弹丸自身也会产生相同的冲击能量，也不适合使用在弹丸中放置无线速度传感器的测量方法。专利文献公开号103630819A公开了一种RFID芯片性能测试的装置，其特征在于：它包括空气炮(1)，空气炮(1)口连接有炮管(2)，空气炮(1)和炮管(2)安装在支架(3)上，炮管(2)两侧设有速度感应器(4)，能够感应到炮管(2)内RFID芯片运动速度，炮管(2)内RFID芯片高速运动下的读写性能能够被读写装置(5)捕获；所述空气炮(1)受控制装置(6)控制。上述现有技术采用RFID芯片测试空气炮的弹丸出口速度还不能满足更高的速度。为解决上述问题,亟待开发一种成本较低，可大范围推广到类似弹丸的测速需求中的空气炮弹丸出口速度测试系统。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的不足，提供一种空气炮弹丸出口速度测试系统，为弹丸的冲击能量提供数据支持。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现，一种空气炮弹丸出口速度测试系统，包括炮筒，其特征是：还包括半导体激光器、光电传感器、信号隔离器、直流电源和数字信号采集仪，所述炮筒出口侧壁上置有半导体激光器，在炮筒出口侧壁与半导体激光器相对位置上置有光电传感器，所述光电传感器通过信号隔离器与数字信号采集仪连接，半导体激光器和信号隔离器分别与直流电源连接。
所述半导体激光器和光电传感器固定在炮筒壁上的小孔中，靠近出口位置，采用真空封泥固定在孔中。
所述半导体激光器单独与一台直流电源连接，信号隔离器单独与一台直流电源连接。
所述半导体激光器发出的光线波长与光电传感器的光线接收波长一致。
所述光电传感器的反应时间为5ns。
所述数字信号采集仪的采样频率最高为100000Hz。
有益效果：与现有技术相比，本发明采用半导体激光器和光电传感器组成激光测速系统,再配合信号采集处理系统，成本较低，可大范围推广到类似弹丸的测速需求中。系统具有操作简便，成本低，适用范围广，测量精度高等优点，通过选用反应速度快的光电传感器和采样频率高的数采系统，测量速度可达1000m/s。
附图说明
图1是本发明的连接框图；
图2是实施例1设置两只半导体激光器的系统连接示意图；
图3是实施例2设置时单只半导体激光器的系统连接示意图；
图4是弹丸长度d＜L时数字信号采集仪采集的数据示意图；
图5是弹丸长度d＞L时数字信号采集仪采集的数据示意图；
图6是实施例2数字信号采集仪采集的数据示意图。
图中：1、炮筒，2、弹丸，3、半导体激光器，4、光电传感器，5、目标物，6、信号隔离器，7、直流电源，8、数字信号采集仪，9、电脑。d、弹丸长度，L、两光电传感器间隔，Δt、脉冲间隔时间。
具体实施方式
以下结合较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式详述如下：
详见附图1，本实施例公开了一种空气炮弹丸出口速度测试系统，包括炮筒1、半导体激光器3、光电传感器4、信号隔离器6、直流电源7和数字信号采集仪8，所述炮筒出口侧壁上置有半导体激光器，在炮筒出口侧壁与半导体激光器相对位置上置有光电传感器，所述光电传感器通过信号隔离器与数字信号采集仪连接，半导体激光器和信号隔离器分别与直流电源连接。数字信号采集仪与电脑9连接。所述半导体激光器和光电传感器固定在炮筒壁上的小孔中，靠近出口位置，采用真空封泥固定在孔中。所述半导体激光器单独与一台直流电源连接，信号隔离器单独与一台直流电源连接。所述半导体激光器发出的光线波长与光电传感器的光线接收波长一致。所述光电传感器的反应时间为5ns。所述数字信号采集仪的采样频率最高可达100000Hz。
工作原理
采用激光光电测速方法，利用激光光束遮断式测速原理，采集光电传感器脉冲间隔，以弹丸长度d或两光电传感器间隔L除以脉冲间隔时间Δt得速度；所述半导体激光器发出特定波长的光线，光电传感器接受特定波长的光线产生电流；信号隔离器将光电传感器产生的电流转换为电压信号；信号采集仪采集信号隔离器传递过来的电压信号，数字信号采集仪采集信号，通过电脑分析并显示。
工作过程
实施例1
系统连接详见附图2，两激光法：将两支半导体激光器安装在炮筒出口上下相距L的两个通孔上，将两支光电传感器安装在与激光器相对的两个通孔上；对激光器通直流电，半导体激光器发出的激光分别照射在两个光电传感器PIN上，PIN产生直流光电流；当一长度为d的弹丸2飞过时依次遮断这两束激光，则PIN管的光电流变为零，输出光电脉冲，将光电脉冲通过信号隔离器可转换成电压信号，即可通过数字信号采集器采集到，进而测量这两个光电脉冲的时间间隔Δt,以距离除以时间间隔则可计算出弹速。
