CN110763389B - 一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器。本发明由迎风球、摇杆、支撑杆、盖板、刀片、吸能构件、基座、活动螺栓组成，迎风球、支撑杆、盖板、刀片、基座的中心均位于摇杆的轴线上。迎风球、摇杆、盖板、基座在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形，在冲击波作用下迎风球运动，通过摇杆带动刀片切割吸能构件，吸能构件产生断裂。测量摇杆的转动角度，计算得到刀片的切割嵌入位移，利用切割嵌入位移量和吸收能量之间的定量关系实现冲击波能量的无源定量测量。本发明结构简单、无需供电、布设方便、成本低、可重复使用，对不同强度的冲击波均有高响应灵敏度，解决了恶劣环境下难以定量测试对冲击波能量的技术难题。

Description

一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器

技术领域

本发明属于测量检测领域，具体涉及一种爆炸产生的冲击波参数测量的传感器，是一种利用材料摩擦、塑性变形和撕裂综合作用的吸能方式对爆炸冲击波能量进行测量的无源传感器。

背景技术

当炸药在空气中爆炸时，瞬间产生高温、高压、高速的爆炸产物，周围空气直接受到爆炸产物的作用，在炸药和空气的界面处爆炸产物在空气中以极高的速度向周围飞散，如同一个超音速活塞一样剧烈压缩相邻的空气介质，使其压力、密度和温度阶跃式地升高，形成初始冲击波。空气冲击波是弹药爆炸对人员、设备和防护结构产生损伤和破坏效应的主要因素之一，因此对于冲击波的分析和测试在军事领域和民用领域均有重要的意义。

测量炸药爆炸产生的冲击波的压力、冲量等参数的方法一般分为有源测量和无源测量这两种。其中，有源测量主要是依靠各种电学传感器，电学传感器测量技术已经相对成熟而且是现在最流行的测试方法，市场上已有各种各样的高精度冲击波电测传感器，但是在一些自然环境比较恶劣的条件下，比如沙漠、高原或者海岛等这些爆炸试验环境相对比较复杂的情况下，存在无法布置精密电测装置、或者成本非常高、或者布设难度很大等问题，这时采用电学传感器进行有源测量就具有很大的局限性；此外，炸药爆炸过程中产生的电磁干扰可能使电测传感器无法获取信号，或者所获取的信号杂乱无章、信噪比下降，后续分析处理难度很大。因此，设计一种爆炸冲击波参数无源测量传感器，从而提高冲击波测量结果的可靠性和准确性，降低试验难度，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

在现有无源测量方法中，测量冲击波压力参数的方法主要有采用霍普金森杆、自然效应物、等效靶板等方法。但是，霍普金森杆测量爆炸冲击波波阵面的压力存在系统过于复杂的缺点；自然效应物只能通过判断爆炸冲击波过后松木板断裂、玻璃破碎、小动物死亡等来定性测量冲击波的强度范围，属定性评价，且不适合大量用于进行爆炸毁伤威力场的评估；等效靶板法是通过测量靶板在爆炸试验后其变形或破坏程度来反推计算相应的超压和比冲量值，虽然等效靶板法具有布置快速、成本低且不受寄生效应干扰的优点，但是等效靶板法的缺点在于在实际实验中存在约束不够及其它方面因素(回弹、碰撞等)的影响使得实验结果与理想情况下的变形有差距，以及靶板需要定期保养维护、测量后处理程序比较繁琐等问题。

综上所述，现有测量方法至少存在如下技术问题：

1.现有电测有源传感器存在电磁干扰、成本昂贵、布线困难等难题，在相对恶劣的自然环境中无法准确地测得冲击波能量。

2.现有大多数无源测量方法精度不够，而高精度无源测量存在很多缺陷，例如测量后处理程序繁琐、测量系统复杂、需电测设备辅助测量等。

实际上，冲击波能量的无源测量可以通过某些材料的不可逆吸能变形(或破坏)测量获得，常见不可逆变形包括塌陷、切削、扩径等，其中，切削式吸能是材料切削法的一种，此方法吸收冲击能量的方式为刀片切削材料过程中的塑性变形耗能、撕裂耗能和摩擦发热耗能。现有的研究表明，经过合理的设计，刀片切割材料的变形模式和过程中的应力均较为平稳和可控，可制成性能优良的缓冲吸能元件。此外，在技术指标上，刀片切割材料的过程中，产生的切削力是恒定的，其吸收的能量与嵌入位移在准静态及动态加载条件下均成比较良好的线性关系，这样的能量-嵌入位移对应特性，使其可以用于能量的定量测量。选用不同性质的被切割材料，以及改变刀片切割深度(或截面尺寸)，可构成多种规格的不同能量-变形位移精确对应的吸能结构，对不同强度的冲击波均能实现比较精确的测量。同时，通过选择性能稳定、耐腐蚀的被切割材料，可制作出结构稳定、性能可靠、可长期保存和使用的能量测量传感器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器，利用杠杆原理提高传感器的灵敏度，解决现有有源测量方法采用的电测有源传感器存在布线困难，电磁干扰等难题；弥补现有无源测量方法中，或测量后处理程序繁琐、或测量系统复杂、或需电测设备辅助测量的缺点。所提供的传感器具有结构简单、成本低、抗电磁干扰能力强、布设快速、后结果处理方便、测量精度高等特点，可用于标准靶场、野外靶场以及其他更恶劣环境的炸药爆炸冲击波能量的测量，为冲击波参数测量提供一种新的测量工具。

