CN111707402A - 基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，目的是解决有源测量装置布线困难、电磁干扰大和无源测量装置需电测设备辅助的缺点。本发明由封装壳体、驱动滑块、负泊松比吸能构件、固壁止位板、活动螺栓、密封挡环组成。驱动滑块、负泊松比吸能构件位于封装壳体内且3者同轴安装，驱动滑块紧贴负泊松比吸能构件的左端面，固壁止位板固定在封装壳体右端，密封挡环固定在封装壳体左端。负泊松比吸能构件是由2n根斜肋组成的桁架结构，两根斜肋连接处形成铰。封装壳体和固壁止位板上有泄气孔。本发明结构简单、无需供电、布设安装方便、成本低且可重复使用，测量结果后处理方便，可用于恶劣环境的炸药爆炸冲击波能量的测量。

Description

基于负泊松比结构的爆炸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，具体涉及一种测量爆炸产生的冲击波参数的传感器，是一种利用塑性铰变形吸能特性制成的负泊松比结构对爆炸冲击波能量进行测量的无源传感器。

背景技术

目前，对炸药爆炸所产生的冲击波压力、冲量等参数的测量方法主要包括有源测量和无源测量两种。其中，有源测量是依靠各类电学传感器，将冲击波信号转换为电信号，并利用数据采集设备进行采集。尽管电学传感器测量技术相对成熟，且市场上已有各种型号的高精度冲击波电测传感器，但爆炸试验环境复杂多样，采用传统的电学传感器进行有源测量具有一定的局限性，尤其是在一些自然环境比较恶劣的条件下(如沙漠、高原或者海岛上)，无法布置精密电测装置或者布设难度非常大、成本非常高。此外，炸药爆炸过程中产生的电磁干扰和机械振动也会对电测传感器和电缆产生一定影响，从而可能导致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，后续分析处理难度大。因此，开发一种有效的无源爆炸冲击波参数测量传感器，降低试验难度，提高测量结果的准确性和可靠性，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

在现有无源测量技术中，获取爆炸冲击波压力参数的方法主要有霍普金森杆法、效应物法、等效靶板法等。但是，霍普金森杆法测量冲击波波阵面的压力存在测量系统过于复杂的缺点；效应物法只能通过判断爆炸冲击波过后松木板断裂、玻璃破碎、小动物死亡等现象定性评价冲击波的强度范围，测量结果精确度低且不适合用于进行近场大威力爆炸冲击波的评估；等效靶板法是通过测量靶板在爆炸试验后其变形挠度或破坏程度来反推相应的超压或比冲量值，虽然等效靶板具有布置快速、成本低的优点，但在试验中存在靶板尺寸大、固定约束不够、冲击波非正面入射及靶板回弹等不足，使得试验结果与理想情况下的变形有一定差距；此外，还存在等效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，上述技术至少存在如下技术问题：

1.现有电测有源传感器存在布线困难、电磁干扰大、成本高等问题，且无法实现在相对恶劣的自然环境中对冲击波能量的测量。

2.现有无源测量技术存在测量系统复杂、测量后处理程序繁琐等缺陷，难以实现高精度无源测量。

实际上，冲击波能量的无源测量也可以通过一些轻质吸能结构的变形测量而获得。其中，负泊松比结构具有密度低、比强度高、剪切模量高、压缩应变大和能量吸收能力强等特点，是一种较为理想的缓冲吸能结构材料。负泊松比结构是一种具有塑性铰的变形吸能特性的结构，在变形过程中，由于斜肋转动而在其连接处向内产生不可逆变形塑性铰。压缩过程中，负泊松比吸能构件弹性变形阶段较短，且塑性铰的转动导致构件应力处于稳定状态。因此，这种特殊的力学响应特征，使其可用于爆炸冲击波能量的吸收和定量测量。根据斜肋铰接的数量，可将负泊松比吸能构件分为二铰、三铰、四铰及多铰构件。铰的数量、成型角度、尺寸、基体材料等参数的多样性，使负泊松比吸能构件具有丰富的结构形式和力学特性，极大拓展了构件用于定量测量冲击波能量的范围，从而获得大量的不同能量-变形位移精确对应的表征关系。同时，负泊松比结构携带运输方便、性能可靠、可长期保存和使用，非常适合用于制作不同规格的传感器测量装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，解决现有有源测量技术中电测传感装置布线困难、电磁干扰大、成本昂贵等问题；弥补现有无源测量装置或需电测设备辅助，或测量系统复杂，或测量后处理程序繁琐的缺点。所提供的传感器具有结构简单、成本低、布设快速、不受电磁干扰、测量结果后处理方便等优势，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，为冲击波参数准确测量提供一种新的参考选择。

