CN111120151B - 一种测量固体推进剂点火延迟时间的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于固体推进剂领域，具体涉及一种测量固体推进剂点火延迟时间的电路及方法。测量激光信号时间的电路和测量火焰信号时间的电路并联之后，依次连接数据采集卡和计算机测试软件。测量激光信号时间的电路和测量火焰信号时间的电路均包括光敏二极管和反向偏置运放电路。本申请的两个光敏二极管分别接在激光管和燃烧室旁，当光敏二极管接收信号产生电压，经过放大电路输出电压，电压通过数据采集卡采集并输出至计算机的测量软件中，读取两个信号上升沿的时间求差值即为固体推进剂的点火延迟时间。本申请的整个测量过程由系统自发进行，两个电压信号在同一时间轴被记录，且选用相同型号的两根光电二极管，具有高测量精度。

Description

一种测量固体推进剂点火延迟时间的电路及方法

技术领域

本发明属于固体推进剂领域，具体涉及一种测量固体推进剂点火延迟时间的电路及方法。

背景技术

固体推进剂的点火是在能量作用下，固体推进剂局部表面温度升高到着火点以上，并使得该处开始燃烧，进一步传播到整个装药的燃面使其燃烧的过程。固体推进剂点火性能的研究始于20世纪60年代，是内弹道研究的主要内容之一，对于推进应用以及燃烧机理的揭示具有十分重要的意义。

“徐浩星等，丁羟推进剂激光点火延迟时间研究[J].固体火箭技术， 2000(01):43-46”提到一种通过打开CO₂激光点火器，用高灵敏度的光电二极管将推进剂着火燃烧时产生的光信号变成电信号，并用光线示波器记录下来，以此求得丁羟推进剂的激光点火延迟时间的测量方法。这种方法虽然可以测得推进剂的点火延迟时间，但是由于激光加载需要时间，打开CO₂激光器的瞬时并不是产生激光的时间。这会造成测量得到的点火延迟时间比实际点火延迟时间稍大，实验出现误差。

中国专利CN108644030A公开了一种测量自然推进剂液相点火延迟的装置及测量方法。分别由两台高速摄影仪拍摄CO₂激光器发射激光的瞬时以及试件燃烧的瞬时，通过采集拍摄到激光产生和试件点火瞬时照片，二者的时间差即为推进剂点火延迟时间。这种方式虽然也可以测量推进剂点火延迟时间，但是测量精度受到录像设备帧频的限制，且通过人眼判断来得到LED首次发光与推进剂产生初始火焰的两帧画面误差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量固体推进剂点火延迟时间的电路及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种测量固体推进剂点火延迟时间的电路，测量激光信号时间的电路和测量火焰信号时间的电路并联之后，依次连接数据采集卡和计算机测试软件。

进一步的，所述测量激光信号时间的电路和测量火焰信号时间的电路均包括：光敏二极管和反向偏置运放电路。

进一步的，所述反向偏置运放电路包括运算放大器、接地电阻和反馈电阻；

电源正极与光敏二极管、运算放大器正极依次连接，在光敏二极管和运算放大器中间并联一接地电阻，将运算放大器负极和反馈电阻一端相连，反馈电阻另一端连接数据采集卡，运算放大器负极与反馈电阻中间并联一接地电阻。