本发明利用杠杆式刀片和吸能构件将冲击波能量定量转化为刀片对吸能构件的切割嵌入位移，从而实现在爆炸场冲击波能量的快速定量无源测量。

本发明由迎风球、摇杆、支撑杆、盖板、刀片、吸能构件、基座、活动螺栓组成。定义迎风球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(此装置为左右对称，此处定义左端、右端仅供说明使用)。刀片、吸能构件位于基座内，迎风球、支撑杆、盖板、刀片、基座的中心均位于摇杆的轴线上。迎风球与摇杆通过迎风球底部的螺丝孔与摇杆上端的螺纹相连，摇杆底部的卡槽卡住刀片。摇杆中部设置有N个滚动轴承，支撑杆穿过盖板上的圆孔及滚动轴承的内孔来实现摇杆、支撑杆、盖板三者的连接与定位，通过调节摇杆底端距离基座底面的高度使支撑杆穿过不同滚动轴承从而调节传感器的灵敏度及量程。吸能构件底面紧贴基座半圆柱形凹槽的底面，通过胶水实现吸能构件底面与基座半圆柱形凹槽的底面的固定。盖板通过活动螺栓固定在基座上端，对基座上端面进行封装。使用本发明进行冲击波测量时基座通过活动螺栓固定在外部支架(例如与地面固结的细长钢杆)上，以防止在测量过程中杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器的移动。

迎风球用于将空气中冲击波能量转换为自身的动能，以球型为宜，直径D₁满足0.01m<D₁<0.3m；迎风球底部设置有螺丝孔，要求螺丝孔与摇杆上端的螺纹相匹配即可，螺丝孔深度t₁为0.3D₁<t₁<0.7D₁。迎风球采用高强度合金材料制成，材料满足迎风球在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形为原则，高强度合金材料满足：屈服强度σ₁>200MPa，密度ρ₁>2g/cm³。

摇杆用于连接和固定迎风球和刀片，为圆柱型。摇杆直径D₂满足 0.003m<D₂<0.03m，摇杆长度L₂满足0.05m<L₂<0.5m；在摇杆中部加工有N个滚动轴承，N满足3≤N≤12，使用时调节摇杆底端距离基座底面的高度使的高度使支撑杆穿过不同滚动轴承从而调节传感器的灵敏度及量程，距摇杆底端最近的滚动轴承的中心距离摇杆底面的长度为L₂₂，L₂₂满足0.2L₂<L₂₂<0.8L₂，且 0.6R₇<L₂₂<1.4R₇，其中R₇为基座中半圆柱形凹槽的半径，距摇杆底端最近的滚动轴承的中心距离摇杆顶部的长度为L₂₁，L₂₁满足L₂₁＝L₂-L₂₂，此外各个滚动轴承之间的中心距离L₂₃为0.1L₆₂<L₂₃<0.3L₆₂，其中L₆₂为吸能构件横截面的宽，轴承内孔的直径d₂为0.4D₂<d₂<0.8D₂，且d₂满足d₂＝D₃，其中D₃为支撑杆的直径，支撑杆通过插入滚动轴承的内孔来实现与摇杆的连接；在摇杆上端加工有内螺纹，螺纹部分的轴向长度t₂满足0.7t₁<t₂<2.0t₁，螺纹尺寸与迎风球底部螺丝孔匹配，通过螺丝的拧紧实现迎风球与摇杆的固结；在摇杆底部加工有卡槽，通过卡槽与刀片上端丁字头的相互卡位来固结刀片；摇杆外表面沿轴向加工有一根浅刻槽标示线，用于采用量角器读数时判定摇杆的转动角度。摇杆采用高强度合金材料制成，要求材料满足：屈服强度σ₂>200MPa，密度ρ₂>2g/cm³，基本原则是摇杆受到冲击波作用时不产生塑性变形。