本发明利用负泊松比结构吸能构件塑性铰角度变化引起的压缩变形位移反推计算所吸收的爆炸场冲击波能量，从而实现冲击波能量的无源定量测量。

本发明由封装壳体、驱动滑块、负泊松比吸能构件、固壁止位板、活动螺栓、密封挡环组成。定义封装壳体靠近爆炸点的一端(即密封挡环所在的一端)为本发明的左端，远离爆炸点的一端(即固壁止位板所在的一端)为本发明的右端。驱动滑块、负泊松比吸能构件位于封装壳体内，且驱动滑块、负泊松比吸能构件、封装壳体同轴安装。驱动滑块紧贴负泊松比吸能构件的左端面。固壁止位板通过活动螺栓固定在封装壳体右端，并对封装壳体右端面进行密封。密封挡环通过活动螺栓固定在封装壳体左端，以防止驱动滑块和负泊松比吸能构件从封装壳体左端滑出。

封装壳体为圆筒型或长方体形。当封装壳体为圆筒型时，外直径D₁满足0.01m<D₁<0.3m，壁厚t₁满足0.001m<t₁<0.1m，内直径为d₁＝D₁-2t₁，长度L₁满足0.01m<L₁<1m；当封装壳体为长方体形(与封装壳体轴线OO’垂直的截面为正方形)时，结构参数可参考圆筒型按照截面积相等的原则进行处理。截面的边长a₁满足0.0089m<a₁<0.27m，长度L₁满足0.01m<L₁<1m。封装壳体采用高强度金属材料或者有机玻璃等制成，基本原则是封装壳体受到冲击波作用时不产生塑性变形，要求材料满足：屈服强度σ₁>100MPa，密度ρ₁>1g/cm³。封装壳体侧壁上加工有阵列泄气孔，以保证封装壳体内的气体顺利排出，尽量减少气体对驱动滑块运动的影响。封装壳体用于承载驱动滑块和负泊松比吸能构件，且保证驱动滑块可在封装壳体内自由无摩擦滑动(封装壳体内侧壁和驱动滑块之间的摩擦系数μ<0.05)。若封装壳体采用金属等非透明材料，可在侧壁沿轴向开一个长条形通槽，长度l满足L₃<l<L₁，深度等于t₁，宽度w满足0.01D₁<w<0.1D₁，通过长条形通槽可观察驱动滑块、负泊松比吸能构件、固壁止位板三者是否紧密接触。在封装壳体外侧壁沿轴向刻制或布置长度刻度尺，刻度尺分度值小于1mm，用于直接读取驱动滑块位移，通过驱动滑块位移即可换算爆炸冲击波能量值。若封装壳体采用有机玻璃等透明材料，则不需要开条形槽，直接在封装壳体外侧壁沿轴向刻制或布置长度刻度尺即可。

驱动滑块为圆柱形或长方体形，要求截面与封装壳体的截面相一致。当驱动滑块为圆柱形时，直径D₂满足0.9D₁<D₂<D₁，厚度L₂满足0.01L₁<L₂<0.3L₁。驱动滑块和封装壳体无摩擦滑动装配(摩擦系数μ<0.05)。驱动滑块采用高强度合金类材料制成，材料和厚度以驱动滑块在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形为原则，具体要求材料满足：屈服强度σ₂>200MPa，密度ρ₂>2.0g/cm³。驱动滑块用于将空气冲击波能量转换为自身的动能。驱动滑块两端面平行，且与封装壳体中轴线保持垂直。当驱动滑块为长方体形时，厚度L₂也满足0.01L₁<L₂<0.3L₁，驱动滑块截面为正方形，边长a₂满足0.9D₁<a₂<D₁。

