CN110068410B - 一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器，目的是解决爆炸冲击波冲量计算结果误差大、测试设备现场应用受限问题。本发明由空腔壳体、动量块、滑道、接收涂层、密封板组成。接收涂层平铺于空腔壳体右端的密封板左侧面。滑道右端面和空腔壳体左端面紧密连接，滑道内部开设限位槽，空腔壳体和密封板同轴装配。空腔壳体为动量块提供水平运动和下落的空间。接收涂层用于记录动量块撞击壁面的空间位置。当冲击波作用于动量块时，驱动动量块沿滑道运动并撞击到接收涂层，记录下动量块在腔体内下落的位移即可求出动量块获得的动量，进而获得冲击波的冲量。本发明结构简单、成本低、抗干扰能力强、布设快速、结果处理方便，测量精度高。

Description

一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器

技术领域

本发明属于一种测量装置，具体涉及一种无源冲击波冲量测量传感器。

背景技术

爆炸产生的冲击波正压区压力时程曲线对时间的积分值即比冲量指爆炸场内单位面积受到的压力冲量。比冲量同超压峰值、正压作用时间决定了冲击波的毁伤效果。比冲量乘以作用面积即可得到爆炸冲击波在测点处的冲量值。比冲量测试方法主要有压力传感器法、冲击摆法和等高线法等。其中，广泛应用的是压力传感器法，该方法是利用电测压力传感器测量得到瞬态超压曲线，通常采用矩形法、梯形法、辛普森法等数值积分方法对冲击波曲线进行积分获得比冲量的值。但是，电测传感器的长电缆易受冲击波影响产生“电缆效应”和干扰信号；爆炸现场会产生高温、高压、高机械冲击波，也会给测试结果带来寄生输出；同时测量系统的组成设备多，成本高，受野外试验条件的制约程度高。“电缆效应”、干扰信号和寄生输出等问题会导致测试系统的输出不能完全准确地反映输入的冲击波信号，以致测试存在一定的动态误差，影响冲击波超压曲线的准确性，进而影响最后的积分结果。

冲击摆法是由一个挂在旋转轴上的长圆柱形实心摆体构成，将待测冲量转化为摆体的动量，具有抗干扰能力强和无需现场标定等优点，但试验过程中设备的质心和打击中心难以准确地确定，导致测量结果的误差很大，而且由于爆炸的破坏作用，使得冲击摆法在高能炸药爆炸冲量测试中的应用，尤其是在野外试验环境下应用存在较大的困难。等高线法是在距爆炸中心一定距离处的两个铁架上沿圆周方向分别摆放十个大圆柱和十个小圆柱，铁架高度与炸药高度保持一致，得到不同半径上的冲量大小，末动量减去初动量的结果就是冲量。该方法需利用高速相机判读速度值，实际应用受到很大限制。

目前在获得冲击波的比冲量值方面，没有专用的传感器对比冲量值进行测量，一般都是利用对采集到的数据曲线进行积分的办法来获得。就现阶段的电测压力传感器法而言，传感器易受爆炸场恶劣环境影响，所得测试结果易伴有寄生输出，冲击波压力时程曲线准确性有待提高，且布设难度大，使用成本高。而冲击摆法和等高线法，无论在技术方面还是经济方面都有一定的困难，且数据判读受人为因素影响比较较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对目前爆炸冲击波冲量测量计算结果误差大、测试设备现场应用受限等问题，提供一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器，具有结构简单、成本低、抗干扰能力强、布设快速、后结果处理方便等特点，以降低测试难度，提高测量精度。

本发明的技术方案是：

本发明由空腔壳体、动量块、滑道、接收涂层、密封板组成。定义空腔壳体靠近爆炸点的一端为本发明的左端，远离爆炸点的一端为本发明的右端。滑道右端面和空腔壳体左端面紧密连接，二者上端面平齐。滑道内部开设限位槽，用于固定初始状态的动量块。接收涂层位于空腔壳体内部，平铺于空腔壳体右端的密封板左侧面。空腔壳体和密封板同轴装配。