支撑杆用于支撑和固定摇杆，为圆柱型，插在盖板中部的矩形通孔内。支撑杆直径D₃满足D₃＝d₂，长度L₃满足0.05m<L₃<0.5m；支撑杆采用高强度合金材料制成，要求材料满足：屈服强度σ₃>200MPa，密度ρ₃>2g/cm³，基本原则是在受到冲击作用和支撑摇杆转动的过程中不产生塑性变形。

盖板用于固定和密封摇杆、支撑杆、刀片、吸能构件，其形状与基座匹配即可，外形为矩形薄板，盖板长度L₄满足0.05m<L₄<0.5m，宽度D₄满足D₄＝L₃，厚度t₄满足1.4D₃<t₄<2.0D₃；盖板中部加工有矩形通孔，其中心与盖板中心重合，矩形通孔的长度L₄₁满足0.1L₄<L₄₁<0.6L₄，宽度d₄₁满足1.1D₂<d₄₁<2.0D₂；沿盖板宽度方向加工有圆形通孔，圆形通孔位于盖板长度方向侧面的中部，其截面直径d₄₂满足d₄₂＝D₃；圆形通孔在竖起方向与摇杆中部的一个滚动轴承内孔平齐，使得支撑杆既穿过圆形通孔又穿过一个滚动轴承。盖板四个角部加工有螺丝孔，便于通过活动螺栓与基座相连。盖板采用高强度合金制成，要求材料满足：屈服强度σ₄>200MPa，密度ρ₄>2g/cm³，基本原则是爆炸载荷冲击时盖板不产生塑性变形。盖板通过活动螺栓固定在基座的顶部，用于固定支撑杆，并封闭吸能构件，防止其被爆炸载荷直接冲击。盖板通过活动螺栓固定在基座上且实验后拆卸活动螺栓和盖板，重新装载新的吸能构件，实现传感器的再次利用。

刀片用于切削吸能构件，为五边形薄片，其长度L₅满足0.8L₆₂<L₅<1.2L₆₂，其中L₆₂为吸能构件的横截面宽度，刀片宽度D₅满足1.1D₂<D₅<2.0D₂，厚度t₅满足0.0005m<L₄<0.002m，刀片端部加工有丁字头，通过与摇杆底部的卡槽相互卡位来实现刀片与摇杆的连接；刀片采用高强度合金制成，要求材料满足：屈服强度σ₅>200MPa，密度ρ₅>2g/cm³，基本原则是切削吸能构件时刀片不产生塑性变形。

吸能构件用于转换和吸收迎风球的动能，为2个等厚度的四分之一圆环体， 2个等厚度的四分之一圆环体固定于基座中半圆柱形凹槽内，以刀片为中心，弧形朝内对称放置。吸能构件的横截面为正方形或长方形，横截面长为L₆₁满足0.02 m<L₆₁<0.2m，横截面的宽为L₆₂满足0.02m<L₆₂<0.2m，吸能构件外半径R₆满足R₆＝R₇，其中R₇为基座中半圆柱形凹槽的半径，内半径r₆满足r₆＝R₆–L₆₂。吸能构件采用材质均匀、力学性能优良的材料制成，要求刀片在冲击波作用下对吸能构件进行切削时，吸能构件可产生比较明显的断裂，并使刀片在其内有比较明显的嵌入位移；要求吸能构件材料满足：屈服强度σ₆<1000MPa，密度ρ₆<10g/cm³。

基座用于装载吸能构件和固定盖板，为长方体。基座长度L₇满足L₇＝L₄，宽度D₇满足D₇＝D₄，高度t₇满足0.05m<t₇<0.5m；沿长度方向加工有一半圆柱形凹槽，半圆柱形凹槽长度L₇₁满足0.4L₇<L₇₁<0.9L₇，宽度d₇满足1.0L₆₁<d₇<1.6L₆₁，半圆柱形凹槽的半径R₇满足R₇＝0.5L₇₁；在基座上端面四个角部加工螺丝孔，便于基座通过活动螺栓与盖板相连接。基座采用金属材料制成，要求材料满足：屈服强度σ₇>100MPa，密度ρ₇>1g/cm³，基本原则是基座受到冲击波作用时不产生塑性变形。

采用本发明进行爆炸场冲击波能量测量的过程是：

在冲击波能量测量开始前，确保刀片和吸能构件紧密接触、盖板与基座紧密接触；并确保吸能构件的圆心位于支撑杆的轴线上；确保吸能构件固定在基座凹槽里，在测量中吸能构件与基座不发生相互移动；确保迎风球、刀片均固结在摇杆上，测量过程中迎风球、摇杆、刀片三者的相对位置不发生变化；测量前，通过调节摇杆底端距离基座底面的高度使支撑杆穿过不同滚动轴承从而调节传感器的灵敏度及量程。将本发明整体牢固固定在外部支架上，并尽量保证爆炸点与本发明迎风球的连线垂直于支撑杆的轴线。外部支架为细长杆，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。