进一步的，还包括四块滤波电容，所述测量激光信号时间的电路和测量火焰信号时间的电路的电源两端均并联有两个滤波电容。

进一步的，将测量激光信号时间的电路的光敏二极管用胶布粘在激光器的玻璃壁上，将测量光焰信号时间的电路的光敏二极管用胶布粘在推进剂燃烧室玻璃外侧。

进一步的，所述测量激光信号时间的电路和测量火焰信号时间的电路并联之后，分别连接数据采集卡的CH₁和CH₂通道。

进一步的，所述测量激光信号时间的电路和测量火焰信号时间的电路的元件连接关系和原件的类型相同。

一种利用上述的电路测量固体推进剂点火延迟时间的方法，包括如下步骤：

步骤(1)：设置测量激光信号时间的电路；

步骤(2)：设置测量火焰信号时间的电路；

步骤(3)：将光敏二极管VD₁用胶布粘在CO2激光器的玻璃壁上，将光敏二极管VD₂用胶布粘在推进剂燃烧室玻璃外侧；

步骤(4)：打开激光器，点燃固体推进剂；

步骤(5)：分别记录激光信号时间和火焰信号时间t₁、t₂，固体推进剂点火延迟时间t＝t₂-t₁。

进一步的，所述激光信号时间t₁的获取方法如下：

运算放大器正负极电压为

反馈电阻Rf₁电流为

数据采集卡CH₁通道接收电压为

其中，U₀为电源电压，Rf₁为测量激光信号时间的电路的反馈电阻，R_VD1为测量激光信号时间的电路的光敏二极管的电阻，RL₁和RB₁为测量激光信号时间的电路的接地电阻，U₁-激光信号电压，

根据上述公式可知，在没有光照时，光敏二极管阻值较大，U₁很小，数据采集卡几乎接收不到电压信号；当光敏二极管感应到激光信号时，R_VD1大幅减小， U₁被数据采集卡采集并传输至计算机测试软件，记录电压上升沿时间t₁，即为激光信号时间。

进一步的，所述火焰信号时间t₂的获取方法如下：

运算放大器正负极电压为

反馈电阻Rf₂电流为

数据采集卡CH₂通道接收电压为

其中，U₀为电源电压，Rf₂为测量火焰信号时间的电路的反馈电阻，R_VD2为测量火焰信号时间的电路的光敏二极管的电阻，RL₂和RB₂测量火焰信号时间的电路的接地电阻，U₂-火焰信号电压，

根据上述公式可知，在没有光照时，光敏二极管阻值较大，U₂很小，数据采集卡几乎接收不到电压信号；当光敏二极管感应到火焰信号时，R_VD2大幅减小， U₂被数据采集卡采集并传输至计算机测试软件，记录电压上升沿时间t₂，即为火焰信号时间。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本申请的整个测量过程由系统自发进行，两个电压信号在同一时间轴被记录，且选用相同型号的两根光电二极管，因装置响应造成的系统误差可以忽略，从而具有高测量精度；

(2)本申请采集到的电信号通过反向偏置运放电路进行放大，便于数据采集卡和测试软件记录，且响应速度较好，输出信号与输入信号同相位；

(3)本申请采用4块电容进行滤波进行并联，降低了采集信号过程中造成的误差；

(4)整个电路和系统成本较低，原理简单，整体搭建及操作都省时省力。

附图说明

图1为本发明用于测量固体推进剂点火延迟时间的电路图。

图2为本发明用于测量固体推进剂点火延迟时间的模块示意图。

附图标记说明：

1-数据采集卡，2-计算机测试软件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。对文中涉及到的符号定义如下：

U₀-电源电压，Rf₁、Rf₂-反馈电阻，C₁、C₂、C₃、C₄-滤波电容，LF357-运算放大器，VD₁、VD₂-光敏二极管，RL₁、RL₂、RB₁、RB₂-接地电阻，U₁-激光信号电压，U₂-火焰信号电压。

如图1-2所示，一种测量固体推进剂点火延迟时间的电路，包括电源，4块滤波电容C₁、C₂、C₃、C₄，2根光敏二极管VD₁、VD₂，2个反向偏置运放电路，数据采集卡，计算机测试软件。所述第一光敏二极管VD₁将激光信号转换成电信号通过反向偏置运放电路传输给数据采集卡CH₁通道，数据采集卡将电压信号传给计算机的测试软件，记录此时电压上升沿时间t₁；相似地，所述第二光敏二极管VD₂将推进剂点火发亮时的火焰信号转换成电信号并通过反向偏置运放电路传输给数据采集卡CH₂通道，数据采集卡将电压信号传给计算机的测试软件,并记录此时电压上升沿时间t₂。t₂-t₁即为固体推进剂点火的延迟时间t。