负泊松比吸能构件是由2n根斜肋组成的桁架结构。其中，桁架是指一种由杆件在两端彼此用铰链连接而成的结构，斜肋即为组成桁架结构的杆件，并在两根斜肋连接处进行铰接成为一个铰链。负泊松比吸能构件整体长度L₃＝L₁-L₂，单根斜肋长度L₄＝L₃/2，内凹角β满足0°<β<90°；两根斜肋连接处31形成的铰的数量n满足1<n<32，任意相邻两铰之间距离L₅满足0.1D₂<L₅<0.9D₂。斜肋截面32为矩形或圆形，当斜肋横截面为矩形时，截面长度A₃满足0.1mm<A₃<10mm，截面宽度b满足0.1mm<b<10mm；当斜肋截面为圆形时，截面直径D₃满足0.1mm<D₃<10mm。斜肋关于封装壳体轴线OO’等角度均匀对称分布，以确保负泊松比吸能构件受到驱动滑块的均匀压缩。负泊松比吸能构件与驱动滑块之间的端面、负泊松比吸能构件与固壁止位板之间的端面均紧密接触。负泊松比吸能构件材料采用延展性(指物质受到拉力、锤击、滚轧等作用时，延伸成丝或展开成薄片而不破裂的性质)较好的金属材料制成，基本原则是要求负泊松比吸能构件(3)产生的塑性铰不可恢复且塑性铰不发生断裂破坏，具体要求材料满足：屈服强度σ₃<600MPa，拉伸失效应变ε_f>0.1，密度ρ₃>1.0g/cm³。负泊松比吸能构件用于转换驱动滑块的动能，可将驱动滑块的动能转换为负泊松比吸能构件的塑性铰耗散能。所述塑性铰指发生变形时的铰。

固壁止位板为圆形薄板或方形薄板，并与封装壳体的截面相一致，直径D₄满足D₁<D₄<1.1D₁，厚度t₂满足0.1t₁<t₂<1.5t₁。材料采用硬质合金，基本原则是负泊松比吸能构件变形时固壁止位板不产生塑性变形，要求材料满足：屈服强度σ₄>200MPa，密度ρ₄>2.0g/cm³。固壁止位板通过活动螺栓固定在封装壳体的右端面，用于约束负泊松比吸能构件在右侧的运动。固壁止位板中心位置开设圆形泄气孔，联合封装壳体上的阵列泄气孔保证壳体内部的气体顺利排出，不影响驱动滑块对负泊松比吸能构件的压缩。固壁止位板通过活动螺栓进行固定和拆卸，从而能够重新装载新的负泊松比吸能构件，实现传感器装置的重复利用。

封装壳体上的阵列泄气孔为圆形通孔，沿封装壳体环向和轴向均匀分布，直径φ₁满足0.05L₂<φ₁<0.5L₂，环向分布数量为5～50个，轴向分布数量为10～100个，泄气孔总面积为整个壳体面积的10％～50％。固壁止位板上的圆形泄气孔中轴线与固壁止位板的轴线OO’重合，直径满足0.1D₄<φ₂<0.7D₄，数量为1个，孔的总面积为固壁止位板面积的1％～50％。

密封挡环为圆环形挡环或方形挡环，并与封装壳体的截面相一致，外直径尺寸与封装壳体匹配即可，外直径D₅满足D₁<D₅<1.2D₁；内径尺寸略小于驱动滑块内径，内直径d₂满足0.9D₂<d₂<D₂；厚度t₃满足0.1t₁<t₃<1.2t₁。密封挡环材料采用硬质合金制成，基本原则是密封挡环受到爆炸冲击波作用时不产生塑性变形，具体要求材料满足：屈服强度σ₅>200MPa，密度ρ₅>2.0g/cm³。密封挡环用于确保将驱动滑块、负泊松比吸能构件约束在封装壳体内，在运输和安装过程中确保驱动滑块不会从封装壳体左端滑出，并保证在冲击波载荷下驱动滑块只向压缩负泊松比吸能构件方向移动。