迎风球和摇杆之间是否紧密接触可以直接观察判断；盖板和基座之间是否紧密接触可以直接观察判断；刀片和吸能构件之间是否紧密接触可通过轻微晃动摇杆来判断；基座与吸能构件间是否紧密连接可通过盖上盖板前直接观察判断；并通过沿基座长度方向放置的量角器，以盖板中心垂直线为零线，记录下初始时刻摇杆上浅刻槽标示线所对应的具体角度α₁(装配恰当时所对应角度为 0°)。

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，当冲击波到达迎风球表面时，迎风球加载冲击波。冲击波的能量传递给迎风球，并转化为迎风球的动能，迎风球通过摇杆带动刀片运动，刀片开始切削吸能构件并嵌入吸能构件。

爆炸冲击前，摇杆上标示线在量角器上的位置为α₁，经爆炸冲击后，标示线运动到α₂，通过量角器判读得到α₁和α₂，刀片嵌入吸能构件产生的位移量为Δx＝(α₂-α₁)·(L₂₂+0.5L₅)(Δx单位为m)。判读时应确保刀片与吸能构件、吸能构件与基座均紧密接触。采用气体驱动撞击技术(参阅:王金贵.气体炮原理及技术[M].2001.p40-p54，p155-p177)标定出本发明的能量灵敏度系数为k(单位为 kg·m/s²)，根据位移量Δx和系数k计算得到吸能构件的塑性变形能E＝k·Δx，也即获得了迎风球的动能。由于迎风球不会产生塑性变形，因此迎风球的动能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能量，从而实现冲击波能量的快速无源定量测量。

实验结束后，通过将盖板的活动螺栓卸下更换新的吸能构件，从而实现传感器的再次利用。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明通过使用量角器判读摇杆上预先刻制的浅刻槽标示线位置的变化读取摇杆转动的角度，计算得到刀片嵌入吸能构件的位移量Δx，根据能量灵敏度系数可很方便地得到爆炸场冲击波在传感器处的能量，完成爆炸空气冲击波能量的定量测量。

2.本发明的吸能构件可以采用不同材料、不同截面尺寸、不同结构形式等多种形式构成，使得吸能构件可以形成较为丰富的规格，此外还可调整迎风球大小、摇杆高度、刀片大小，以此实现对强度高、中、低的冲击波均有比较高的响应灵敏度，从而能够适用于爆炸近场、中场、远场冲击波能量的测量。

3.本发明具有结构简单，无需供电，布设使用方便，结果简单直观，使用成本低，且可重复使用等特点。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图。

图2是本发明受爆炸冲击前的轴向剖视图。

图3是本发明受爆炸冲击后的轴向剖视图。

图4是本发明摇杆2的示意图。

图5是本发明支撑杆3及盖板4的仰视三维示意图。

图6是本发明刀片5的三维示意图。

图7是本发明吸能构件横截面61示意图。

图8是本发明基座7的三维示意图。

附图标记说明：

1.迎风球，2.摇杆，21.滚动轴承，22.浅刻槽标示线，23.卡槽，3.支撑杆， 4.盖板，41.矩形通孔，42.圆形通孔，5.刀片，6.吸能构件，61.吸能构件横截面， 7.基座，71.凹槽，8.活动螺栓，9.爆炸点。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解和实施本发明专利，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明总体结构示意图。如图1所示，本发明由迎风球1、摇杆2、支撑杆3、盖板4、刀片5、吸能构件6、基座7、活动螺栓8组成。定义本发明靠近爆炸点9的一端为左端，定义本发明远离爆炸点9的一端为右端。迎风球1 通过螺丝孔与螺纹匹配固定在摇杆2顶部，刀片5通过卡槽23固定在摇杆2底部，摇杆2通过滚动轴承21与支撑杆3连接在一起，支撑杆3插入圆形通孔42 与盖板4连接在一起，刀片5、吸能构件6位于基座7内，且吸能构件6通过胶水固结在基座7的凹槽71内，盖板4通过活动螺栓8固定在基座7顶端，并对基座7上端面进行封装。迎风球1、支撑杆3、盖板4、刀片5、基座7的中心均位于摇杆2的轴线上，刀片5的两端面紧贴两侧的吸能构件6的端面。