一种测量固体推进剂点火延迟时间的方法，步骤如下：

步骤(1)设置测量激光信号时间的电路：

将电源正极与光敏二极管VD₁，运算放大器LF357正极依次相连，并在光敏二极管VD₁与运算放大器LF357中间并联一接地电阻RL₁。将运算放大器LF357负极与反馈电阻Rf₁一端相连，Rf₁另一端接数据采集卡CH₁通道。运算放大器LF357负极与反馈电阻Rf₁中间并联一接地电阻RB₁。在电源两端并联滤波电容C₁，C₂。

则：运算放大器LF357正负极电压为

反馈电阻Rf₁电流为

数据采集卡CH₁通道接收电压为

根据上述公式可知，在没有光照时，光敏二极管阻值较大，U₁很小，数据采集卡几乎接收不到电压信号；当光敏二极管感应到激光信号时，R_VD1大幅减小， U₁被数据采集卡采集并传输至计算机测试软件。记录电压上升沿时间t₁，即为激光信号时间。

步骤(2)设置测量火焰信号时间的电路：

将电源正极与光敏二极管VD₂，运算放大器LF357正极依次相连，并在光敏二极管VD₂与运算放大器LF357中间并联一接地电阻RL₂。将运算放大器 LF357负极与反馈电阻Rf₂一端相连，Rf₂另一端接数据采集卡CH₂通道。运算放大器LF357负极与反馈电阻Rf₂中间并联一接地电阻RB₂。在电源两端并联滤波电容C₃，C₄。

则：运算放大器LF357正负极电压为

反馈电阻Rf₂电流为

数据采集卡CH₂通道接收电压为

根据上述公式可知，在没有光照时，光敏二极管阻值较大，U₂很小，数据采集卡几乎接收不到电压信号；当光敏二极管感应到火焰信号时，R_VD2大幅减小， U₂被数据采集卡采集并传输至计算机测试软件。记录电压上升沿时间t₂，即为火焰信号时间。

步骤(3)：将光敏二极管VD₁用胶布粘在CO2激光器的玻璃壁上，将光敏二极管VD₂用胶布粘在推进剂燃烧室玻璃外侧。

步骤(4)：打开CO₂激光器，点燃固体推进剂。

步骤(5)：记录激光信号和火焰信号时间t₁、t₂。固体推进剂点火延迟时间 t＝t₂-t₁。

实施例1：

结合图1，图2，一种测量固体推进剂点火延迟时间的电路图包括：电源，4 块滤波电容C₁、C₂、C₃、C₄，2根光敏二极管VD₁、VD₂，2个反向偏置运放电路，数据采集卡，计算机测试软件。将电源正极与光敏二极管VD₁，运算放大器 LF357正极依次相连，并在光敏二极管VD₁与运算放大器LF357中间并联一接地电阻RL₁。将运算放大器LF357负极与反馈电阻Rf₁一端相连，Rf₁另一端接数据采集卡CH₁通道。运算放大器LF357负极与反馈电阻Rf₁中间并联一接地电阻RB₁。在电源两端并联滤波电容C₁，C₂。

将电源正极与光敏二极管VD₂，运算放大器LF357正极依次相连，并在光敏二极管VD₂与运算放大器LF357中间并联一接地电阻RL₂。将运算放大器 LF357负极与反馈电阻Rf₂一端相连，Rf₂另一端接数据采集卡CH₂通道。运算放大器LF357负极与反馈电阻Rf₂中间并联一接地电阻RB₂。在电源两端并联滤波电容C₃，C₄。

反馈电阻Rf₁电流为

数据采集卡CH₁通道接收电压为

反馈电阻Rf₂电流为

数据采集卡CH₂通道接收电压为

电源电压U₀为12V，滤波电容C₁、C₃为10μF，滤波电容C₂、C₄为0.1μF，接地电阻RL₁、RL₂、RB₁、RB₂阻值为500Ω，反馈电阻Rf₁、Rf₂量程为1kΩ～2kΩ，光敏二极管VD₁、VD₂未接通时电阻为1500Ω，接通时为20Ω。实验过程中反馈电阻Rf1、Rf2阻值设置为1500Ω。在未接收激光信号时，