采用本发明进行爆炸场冲击波能量测量的过程是：

在测量冲击波能量之前，确保驱动滑块和密封挡环紧密接触，驱动滑块、负泊松比吸能构件、固壁止位板紧密接触，均无间隙；确保驱动滑块与负泊松比吸能构件同轴；阵列泄气孔和圆形泄气孔通畅，无堵塞。将本发明装置通过螺丝连接整体固定在支架上，并尽量保证爆炸点与本发明轴线OO’位于同一直线上，支架为细长杆，支架材料采用强度较高的合金钢，支架直径和长度依据具体实验条件确定，基本原则是尽量减小支架在冲击波载荷下的变形；支架下端固定在大地或者较重的支座上，基本原则是尽量避免支座在冲击波加载过程中产生较大振动或倾倒。

驱动滑块位于本发明的左端，用于承受爆炸冲击波载荷并产生对负泊松比吸能构件的初始压缩速度。驱动滑块和密封挡环之间是否紧密接触可以通过直接观察进行判断；通过封装壳体长条形侧壁开的槽(若是由透明材料制成，则可直接观察)观察驱动滑块与负泊松比吸能构件之间端面、负泊松比吸能构件与固壁止位板之间的端面是否均紧密接触；通过读取在封装壳体外侧或者有机玻璃壳体上沿轴向刻制或布置的长度刻度尺，记录下负泊松比吸能构件左端面的具体位置s₁。

实验开始时，爆炸点处产生的冲击波在空气中进行传播，当冲击波到达驱动滑块左侧端面时，对驱动滑块进行平面波脉冲加载。冲击波的能量传递给驱动滑块，并转化为驱动滑块的动能，从而驱动滑块开始压缩负泊松比吸能构件和封装壳体中的气体，使负泊松比吸能构件发生了铰变形和斜肋角度变化，封装壳体中的气体通过阵列泄气孔和圆形泄气孔直接排出，不影响驱动滑块的运动。

爆炸冲击前，初始时刻负泊松比吸能构件左端面位置为s₁(如图3所示)；爆炸冲击波加载后，由于负泊松比吸能构件斜肋角度β发生变化，导致构件左端面运动到s₂(如图5所示)，通过刻度尺判读得到s₁和s₂，驱动滑块压缩负泊松比吸能构件产生的变形位移量为Δs＝s₂-s₁(s₁、s₂和Δs单位均为m)。判读时应确保驱动滑块与负泊松比吸能构件之间的端面、负泊松比吸能构件与固壁止位板之间的端面均紧密接触。通过动态加载技术标定负泊松比吸能构件的能量灵敏度系数为k(单位为kg·m/s²)。根据位移量Δs和系数k计算得到负泊松比吸能构件的塑性变形能E＝k·Δs，也即获得了驱动滑块的动能。由于驱动滑块不会产生塑性变形，因此驱动滑块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无源定量测量。

爆炸实验结束后，通过固壁止位板的活动螺栓卸下并更换新的负泊松比吸能构件，将驱动滑块从封装壳体中取出后装入，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.本发明通过封装壳体上预先刻制或布置的长度刻度尺可读取负泊松比吸能构件的压缩变形量Δs，根据能量灵敏度系数k可方便地得到在传感器处的爆炸冲击波能量，完成爆炸场冲击波能量的无源定量测量。所提供的传感器拓展了构件用于定量测量冲击波能量的范围，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，为冲击波参数准确测量提供一种新的参考选择。