图2是本发明受爆炸冲击前的轴向剖视图。如图2所示，迎风球1为球形，直径D₁满足0.01m<D₁<0.3m，迎风球1位于整个杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器的上端，用于承受外部冲击波冲击载荷。迎风球1底部加工有螺丝孔，要求螺丝孔与摇杆2上端的螺纹相匹配，螺丝孔深度t₁为0.3D₁<t₁<0.7D₁，螺丝孔深度直径满足让摇杆2插入。迎风球1采用高强度合金材料制成，要求材料满足：屈服强度σ₁>200MPa，密度ρ₁>2g/cm³，基本原则是迎风球1受到冲击波作用时不产生塑性变形。

如图2及图4所示，摇杆2为圆柱形杆，直径D₂满足0.003m<D₂<0.03m，长度L₂满足0.05m<L₂<0.5m；摇杆2两端面平行，在摇杆2上端加工有螺纹，螺纹部分的轴向长度t₂为0.7t₁<t₂<2.0t₁，螺纹尺寸与迎风球1底部螺丝孔匹配，通过螺丝的拧紧实现迎风球1与摇杆2的连接；在摇杆2底部加工有卡槽23，通过卡槽23与刀片5上端丁字头间的相互卡位来固定刀片5；摇杆2用于当爆炸载荷冲击迎风球1时，在迎风球1的带动下通过滚动轴承21绕支撑杆3开始转动，同时通过摇杆2带动刀片5的转动。在摇杆2中部加工有N个滚动轴承 21，且N满足3≤N≤12；滚动轴承21内孔的直径d₂为0.4D₂<d₂<0.8D₂，且d₂满足d₂＝D₃，其中D₃为支撑杆3的直径，支撑杆3通过插入滚动轴承21的内孔来实现与摇杆2的连接，距摇杆底端最近的滚动轴承21的中心距离摇杆2底面的长度为L₂₂，长度L₂₂满足0.2L₂<L₂₂<0.8L₂，且0.6R₇<L₂₂<1.4R₇，其中R₇为基座7中半圆柱形凹槽的半径，距摇杆底端最近的滚动轴承的中心距离摇杆顶部的长度为L₂₁，L₂₁满足L₂₁＝L₂-L₂₂。各滚动轴承21中心间的距离L₂₃满足 0.1L₆₂<L₂₃<0.3L₆₂，其中L₆₂为吸能构件6的横截面61的宽，滚动轴承21内孔的直径d₂满足0.4D₂<d₂<0.8D₂；沿摇杆2轴向在摇杆2外侧面加工有一个浅刻槽标示线22，用于采用量角器读数时判定摇杆2的转动角度。爆炸冲击前，摇杆 2上浅刻槽标示线22所对应的具体角度为α₁(装配恰当时α₁为0°)。摇杆2采用高强度合金材料制成，要求材料满足：屈服强度σ₂>200MPa(以其在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形为原则)，密度ρ₂>2g/cm³。

如图1及图5所示，支撑杆3为圆柱形杆，直径D₃满足D₃＝d₂，长度L₃满足0.05m<L₃<0.5m；支撑杆3两端面平行，支撑杆3均匀地插在盖板4的圆形通孔42内，支撑杆3用于支撑摇杆2。支撑杆3采用高强度合金材料制成，要求材料满足：屈服强度σ₃>200MPa(以其在支撑摇杆2的过程中不产生塑性变形为原则)，密度ρ₃>2g/cm³。

如图1及图5所示，盖板4为矩形薄板，长度L₄满足0.05m<L₄<0.5m，宽度D₄满足D₄＝L₃，厚度t₄满足1.4D₃<t₄<2.0D₃，其中D₃为支撑杆3的直径。盖板4采用高强度合金材料制成，要求材料满足：屈服强度σ₄>200MPa，密度ρ₄>2g/cm³，基本原则是爆炸载荷冲击时盖板4不产生塑性变形。盖板4通过活动螺栓8固定在基座7的上端面，用于固定摇杆2，密封支撑杆3、刀片5、吸能构件6。如图5所示，盖板4的中心加工有矩形通孔41，矩形通孔41的长度 L₄₁满足0.1L₄<L₄₁<0.6L₄，宽度d₄₁满足1.1D₂<d₄₁<2.0D₂，以保证摇杆2在转动时不与盖板4直接接触；在盖板4长度方向侧面的中心沿盖板4宽度方向挖有圆形通孔42，圆形通孔42截面直径d₄₂满足d₄₂＝D₃，圆形通孔42在竖起方向与摇杆2中部的一个滚动轴承21内孔平齐，使得支撑杆3既穿过圆形通孔42又穿过一个滚动轴承21。盖板4通过活动螺栓8进行固定和拆卸，从而能够重新装载新的吸能构件6，实现传感器的再次利用。