空腔壳体为长方体，外侧高度H₁满足0.05m<H₁<1.0m，壁厚t₁满足0.001m<t₁<0.01m，内侧高度h₁＝H₁-2t₁，外侧长度L₁满足0.05m<L₁<1.0m，内侧长度l₁＝L₁-t₁，外侧宽度W₁满足0.01H₁<W₁<0.5H₁，内侧宽度w₁＝L₁-2t₁。空腔壳体采用金属材料或者有机玻璃等制成，密度ρ₁>1.0g/cm³，屈服强度σ₁>100MPa，具体材料和强度以在爆炸冲击波作用下无明显变形即可。空腔壳体为动量块提供水平运动和下落的空间。

动量块以球形为宜，直径d₁满足0.01H₁<d₁<0.2H₁。动量块材料由具有一定强度的材料制成，要求在爆炸冲击波作用下无塑性变形，密度ρ₂>1.0g/cm³，屈服强度σ₂>100MPa。动量块受到冲击波作用后，沿滑道向右侧运动，撞击到空腔壳体右侧的接收涂层上，记录动量块下落的空间位移，通过自由落体运动原理可计算出动量块的运动速度，进一步得到动量，即传感器测点处的冲击波冲量。

滑道为圆筒型，内直径d₂满足d₁<d₂<2.0d₁，壁厚等于t₁，外直径D₁＝d₂+2t₁，长度L₂满足0.01L₁<L₂<0.5L₁。滑道采用金属材料或者有机玻璃等制成，密度ρ₃>1.0g/cm³，屈服强度σ₃>100MPa，具体材料和强度以在爆炸冲击波作用下无明显变形即可。滑道上端与空腔壳体上端面相切，滑道内部下端开设限位槽，用于固定初始时刻动量块位置，防止球状动量块四处滚动。限位槽为凹球面，长度D₂满足0.6d₁<D₂<d₁，深度t₂满足0.01d₁<t₂<0.3d₁。

接收涂层为长条状，厚度δ₁满足0.01t₁<δ₁<0.1t₁，高度等于h₁，宽度等于w₁。接收涂层材料为慢回弹材料，硬度HB<100N/mm²，如橡皮泥、陶土等，具体材料以在动量块撞击作用下发生明显变形或可留下明显印记即可。接收涂层均匀覆盖满空腔壳体右端密封板上，用于记录动量块撞击壁面的空间位置(动量块下落的空间位移s指从动量块初始位置到撞击痕迹A处的垂直距离)。动量块的接收除了在密封板上铺设接收涂层外，还可以通过以下方式进行：1.在金属箔上均匀喷满薄薄一层油漆，将金属箔覆盖在密封板上，密封板固定在空腔壳体右端面，动量块撞击金属箔，可在油漆层上留下痕迹；2.在空腔壳体右端挂放放网状回收装置，动量块运动到空腔壳体右端后落入某一网格中，记录网格位置即可知道动量块下落的空间位移s(此时空间位移s为图4中s’-d₁/2)。

密封板为方形薄板，高度H₂满足1.0H₁<H₂<1.2H₁，宽度等于H₂，厚度t₃满足1.0t₁<t₃<1.1t₁。密封板为硬质合金材料，密度ρ₄>2.0g/cm³，屈服强度σ₄>200MPa，具体材料和强度以在爆炸冲击波作用下无明显变形即可。密封板通过活动螺栓固定在空腔壳体右端面，和空腔壳体同轴装配。每次测试开始前，确保接收涂层均匀覆盖满密封板；测试结束后，通过拆卸密封板、更换接收涂层，可实现传感器的重复利用。密封板上布设刻度尺，刻度尺分度值小于1mm，方便读取动量块下落的空间位移。