2.本发明的负泊松比吸能构件是通过斜肋桁架连接处变形产生的斜肋角度变化量记录爆炸冲击波能量。塑性铰转动产生的应力持续而稳定，且斜肋尺寸(0.01<L₄＝L₃/2<1)和内凹角(0°<β<90°)可在取值范围内随意组合，通过材料选择和冲击过程中内凹角的变化，可记录到负泊松比吸能构件的压缩变形量，并通过动态加载技术标定负泊松比吸能构件的能量灵敏度系数可准确、灵敏地计算爆炸冲击波的能量。

3.本发明具有结构简单、无需供电、布设安装方便、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是负泊松比吸能构件3的结构示意图；图2(a)是负泊松比吸能构件3的三维结构示意图；图2(b)是负泊松比吸能构件3的左视图；图2(c)是负泊松比吸能构件3的斜肋矩形截面示意图；图2(d)是负泊松比吸能构件3的斜肋圆截面示意图。

图3是本发明爆炸冲击前的轴向剖视图。

图4是长方体型封装壳体的截面示意图。

图5是本发明爆炸冲击后的轴向剖视图。

图6是封装壳体1的三维示意图。

图7是固壁止位板5的三维示意图。

附图标记说明：

1.封装壳体，2.驱动滑块，3.负泊松比吸能构件，31.斜肋铰，32.斜肋横截面，4.阵列泄气孔，41.圆形泄气孔，5.固壁止位板，6.活动螺栓，7.密封挡环，8.爆炸点，9.长条形通槽，10.长度刻度尺。

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，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，本发明由封装壳体1、驱动滑块2、负泊松比吸能构件3、固壁止位板5、活动螺栓6、密封挡环7组成。定义靠近爆炸点8的一端(即密封挡环7所在的一端)为本发明的左端，远离爆炸点8的一端(即固壁止位板5所在的一端)为本发明的右端。驱动滑块2、负泊松比吸能构件3位于封装壳体1内，且驱动滑块2、负泊松比吸能构件3、封装壳体1同轴安装。驱动滑块2紧贴负泊松比吸能构件3的左端面。固壁止位板5紧贴负泊松比吸能构件3的右端面，通过活动螺栓6固定在封装壳体1右端，对封装壳体1右端面进行密封。密封挡环7通过活动螺栓6固定在封装壳体1左端。

图3为本发明中负泊松比吸能构件3受到爆炸空气冲击波8作用前的轴向剖视图。图6为封装壳体1的三维示意图。如图3所示，封装壳体1为圆筒形，外直径D₁满足0.01m<D₁<0.3m，壁厚t₁满足0.001m<t₁<0.1m，内直径d₁＝D₁-2t₁，长度L₁满足0.01m<L₁<1m。封装壳体1采用金属材料或者有机玻璃等制成，要求材料满足：屈服强度σ₁>100MPa，密度ρ₁>1g/cm³。封装壳体1的侧壁挖有阵列泄气孔4。封装壳体1用于装载驱动滑块2和负泊松比吸能构件3，且保证驱动滑块2可在封装壳体1内自由无摩擦滑动(封装壳体1的内壁和驱动滑块2之间的摩擦系数μ<0.05)。如图6所示，封装壳体1采用金属等非透明材料时，封装壳体1侧壁沿轴向开有一个长条形通槽9。通槽9的“0”刻度位置与封装壳体左端面距离l₀满足0<l₀<L₂，长度l满足L₃<l<L₁，深度等于t₁，宽度w满足0.01D₁<w<0.1D₁，通过长条形通槽9可观察驱动滑块2、负泊松比吸能构件3、固壁止位板5三者端面是否紧密接触。在封装壳体1外侧壁沿轴向刻制或布置长度刻度尺10，刻度尺分度值小于1mm。

驱动滑块2为圆柱形，直径D₂满足0.9D₁<D₂<D₁，厚度L₂满足0.01L₁<L₂<0.3L₁。驱动滑块2采用合金材料制成，材料和厚度以滑块在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形为原则，要求材料满足：屈服强度σ₂>200MPa，密度ρ₂>2.0g/cm³。驱动滑块2用于将空气冲击波能量转换为自身的初始动能。驱动滑块2的两端面平行，且与封装壳体1的轴线OO’垂直。