如图1及图6所示，刀片5通过摇杆2底部卡槽23固定在摇杆2的底面，用于切削吸能构件6。刀片5为五边形薄片，长度L₅满足0.8L₆₂<L₅<1.2L₆₂，宽度D₅满足1.1D₂<D₅<2.0D₂，厚度t₅满足0.0005m<t₅<0.002m。刀片端部加工有丁字头，通过与摇杆底部卡槽的相互卡位来实现刀片与摇杆的连接；刀片5 在两侧均加工有锋口，刀片5在摇杆2的带动下对吸能构件6进行切削并嵌入吸能构件6，刀片5采用硬质合金制成，要求材料满足：屈服强度σ₅>200MPa，密度ρ₅>2g/cm³，基本原则是切削吸能构件6时刀片不产生塑性变形。

如图2所示，吸能构件6为两块四分之一圆环体，2个四分之一圆环体固定于基座中半圆柱形凹槽内，以刀片为中心，弧形朝内对称放置。四分之一圆环体外半径R₆满足R₆＝R₇，内半径r₆满足r₆＝R₆–L₆₂；吸能构件横截面61示意图如图7所示，吸能构件横截面61为正方形或长方形，吸能构件横截面61长L₆₁满足0.02m<L₆₁<0.2m，宽L₆₂满足0.02m<L₆₂<0.2m；通过胶水实现吸能构件6与基座7的连接；吸能构件6采用材质均匀、力学性能优良的材料制成，要求刀片5在摇杆2的带动下对吸能构件6进行切削并嵌入时，刀片5在吸能构件6内可产生比较明显的嵌入位移；吸能构件6材料要求满足：屈服强度σ₆<1000MPa，密度ρ₆<10g/cm³。

如图2及图8所示，基座7为长方体，长度L₇满足L₇＝L₄，宽度D₇满足 D₇＝D₄，高度t₇满足0.05m<t₇<0.5m。基座7用于固定吸能构件6，上面盖有盖板4。基座7采用金属材料制成，要求材料满足：屈服强度σ₇>100MPa，密度ρ₇>1g/cm³，要求基座7受到冲击波作用时不产生塑性变形。如图8所示，沿基座7长度方向挖有一凹槽71，凹槽71为半圆柱形，凹槽71直径L₇₁满足0.4L₇<L₇₁< 0.9L₇，宽度d₇满足1.0L₆₁<d₇<1.6L₆₁，凹槽71的半径R₇满足R₇＝0.5L₇₁，半圆柱形凹槽71内固定有吸能构件6，2个四分之一圆环体固定于基座中半圆柱形凹槽71内，以刀片5为中心，弧形朝内对称放置。

图3是本发明受爆炸冲击后的轴向剖视图。如图3所示，爆炸冲击后，浅刻槽标示线22发生转动位移，即浅刻槽标示线22与盖板中心垂线的夹角增大，通过量角器判读得到浅刻槽标示线22与盖板中心垂线所对应的夹角值α₂，则刀片5嵌入吸能构件6的位移量为Δx＝(α₂-α₁)·(L₂₂+0.5L₅)。

将盖板4的活动螺栓8卸下可以更换新的吸能构件6，实现传感器的再次利用。

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(例如吸能构件选用由多孔结构填充其它材料形成的复合材料等其它结构形式，将摇杆上的双向轴承改成四向轴承以实现多方位的冲击波能量测量)，这些都属于本发明专利的保护范围。

Claims (12)

1.一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器，其特征在于杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器由迎风球(1)、摇杆(2)、支撑杆(3)、盖板(4)、刀片(5)、吸能构件(6)、基座(7)、活动螺栓(8)组成；定义迎风球(1)靠近爆炸点(9)的一端为左端，远离爆炸点(9)的一端为右端；刀片(5)、吸能构件(6)位于基座(7)内，迎风球(1)、支撑杆(3)、盖板(4)、刀片(5)、基座(7)的中心均位于摇杆(2)的轴线上；迎风球(1)与摇杆(2)通过螺纹相连，摇杆(2)底部的卡槽(23)卡住刀片(5)；摇杆(2)中部加工有N个滚动轴承(21)，N为正整数，支撑杆(3)穿过盖板(4)上的圆孔及滚动轴承(21)的内孔来实现摇杆(2)、支撑杆(3)、盖板(4)三者的连接与定位，通过调节摇杆(2)底端距离基座底面的高度使支撑杆(3)穿过不同滚动轴承(21)从而调节传感器的灵敏度及量程吸能构件(6)底面紧贴基座(7)半圆柱形凹槽(71)的底面，盖板(4)通过活动螺栓(8)固定在基座(7)上端，对基座(7)上端面进行封装；