接收到激光信号时

此时记录时间为t₁。

同理，在未接收火焰信号时，

接收到火焰信号时

此时记录时间为t₂。

固体推进剂点火延迟时间t＝t₂-t₁。

采用本发明测量固体推进剂点火延迟时间测量精度较高，整个测量过程由系统自发进行，两个电压信号在同一时间轴被记录，且选用相同型号的两根光电二极管，因装置相应造成的系统误差可以忽略。采集到的电信号通过反向偏置运放电路进行放大，便于数据采集卡和测试软件记录。且响应速度较好，输出信号与输入信号同相位。采用4块电容进行滤波，降低了采集信号过程中造成的误差。整个电路和系统成本较低，原理简单，整体搭建及操作都省时省力。

Claims (6)

1.一种测量固体推进剂点火延迟时间的电路，其特征在于，测量激光信号时间的电路和测量火焰信号时间的电路并联之后，依次连接数据采集卡和计算机测试软件；

所述测量激光信号时间的电路和测量火焰信号时间的电路均包括：光敏二极管和反向偏置运放电路；

所述反向偏置运放电路包括运算放大器、接地电阻和反馈电阻；

电源正极与光敏二极管、运算放大器正极依次连接，在光敏二极管和运算放大器中间并联一接地电阻，将运算放大器负极和反馈电阻一端相连，反馈电阻另一端连接数据采集卡，运算放大器负极与反馈电阻中间并联一接地电阻；

还包括四块滤波电容，所述测量激光信号时间的电路和测量火焰信号时间的电路的电源两端均并联有两个滤波电容；

将测量激光信号时间的电路的光敏二极管用胶布粘在激光器的玻璃壁上，将测量光焰信号时间的电路的光敏二极管用胶布粘在推进剂燃烧室玻璃外侧；

激光信号时间和火焰信号时间分别为t₁、t₂，固体推进剂点火延迟时间t＝t₂-t₁。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述测量激光信号时间的电路和测量火焰信号时间的电路并联之后，分别连接数据采集卡的CH₁和CH₂通道。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述测量激光信号时间的电路和测量火焰信号时间的电路的元件连接关系和原件的类型相同。

4.一种利用权利要求1-3任一项所述的电路测量固体推进剂点火延迟时间的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：设置测量激光信号时间的电路；

步骤(2)：设置测量火焰信号时间的电路；

步骤(3)：将光敏二极管VD₁用胶布粘在CO2激光器的玻璃壁上，将光敏二极管VD₂用胶布粘在推进剂燃烧室玻璃外侧；

步骤(4)：打开激光器，点燃固体推进剂；

步骤(5)：分别记录激光信号时间和火焰信号时间t₁、t₂，固体推进剂点火延迟时间t＝t₂-t₁。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激光信号时间t₁的获取方法如下：

运算放大器正负极电压为

反馈电阻Rf₁电流为

数据采集卡CH₁通道接收电压为

其中，U₀为电源电压，Rf₁为测量激光信号时间的电路的反馈电阻，R_VD1为测量激光信号时间的电路的光敏二极管的电阻，RL₁和RB₁为测量激光信号时间的电路的接地电阻，U₁-激光信号电压，

根据上述公式可知，在没有光照时，光敏二极管阻值较大，U₁很小，数据采集卡几乎接收不到电压信号；当光敏二极管感应到激光信号时，

大幅减小，U₁被数据采集卡采集并传输至计算机测试软件，记录电压上升沿时间t₁，即为激光信号时间。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述火焰信号时间t₂的获取方法如下：

运算放大器正负极电压为

反馈电阻Rf₂电流为

数据采集卡CH₂通道接收电压为

其中，U₀为电源电压，Rf₂为测量火焰信号时间的电路的反馈电阻，R_VD2为测量火焰信号时间的电路的光敏二极管的电阻，RL₂和RB₂测量火焰信号时间的电路的接地电阻，U₂-火焰信号电压，

根据上述公式可知，在没有光照时，光敏二极管阻值较大，U₂很小，数据采集卡几乎接收不到电压信号；当光敏二极管感应到火焰信号时，

大幅减小，U₂被数据采集卡采集并传输至计算机测试软件，记录电压上升沿时间t₂，即为火焰信号时间。

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