负泊松比吸能构件3如图3所示，结合图2(a)所示，负泊松比吸能构件3为由2n根斜肋35铰接而成的桁架结构，可将驱动滑块2的动能转换为负泊松比吸能构件3的塑性铰耗散能。桁架是指一种由杆件在两端彼此用铰链连接而成的结构，斜肋35为组成桁架结构的杆件。负泊松比吸能构件3长度L₃＝L₁-L₂，单根斜肋35(组成桁架结构的单一杆件)长度L₄＝L₃/2，内凹角β满足0°<β<90°；两斜肋连接处31铰接成为一个铰，铰的数量n(图2(a)中，n＝4)满足1<n<32(两根斜肋铰接成一个铰，因此负泊松比吸能构件3共有2n根斜肋)，相邻两铰之间距离L₅满足0.1D₂<L₅<0.9D₂。图2(b)和图2(c)分别为负泊松比吸能构件三维视图(图2(a))的左视图和斜肋矩形截面示意图。如图2(b)所示，斜肋35的横截面32可以为矩形或圆形。如图2(c)所示，斜肋35的横截面32为矩形时，横截面32长度A₃满足0.1mm<A₃<10mm，宽度b满足0.1mm<b<10mm；如图2(d)所示，斜肋35的横截面32为圆形时，横截面32直径D₃满足0.1mm<D₃<10mm。2n根斜肋35铰接成n个铰后关于封装壳体1轴线OO’等角度均匀对称分布，以确保负泊松比吸能构件3产生均匀压缩变形。负泊松比吸能构件材料3采用延展性较好的金属材料制成，基本原则是要求负泊松比吸能构件(3)产生的塑性铰不可恢复且塑性铰不发生断裂破坏，要求材料满足：屈服强度σ₃<600MPa，拉伸失效应变ε_f>0.1，密度ρ₃>1.0g/cm³。

阵列泄气孔4为圆形通孔，在驱动滑块2压缩负泊松比吸能构件3时，及时排出封装壳体1内部的气体。阵列泄气孔4沿封装壳体1环向和轴向均匀分布，阵列泄气孔4的直径φ₁满足0.05L₂<φ₁<0.5L₂，环向分布数量为5～50个，轴向分布数量为10～100个，阵列泄气孔4总面积为整个封装壳体1外表面面积的10％～50％。

如图3所示，固壁止位板5为圆形薄板，直径D₄满足D₁<D₄<1.1D₁，厚度t₂满足0.1t₁<t₂<1.5t₁。材料采用硬质合金，基本原则是负泊松比吸能构件3变形时固壁止位板5不产生塑性变形，要求材料满足：屈服强度σ₄>200MPa，密度ρ₄>2.0g/cm³。固壁止位板5通过活动螺栓6固定在封装壳体1的右端面，用于约束负泊松比吸能构件3在右侧的运动。如图7所示，固壁止位板5上挖有圆形泄气孔41，联合封装壳体上的阵列泄气孔4保证壳体内部的气体顺利排出，不影响驱动滑块2对负泊松比吸能构件3的压缩。圆形泄气孔41中轴线位置与固壁止位板5的中轴线重合，直径满足0.1D₄<φ₂<0.7D₄，数量为1个，圆形泄气孔41的面积为整个固壁止位板5总面积的1％～50％。

固壁止位板5通过活动螺栓6进行固定和拆卸，从而能够重新装载新的负泊松比吸能构件5，实现传感器装置的重复利用。

如图3所示，密封挡环7为圆环形，用于确保将驱动滑块2、负泊松比吸能构件3约束在封装壳体1内，保证驱动滑块2不会从封装壳体1左端滑出，并保证在冲击波载荷下驱动滑块2只向压缩负泊松比吸能构件3方向移动。密封挡环7外直径D₅满足D₁<D₅<1.2D₁，内直径d₂满足0.9D₂<d₂<D₂，厚度t₃满足0.1t₁<t₃<1.2t₁。密封挡环7采用硬质合金制成，具体要求材料满足：屈服强度σ₅>200MPa，密度ρ₅>2.0g/cm³。