迎风球(1)用于将空气中冲击波能量转换为自身的动能，为球型，直径为D₁；迎风球(1)底部设置有螺丝孔，螺丝孔与摇杆(2)上端的螺纹相匹配；迎风球(1)采用高强度合金材料制成，高强度合金材料满足迎风球(1)在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形；

摇杆(2)用于连接和固定迎风球(1)和刀片(5)，为圆柱型；摇杆(2)直径为D₂，摇杆(2)长度为L₂；摇杆(2)中部的滚动轴承(21)内孔的直径为d₂，d₂满足d₂＝D₃，其中D₃为支撑杆(3)的直径，支撑杆(3)通过插入滚动轴承(21)的内孔来实现与摇杆(2)的连接，距摇杆(2)底端最近的滚动轴承(21)的中心距离摇杆(2)底面的长度为L₂₂，L₂₂满足0.2L₂<L₂₂<0.8L₂，且0.6R₇<L₂₂<1.4R₇，其中R₇为基座(7)中半圆柱形凹槽(71)的半径，距摇杆(2)底端最近的滚动轴承(21)的中心距离摇杆(2)顶部的长度为L₂₁，L₂₁满足L₂₁＝L₂-L₂₂，摇杆(2)上端加工有内螺纹，螺纹尺寸与迎风球(1)底部螺丝孔匹配；在摇杆(2)底部加工有卡槽(23)，通过卡槽(23)与刀片(5)上端丁字头的相互卡位来固结刀片(5)；摇杆(2)外表面沿轴向加工有一根浅刻槽标示线(22)，用于采用量角器读数时判定摇杆(2)的转动角度；摇杆(2)采用高强度合金材料制成，要求材料满足摇杆(2)受到冲击波作用时不产生塑性变形；

支撑杆(3)用于支撑和固定摇杆(2)，为圆柱型，插在盖板(4)宽度方向加工的圆形通孔(42)内；支撑杆(3)长度为L₃；支撑杆(3)采用高强度合金材料制成，要求材料满足在受到冲击作用和支撑摇杆(2)转动的过程中不产生塑性变形；

盖板(4)用于固定和密封摇杆(2)、支撑杆(3)、刀片(5)、吸能构件(6)，其形状与基座(7)匹配即可，外形为矩形薄板，盖板(4)的长度为L₄，宽度D₄满足D₄＝L₃；盖板(4)中部加工有矩形通孔(41)，其中心与盖板(4)中心重合；沿盖板(4)宽度方向加工有圆形通孔(42)，圆形通孔(42)位于盖板(4)长度方向侧面的中部，其截面直径d₄₂满足d₄₂＝D₃；圆形通孔(42)在竖起方向与摇杆(2)中部的一个滚动轴承(21)内孔平齐，使得支撑杆(3)既穿过圆形通孔(42)又穿过一个滚动轴承(21)；盖板(4)四个角部加工有螺丝孔，通过活动螺栓(8)与基座(7)相连；盖板(4)采用高强度合金制成，要求材料满足爆炸载荷冲击时盖板(4)不产生塑性变形；盖板(4)通过活动螺栓(8)固定在基座(7)的顶部；

刀片(5)用于切削吸能构件(6)，为五边形薄片，刀片(5)端部加工有丁字头，通过与摇杆(2)底部的卡槽(23)相互卡位来实现刀片(5)与摇杆(2)的连接；刀片(5)采用高强度合金制成，要求材料满足切削吸能构件(6)时刀片(5)不产生塑性变形；

吸能构件(6)用于转换和吸收迎风球(1)的动能，为2个等厚度的四分之一圆环体，2个等厚度的四分之一圆环体固定于基座(7)中半圆柱形凹槽(71)内，以刀片(5)为中心，弧形朝内对称放置；吸能构件横截面(61)为正方形或长方形，横截面长为L₆₁，横截面的宽为L₆₂，吸能构件(6)外半径R₆满足R₆＝R₇，其中R₇为基座(7)中半圆柱形凹槽(71)的半径，内半径r₆满足r₆＝R₆–L₆₂；制备吸能构件(6)的材料要求满足：刀片(5)在冲击波作用下对吸能构件(6)进行切削时，吸能构件(6)产生明显的断裂，并使刀片(5)在其内有明显的嵌入位移；

基座(7)用于装载吸能构件(6)和固定盖板(4)，为长方体；沿基座(7)长度方向加工有一半圆柱形凹槽(71)；在基座(7)上端面四个角部加工螺丝孔，便于基座(7)通过活动螺栓(8)与盖板(4)相连接；基座(7)采用金属材料制成，要求材料满足基座(7)受到冲击波作用时不产生塑性变形。

2.如权利要求1所述的一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述吸能构件(6)底面与基座(7)半圆柱形凹槽(71)的底面通过胶水固定。