采用本发明进行爆炸场冲击波冲量测量的过程是：

在冲击波冲量测量开始前，确保动量块放置于滑道内的凹槽处。将本发明整体牢固固定在支架上，并尽量保证爆炸点与本发明滑道左端面法线位于同一直线上；支架为细长杆，材料采用强度比较大的合金钢，支架直径和长度依据具体实验条件确定，支架下端固定在大地或者较重的支座上。实验开始时，爆炸点处发生爆炸，产生的冲击波在空间进行传播，当冲击波到达动量块时，对动量块进行冲击波脉冲加载。冲击波阵面的冲量传递给动量块，并转化为动量块的冲量，从而驱动动量块沿滑道运动并撞击到空腔壳体右端面的接收涂层上，在涂层上留下撞击痕迹。爆炸结束后，通过接收涂层上留下的撞击痕迹(或通过回收网格)，记录下动量块在腔体内下落的空间位移s(空间位移s指从动量块初始位置到撞击痕迹处的垂直距离)，根据自由落体运动公式

求出动量块的运动时间t，再用公式

求出冲击波作用后动量块的初始速度，动量块质量m与速度v的乘积即为动量块获得的冲量。由于动量块不会产生塑性变形，因此动量块的冲量就是爆炸点处炸药爆炸引起的空气冲击波传递给传感器的冲量，从而实现冲击波冲量的无源测量。

传统冲击波超压电测法测量系统的组成设备多，仪器校准标定繁琐，成本高，受野外试验条件的制约程度高。与现有技术相比，采用本发明可以达到以下有益效果：基于自由落体运动原理，将冲击波冲量转化为动量块速度，动量块的速度易于测量且能反映出爆炸波的冲击过程；与传统电测法数据处理过程相比，本发明省去了繁琐的积分计算过程，测量装置也不易受各种干扰信号的影响，测量结果直接、准确；本发明结构简单，密封板拆装方便，采用接收涂层时每次实验仅需更换接收涂层，采用油漆时只需在痕迹重新喷涂油漆，采用网格接收装置时不需更换，传感器制造成本低且可重复使用。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图。

图2是本发明的轴向剖视图。

图3是空腔壳体1和滑道3的三维示意图。

图4是接收网格示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明由空腔壳体1、动量块2、滑道3、接收涂层4、密封板6组成。定义空腔壳体1靠近爆炸点的一端为本发明的左端，远离爆炸点的一端为本发明的右端。滑道3和空腔壳体1联通，二者上端面平齐。滑道3内部开设限位槽5，用于固定初始状态的动量块2。接收涂层4位于空腔壳体1内部，平铺于空腔壳体1右端的密封板6左侧面。空腔壳体1和密封板6同轴装配。

如图2所示，空腔壳体1为长方体，外侧高度H₁满足0.05m<H₁<1.0m，壁厚t₁满足0.001m<t₁<0.01m，内侧高度h₁＝H₁-2t₁，外侧长度L₁满足0.05m<L₁<1.0m，内侧长度l₁＝L₁-t₁，如图3所示，空腔壳体1外侧宽度W₁满足0.01H₁<W₁<0.5H₁，内侧宽度w₁＝W₁-2t₁。空腔壳体1采用金属材料或者有机玻璃等制成，密度ρ₁>1.0g/cm³，屈服强度σ₁>100MPa。空腔壳体1为动量块2提供水平运动和下落的空间。

动量块2以球形为宜，直径d₁满足0.01H₁<d₁<0.2H₁。动量块2材料由具有一定强度的材料制成，要求在爆炸冲击波作用下无塑性变形，密度ρ₂>1.0g/cm³，屈服强度σ₂>100MPa。动量块2受到冲击波作用后，沿滑道3向右侧运动，撞击到空腔壳体1右侧的接收涂层4上，记录动量块2下落的空间位移，通过自由落体运动原理可计算出动量块2的运动速度，进一步得到动量，即传感器测点处的冲击波冲量。

滑道3为圆筒型，内直径d₂满足d₁<d₂<2.0d₁，壁厚等于t₁，外直径D₁＝d₂+2t₁，长度L₂满足0.01L₁<L₂<0.5L₁。滑道3采用金属材料或者有机玻璃等制成，密度ρ₃>1.0g/cm³，屈服强度σ₃>100MPa，具体材料和强度以在爆炸冲击波作用下无明显变形即可。滑道3上端与空腔壳体1上端面相切，滑道3内部下端开设限位槽5，用于固定初始时刻动量块2位置，防止球状动量块2四处滚动。限位槽5直径D₂满足0.6d₁<D₂<d₁，深度t₂满足0.01d₁<t₂<0.3d₁。