实施例2
系统连接见附图3，单激光法：将一支半导体激光器安装在接近炮筒出口的位置，在其相对位置上安装光电传感器，弹丸有一定的长度d，当弹丸飞过时，PIN管的光电流从有到无再到有，可测量无光电流的时间间隔，以弹丸长度d除以时间间隔Δt，进而计算弹速。
根据需要，在炮筒出口位置打两个或四个直径合适的通孔，将半导体激光器和光电传感器放入其中并固定，在炮筒出口前方设置目标物5，半导体激光器和光电传感器的头部不能伸出炮筒壁，以免被运动的弹丸损伤；半导体激光器和光电传感器与炮筒的固定采用真空封泥粘并填缝，安装和拆卸均比较方便。
信号隔离器的作用是将电流信号转换为电压信号，方便数字信号采集器采集。一是因为光电传感器在感应到光强的时候产生的是电流信号，二是数字信号采集仪普遍只能采集电压信号。数字信号采集仪的选用应尽保证采样频率越高越好，因为弹丸速度越快，脉冲间隔越小，进而要求数字信号采集仪能尽可能多的采集数据，使分析的时间间隔更精确，本实施例选用的是东华5927数字信号采集仪。
半导体激光器和信号隔离器都需要直流电源供电，不同功率的激光器所需直流电压不同，且不同的激光器所发出的激光波长不同；光电传感器只对特定波长的光线比较敏感，能产生较强的电流，所以在组建系统时应选用匹配的激光器和光电传感器。另外，尽量选用响应速度快的光电传感器，这样测得的脉冲间隔时间更精确。本实施例选用的是650nm10mW激光器和2.5mm Silicon PIN光电传感器，其响应波长为400-1100nm，最敏感光源是950nm，响应强度在650nm可达0.44mA/mW，其响应时间为5ns。
如图3所示，对于两激光器法，当弹丸长度d＜L时，数字信号采集仪采集到的数据绘图；弹丸先经过下PIN，下PIN感受不到光源即无电流输出，直到弹丸完全通过下PIN，下PIN恢复电流；弹丸在上下PIN之间时，两PIN都产生电流，直到弹丸开始遮挡住上PIN；上PIN直到弹丸完全穿过继续产生电流，数采上即形成如图4所示的采集曲线，弹丸穿过L所用的时间Δt即为从开始遮挡下PIN到开始遮挡上PIN的时间差，用(L/Δt)即为炮弹速度。
如图4所示，对于两激光器法，当弹丸长度d＞L时，数字信号采集仪采集到的数据绘图；弹丸先经过下PIN，下PIN感受不到光源即无电流输出，直到弹丸完全通过下PIN，与图3不同的是由于d＞L，所以当弹丸还没有完全通过下PIN时，即已开始遮挡上PIN，形成梁PIN同时无电流的时间段；当弹丸完全通过下PIN，下PIN恢复电流；上PIN直到弹丸完全穿过也恢复产生电流，数采上即形成如图5所示的采集曲线，弹丸穿过L所用的时间Δt即为从开始遮挡下PIN到开始遮挡上PIN的时间差，用(L/Δt)即为炮弹速度。
如图5所示，对于单激光器法，数字信号采集仪采集到的数据绘图。弹丸经过PIN时开始遮挡光线，直到完全通过PIN，PIN恢复光线产生电流，数采上即形成如图6所示的采集曲线，弹丸行程为弹丸长度d所用的时间Δt即为从开始遮挡PIN到PIN恢复电流一瞬间的时间差，用(d/Δt)即为炮弹速度。
上述参照实施例对该一种空气炮弹丸出口速度测试系统的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种空气炮弹丸出口速度测试系统，包括炮筒，其特征是：还包括半导体激光器、光电传感器、信号隔离器、直流电源和数字信号采集仪，所述炮筒出口侧壁上置有半导体激光器，在炮筒出口侧壁与半导体激光器相对位置上置有光电传感器，所述光电传感器通过信号隔离器与数字信号采集仪连接，半导体激光器和信号隔离器分别与直流电源连接。
2.根据权利要求1所述的空气炮弹丸出口速度测试系统，其特征是：所述半导体激光器和光电传感器固定在炮筒壁上的小孔中，靠近出口位置，采用真空封泥固定在孔中。
3.根据权利要求1所述的空气炮弹丸出口速度测试系统，其特征是：所述半导体激光器单独与一台直流电源连接，信号隔离器单独与一台直流电源连接。
4.根据权利要求1或2所述的空气炮弹丸出口速度测试系统，其特征是：所述半导体激光器发出的光线波长与光电传感器的光线接收波长一致。
5.根据权利要求4所述的空气炮弹丸出口速度测试系统，其特征是：所述光电传感器的反应时间为5ns。
6.根据权利要求1所述的空气炮弹丸出口速度测试系统，其特征是：所述数字信号采集仪的采样频率最高为100000Hz。
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