3.如权利要求1所述的一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述迎风球(1)直径D₁满足0.01m<D₁<0.3m，迎风球(1)的螺丝孔深度t₁为0.3D₁<t₁<0.7D₁，所述摇杆(2)上端加工的内螺纹的轴向长度t₂满足0.7t₁<t₂<2.0t₁。

4.如权利要求1所述的一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述摇杆(2)直径D₂满足0.003m<D₂<0.03m，摇杆(2)长度L₂满足0.05m<L₂<0.5m。

5.如权利要求1所述的一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述滚动轴承(21)个数N满足3≤N≤12，距摇杆(2)底端最近的滚动轴承(21)的中心距离摇杆(2)底面的长度L₂₂满足0.2L₂<L₂₂<0.8L₂，且0.6R₇<L₂₂<1.4R₇，其中R₇为基座(7)中半圆柱形凹槽(71)的半径，各个滚动轴承(21)之间的中心距离L₂₃满足0.1L₆₂<L₂₃<0.3L₆₂，轴承内孔的直径d₂为0.4D₂<d₂<0.8D₂。

6.如权利要求1所述的一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述支撑杆(3)长度L₃满足0.05m<L₃<0.5m。

7.如权利要求1所述的一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述盖板(4)长度L₄满足0.05m<L₄<0.5m，宽度D₄满足D₄＝L₃，厚度t₄满足1.4D₃<t₄<2.0D₃；盖板(4)中部矩形通孔(41)的长度L₄₁满足0.1L₄<L₄₁<0.6L₄，宽度d₄₁满足1.1D₂<d₄₁<2.0D₂。

8.如权利要求1所述的一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述刀片(5)长度L₅满足0.8L₆₂<L₅<1.2L₆₂，刀片(5)宽度D₅满足1.1D₂<D₅<2.0D₂，厚度t₅满足0.0005m<L₄<0.002m。

9.如权利要求1所述的一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述吸能构件(6)的横截面长边长L₆₁满足0.02m<L₆₁<0.2m，横截面的宽L₆₂满足0.02m<L₆₂<0.2m，吸能构件(6)外半径R₆满足R₆＝R₇，其中R₇为基座(7)中半圆柱形凹槽(71)的半径，内半径r₆满足r₆＝R₆–L₆₂。

10.如权利要求1所述的一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述基座(7)长度L₇满足L₇＝L₄，宽度D₇满足D₇＝D₄，高度t₇满足0.05m<t₇<0.5m；半圆柱形凹槽(71)长度L₇₁满足0.4L₇<L₇₁<0.9L₇，宽度d₇满足1.0L₆₁<d₇<1.6L₆₁，半圆柱形凹槽(71)的半径R₇满足R₇＝0.5L₇₁。

11.如权利要求1所述的一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述制备迎风球(1)的高强度合金材料满足：屈服强度σ₁>200MPa，密度ρ₁>2g/cm³；制备摇杆(2)的高强度合金材料满足：屈服强度σ₂>200MPa，密度ρ₂>2g/cm³；制备支撑杆(3)的高强度合金材料满足：屈服强度σ₃>200MPa，密度ρ₃>2g/cm³；制备盖板(4)的高强度合金材料满足：屈服强度σ₄>200MPa，密度ρ₄>2g/cm³；制备刀片(5)的高强度合金材料满足：屈服强度σ₅>200MPa，密度ρ₅>2g/cm³；制备吸能构件(6)的材料满足：屈服强度σ₆<1000MPa，密度ρ₆<10.0g/cm³；制备基座(7)的金属材料满足：屈服强度σ₇>100MPa，密度ρ₇>1g/cm³。

12.如权利要求1所述的一种杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器，其特征在于使用杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器时，所述基座(7)通过活动螺栓(8)固定在外部支架上；爆炸冲击前，摇杆(2)上标示线在量角器上的位置为α₁，经爆炸冲击后，标示线运动到α₂，通过量角器判读得到α₁和α₂，刀片(5)嵌入吸能构件(6)产生的位移量为Δx＝(α₂-α₁)·(L₂₂+0.5L₅)，Δx单位为m；根据位移量Δx和能量灵敏度系数系数k计算得到吸能构件(6)的塑性变形能E＝k·Δx，也即获得了迎风球(1)的动能，迎风球(1)的动能就是爆炸点(9)处炸药爆炸引起的空气冲击波传递给传感器的能量；爆炸点(9)处炸药爆炸引起的空气冲击波传递给传感器的能量测量完毕，将盖板(4)的活动螺栓(8)卸下更换新的吸能构件(6)，实现杠杆切割式冲击波能量无源测量传感器的再次利用。

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