通过卸下固壁止位板5和活动螺栓6可将驱动滑块2从封装壳体1中取出后装入，并更换新的负泊松比吸能构件，实现传感器的重复利用。

若封装壳体1为长方体形(封装壳体轴线OO’垂直的截面为正方形，如图4所示)，结构参数可参考圆筒型按照截面积相等的原则进行处理。截面的边长a₁满足0.0089m<a₁<0.27m。驱动滑块2也相应为长方体形，固壁止位板5为方形板，密封挡环7则为方形挡环。参考封装壳体为圆筒型时的结构参数按照等截面积的原则进行处理，这里只涉及简单的机械加工，不再辍述。

图5是本发明中负泊松比吸能构件3受到爆炸空气冲击波8作用后的轴向剖视图。如图5所示，爆炸冲击后，驱动滑块2位置右移，即驱动滑块2的右端面与密封挡环7的右端面的距离增大，通过刻度尺判读得到滑块2右端面对应的刻度值s₂，则驱动滑块2压缩负泊松比吸能构件3产生的位移量为Δs＝s₂-s₁。s₁是图3中负泊松比吸能构件3受到爆炸空气冲击波8作用前刻度尺判读得到的驱动滑块2右端面对应的刻度值。

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 (13)

1.一种基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，其特征在于本发明由封装壳体(1)、驱动滑块(2)、负泊松比吸能构件(3)、固壁止位板(5)、活动螺栓(6)、密封挡环(7)组成；定义密封挡环(7)所在的一端为左端，定义固壁止位板(5)所在的一端为右端；驱动滑块(2)、负泊松比吸能构件(3)位于封装壳体(1)内，且驱动滑块(2)、负泊松比吸能构件(3)、封装壳体(1)同轴安装；驱动滑块(2)紧贴负泊松比吸能构件(3)的左端面；固壁止位板(5)紧贴负泊松比吸能构件(3)的右端面，通过活动螺栓(6)固定在封装壳体(1)右端，对封装壳体(1)右端面进行密封；密封挡环(7)通过活动螺栓(6)固定在封装壳体(1)左端；

封装壳体(1)为圆筒形，外直径为D₁，壁厚为t₁，内直径d₁＝D₁-2t₁，长度为L₁；封装壳体(1)采用金属材料或者有机玻璃制成；封装壳体(1)的侧壁挖有阵列泄气孔(4)；在封装壳体(1)外侧壁沿轴向刻制或布置长度刻度尺(10)；

驱动滑块(2)为圆柱形，直径为D₂，厚度为L₂；驱动滑块(2)采用合金材料制成，材料和厚度要求满足驱动滑块(2)在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形；驱动滑块(2)在封装壳体(1)内自由无摩擦滑动，用于将空气中冲击波能量转换为自身的初始动能；驱动滑块(2)的两端面平行，且与封装壳体(1)的轴线OO’垂直；

负泊松比吸能构件(3)为由2n根斜肋(35)铰接而成的桁架结构，将驱动滑块(2)的动能转换为负泊松比吸能构件(3)的塑性铰耗散能；负泊松比吸能构件(3)长度L₃＝L₁-L₂，单根斜肋(35)的长度为L₄，内凹角为β；两斜肋连接处(31)铰接成为一个铰，铰的数量为n，相邻两铰之间距离为L₅；斜肋(35)的横截面(32)为矩形或圆形；2n根斜肋(35)铰接成n个铰后关于封装壳体(1)轴线OO’等角度均匀对称分布；负泊松比吸能构件(3)采用金属材料制成，要求负泊松比吸能构件(3)产生的塑性铰不可恢复且塑性铰不发生断裂破坏；