接收涂层4为长条形，厚度δ₁满足0.01t₁<δ₁<0.1t₁，高度等于h₁，宽度等于w₁。接收涂层4材料为慢回弹材料，硬度HB<100N/mm²，如橡皮泥、陶土等，具体材料以在动量块2撞击作用下发生明显变形或可留下明显印记即可。接收涂层4均匀覆盖满空腔壳体1右端的密封板6朝左的一面，用于记录动量块2撞击接收涂层4的空间位移s，s指从动量块初始位置到撞击痕迹处的垂直距离。动量块2的接收除了在密封板6上铺设接收涂层4外，还可以通过以下方式进行：1.在金属箔上均匀喷满薄薄一层油漆，将金属箔覆盖在密封板6朝左的一面，密封板6固定在空腔壳体1右端面，动量块2撞击金属箔，可在油漆面上留下痕迹，撞击痕迹如图2中A点所示；2.在空腔壳体1右端挂放网状回收装置10，如图4所示，动量块2运动到空腔壳体1右端后落入某一网格中，记录网格位置即可知道动量块2下落的空间位移。网状回收装置由多个盒子纵横规则排列而成，每个盒子的位置可以用坐标记录，一个盒子即为一个网格，每个盒子的大小满足能容纳动量块2即可。网状回收装置的高度等于h₁，宽度等于w₁，空间位移s＝s’-d₁/2，s’为h₁的上端点到动量块2被网状回收装置接收并静止后的质心的距离。

密封板6为方形薄板，高度H₂满足1.0H₁<H₂<1.2H₁，宽度等于H₂，厚度t₃满足1.0t₁<t₃<1.1t₁。密封板6采用硬质合金材料，密度ρ₄>2.0g/cm³，屈服强度σ₄>200MPa，具体材料和强度以在爆炸冲击波作用下无明显变形即可。密封板6通过活动螺栓7固定在空腔壳体1右端面，和空腔壳体1同轴装配。每次测试开始前，确保接收涂层4均匀覆盖满在密封板6上；测试结束后，通过拆卸密封板6、更换接收涂层4，可实现传感器的重复利用。密封板6上可布设刻度尺9，刻度尺9分度值小于1mm，方便读取动量块2下落的空间位移s。

以上实施范例仅为本发明的一种实施方式。其具体结构和尺寸可根据实际需要进行相应的调整。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明专利的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器，其特征在于基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器由空腔壳体(1)、动量块(2)、滑道(3)、接收涂层(4)、密封板(6)组成；定义空腔壳体(1)靠近爆炸点的一端为左端，远离爆炸点的一端为右端；接收涂层(4)位于空腔壳体(1)内部，平铺于空腔壳体(1)右端的密封板(6)左侧面；滑道(3)和空腔壳体(1)联通，二者上端面平齐；滑道(3)内部开设限位槽(5)，用于固定初始状态的动量块(2)；空腔壳体(1)和密封板(6)同轴装配；

空腔壳体(1)为长方体，外侧高度为H₁，壁厚为t₁，内侧高度h₁＝H₁-2t₁，外侧长度为L₁，内侧长度l₁＝L₁-t₁，空腔壳体(1)外侧宽度为W₁，内侧宽度w₁＝W₁-2t₁；空腔壳体(1)采用金属材料或者有机玻璃制成，空腔壳体(1)为动量块(2)提供水平运动和下落的空间；

动量块(2)为球形，直径为d₁，动量块(2)材料要求在爆炸冲击波作用下无塑性变形，动量块(2)受到冲击波作用后，沿滑道(3)向右侧运动，撞击到空腔壳体(1)右侧的接收涂层(4)上，通过记录动量块(2)下落的空间位移s，s指从动量块初始位置到撞击痕迹处的垂直距离，采用自由落体运动原理计算动量块(2)的动量，即得到传感器测点处的冲击波冲量；