阵列泄气孔(4)为圆形通孔，阵列泄气孔(4)沿封装壳体(1)环向和轴向均匀分布，阵列泄气孔(4)总面积为封装壳体(1)外表面面积的10％～50％；

固壁止位板(5)为圆形薄板，直径为D₄，厚度为t₂；材料采用硬质合金，满足负泊松比吸能构件(3)变形时固壁止位板(5)不产生塑性变形；固壁止位板(5)通过活动螺栓(6)固定在封装壳体(1)的右端面；固壁止位板(5)上挖有圆形泄气孔(41)，圆形泄气孔(41)中轴线位置与固壁止位板(5)的中轴线重合；固壁止位板(5)通过活动螺栓(6)进行固定和拆卸；

密封挡环(7)为圆环形，用于确保将驱动滑块(2)、负泊松比吸能构件(3)约束在封装壳体(1)内，保证驱动滑块(2)不会从封装壳体(1)左端滑出，并保证在冲击波载荷下驱动滑块(2)向压缩负泊松比构件3方向移动；密封挡环(7)外直径为D₅，内直径为d₂，厚度为t₃，采用硬质合金制成。

2.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述封装壳体(1)外直径D₁满足0.01m<D₁<0.3m，壁厚t₁满足0.001m<t₁<0.1m，长度L₁满足0.01m<L₁<1m。

3.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述封装壳体(1)的材料满足：屈服强度σ₁>100MPa，密度ρ₁>1g/cm³，且封装壳体(1)的内壁和驱动滑块(2)之间的摩擦系数μ<0.05；所述驱动滑块(2)的材料满足：屈服强度σ₂>200MPa，密度ρ₂>2.0g/cm³；所述负泊松比吸能构件材料(3)的材料满足：屈服强度σ₃<600MPa，拉伸失效应变ε_f>0.1，密度ρ₃>1.0g/cm³；所述固壁止位板(5)的材料满足：屈服强度σ₄>200MPa，密度ρ₄>2.0g/cm³；所述密封挡环(7)材料满足：屈服强度σ₅>200MPa，密度ρ₅>2.0g/cm³。

4.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述封装壳体(1)采用金属材料时，封装壳体(1)侧壁沿轴向开有一个长条形通槽(9)；长条形通槽(9)的“0”刻度位置与封装壳体左端面距离l₀满足0<l₀<L₂，长度l满足L₃<l<L₁，深度等于t₁，宽度w满足0.01D₁<w<0.1D₁。

5.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述长度刻度尺(10)，长度刻度尺(10)分度值小于1mm。

6.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述驱动滑块(2)的直径D₂满足0.9D₁<D₂<D₁，厚度L₂满足0.01L₁<L₂<0.3L₁。

7.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述负泊松比吸能构件(3)的斜肋(35)的长度L₄＝L₃/2，内凹角β满足0°<β<90°；铰的数量n满足1<n<32，相邻两铰之间距离L₅满足0.1D₂<L₅<0.9D₂。

8.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述斜肋(35)的横截面(32)为矩形时，横截面(32)长度A₃满足0.1mm<A₃<10mm，宽度b满足0.1mm<b<10mm。

9.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述斜肋(35)的横截面(32)为圆形时，横截面(32)直径D₃满足0.1mm<D₃<10mm。

10.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述阵列泄气孔(4)的直径φ₁满足0.05L₂<φ₁<0.5L₂，环向分布数量为5～50个，轴向分布数量为10～100个。

11.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述固壁止位板(5)的直径D₄满足D₁<D₄<1.1D₁，厚度t₂满足0.1t₁<t₂<1.5t₁；固壁止位板(5)的圆形泄气孔(41)的直径满足0.1D₄<φ₂<0.7D₄，圆形泄气孔(41)的面积为整个固壁止位板(5)总面积的1％～50％。

12.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述密封挡环(7)外直径D₅满足D₁<D₅<1.2D₁，内直径d₂满足0.9D₂<d₂<D₂，厚度t₃满足0.1t₁<t₃<1.2t₁。

13.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的爆炸冲击波能量无源测量传感器，其特征在于所述封装壳体(1)为长方体形，封装壳体(1)的横截面为正方形，截面的边长a₁满足0.0089m<a₁<0.27m；驱动滑块(2)为长方体形，固壁止位板(5)为方形板，密封挡环(7)为方形挡环。

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