滑道(3)为圆筒型，内直径为d₂，圆筒壁壁厚等于t₁，外直径D₁＝d₂+2t₁，长度为L₂；滑道(3)采用金属材料或者有机玻璃制成，满足在爆炸冲击波作用下无明显变形；滑道(3)上端与空腔壳体(1)上端面相切，滑道(3)内部下端开设限位槽(5)；

接收涂层(4)为长条形，厚度为δ₁，高度等于h₁，宽度等于w₁；接收涂层(4)材料为慢回弹材料，要求在动量块(2)撞击作用下发生变形或者留下印记；接收涂层(4)均匀覆盖满空腔壳体(1)右端的密封板(6)朝左的一面，用于记录动量块(2)撞击接收涂层(4)的空间位移s；

密封板(6)为方形薄板，高度为H₂，宽度等于H₂，厚度为t₃；密封板(6)采用硬质合金材料，满足在爆炸冲击波作用下无明显变形；密封板(6)通过活动螺栓(7)固定在空腔壳体(1)右端面，和空腔壳体(1)同轴装配；密封板(6)上均匀覆盖满接收涂层(4)。

2.如权利要求1所述的一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器，其特征在于所述空腔壳体(1)外侧高度H₁满足0.05m<H₁<1.0m，壁厚t₁满足0.001m<t₁<0.01m，内侧高度h₁＝H₁-2t₁，外侧长度L₁满足0.05m<L₁<1.0m，空腔壳体(1)外侧宽度W₁满足0.01H₁<W₁<0.5H₁；空腔壳体(1)密度ρ₁>1.0g/cm³，屈服强度σ₁>100MPa。

3.如权利要求1所述的一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器，其特征在于所述动量块(2)直径d₁满足0.01H₁<d₁<0.2H₁，动量块(2)密度ρ₂>1.0g/cm³，屈服强度σ₂>100MPa。

4.如权利要求1所述的一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器，其特征在于所述滑道(3)内直径d₂满足d₁<d₂<2.0d₁，长度L₂满足0.01L₁<L₂<0.5L₁；滑道(3)密度ρ₃>1.0g/cm³，屈服强度σ₃>100Mpa。

5.如权利要求1所述的一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器，其特征在于所述接收涂层(4)厚度δ₁满足0.01t₁<δ₁<0.1t₁，接收涂层(4)硬度HB满足HB<100N/mm²。

6.如权利要求5所述的一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器，其特征在于所述接收涂层(4)采用橡皮泥、陶土。

7.如权利要求1所述的一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器，其特征在于所述限位槽(5)为在滑道(3)的底面挖的一个凹球面，凹球面长度D₂满足0.6d₁<D₂<d₁，深度t₂满足0.01d₁<t₂<0.3d₁。

8.如权利要求1所述的一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器，其特征在于所述密封板(6)高度H₂满足1.0H₁<H₂<1.2H₁，厚度t₃满足1.0t₁<t₃<1.1t₁；密封板(6)密度ρ₄>2.0g/cm³，屈服强度σ₄>200MPa。

9.如权利要求8所述的一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器，其特征在于所述密封板(6)上布设刻度尺(9)，刻度尺(9)分度值小于1mm。

10.如权利要求1所述的一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器，其特征在于所述接收涂层(4)为在金属箔上均匀喷满的一层油漆，金属箔覆盖在密封板(6)朝左的一面，密封板(6)固定在空腔壳体(1)右端面，动量块(2)撞击金属箔，在油漆面上留下痕迹，动量块下落的空间位移s为从动量块初始位置到撞击痕迹处的垂直距离。

11.如权利要求1所述的一种基于动量块的无源冲击波冲量测量传感器，其特征在于所述接收涂层(4)改为在空腔壳体(1)右端挂放网状回收装置(10)，动量块(2)运动到空腔壳体(1)右端后落入某一网格中，动量块下落的空间位移s＝s’-d₁/2，s’为h₁的上端点到动量块(2)被网状回收装置(10)接收并静止后的质心的距离。

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