CN112113698B - 一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统 - Google Patents

一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于电‑磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统，底座为水箱提供支撑，保护水箱，支撑架包括纵向导轨、丝杠、导向块、电机；横向架包括横向导轨、导向板、丝杠、定位台、电机组成；测量装置包括滑筒、刚性滑块、磁铁、铜棒、铜柱、机密螺钉组成。本发明利用爆炸产生的载荷对刚性物块进行作用使其发生运动，物块运动推动铜棒切割磁场产生电流的方式。可以得到物块的运动速度。根据能量守恒定律和动量守恒定律等系列公式可得到水下爆炸气泡脉动载荷。基于这种等效的测量方式得到更加准确的水下接触爆炸的载荷参数，为水下爆炸载荷特性的研究工作提供参考。本发明成本低廉、更换简单，对于爆炸破坏性试验技术领域具有广阔的应用。

Description

一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统
技术领域
本发明涉及一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统，属于水下爆炸气泡脉动冲击试验与测量技术领域。
背景技术
水下爆炸尤其是水下接触性爆炸的载荷测量一直是该领域的研究难点，由于爆炸的破坏性，对测量过程中的装置具有损伤作用，导致测量出现误差，甚至导致装置失效。并且现如今的测量装置量程短，无法对大当量炸药爆炸的载荷进行测量。
对于水下爆炸载荷的试验测量，现如今通常是非接触式测量，即测量自由场压力时程，并通过数值计算得到载荷。然而，这种测量方式存在缺陷，只能测量药包1～6倍半径外的范围，无法测得1～6倍半径内的压力时程[1]。因此，水下爆炸尤其是水下接触式爆炸的载荷测量问题是目前亟需研究解决的。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的水下爆炸载荷测量困难的问题，而提供了一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸载荷测量系统。将难以直接测量的爆炸载荷参数问题转换为容易测量的电流参数，根据电动势公式以及动量守恒定律和能量守恒定律从而计算出爆炸载荷。
本发明的目的是这样实现的：包括底座、设置在底座上方的水箱、对称竖直设置在底座两端的支撑架、通过丝杠螺母机构设置在两支撑架之间的横向架、通过固定装置设置在横向架上的测量装置和电流表，所述横向架包括横向导轨、设置在横向导轨上的可移动的导向板，设置在横向导轨两端的两个定位台、设置在两个定位台之间的丝杠，导向板与丝杠连接，丝杠有电机驱动，所述测量装置包括与导向板连接的滑筒、设置在滑筒相对内壁上的两块极性不同的磁铁、设置在滑筒内可移动的刚性滑块、设置在刚性滑块上端中间位置的机密螺钉、与机密螺钉连接的铜棒、分别与铜棒两端部连接的铜柱，铜棒的轴向与磁铁所在平面平行，电流表的两端分别通过导线与两根铜棒连接。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.设置在滑筒内可移动的刚性滑块是指：在滑筒的内壁设置有两条未贯穿滑筒的凹槽，在刚性块上对称设置有两个与凹槽配合的凸台，两个凹槽所在的内壁与磁铁所在的内壁相邻。
2.设置有机密螺钉的刚性滑块的端面上喷涂有绝缘层。
3.通过丝杠螺母机构设置在两支撑架之间的横向架是指：在支撑架上端部设置有电机，电机的输出端与支撑架中部之间设置有丝杠，丝杠上设置有导向块，导向块两侧设置在支撑架内侧设置的滑槽中，横向架的横向导轨的两端分别与两个导向块连接。
4.所述导线是软性材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于等效的原理，利用物块的刚性特征，将难测量的近场水下爆炸载荷尤其是水下接触爆炸载荷转换为容易测量的物块运动高速度物理量，通过数值计算达到测量近场水下爆炸气泡脉动的载荷情况，为研究近场水下爆炸提供了技术参考。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中的支撑架结构示意图；
图3是本发明中的横向架结构示意图；
图4(a)为本发明中的测量装置结构示意图；
图4(b)为本发明中的测量装置剖面结构示意图；
附图说明：1底座；2水箱；3支撑架，包括3-1纵向导轨、3-2丝杠、3-3导向块、3-4电机；4横向架，包括4-1横向导轨、4-2导向板、4-3丝杠、4-4定位台、4-5电机；5测量装置，包括5-1滑筒、5-2刚性物块、5-3磁铁(N极和S极)、5-4机密螺钉、5-5铜棒、5-6铜柱；6电流表，包括6-1导线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合附图1～4(b)，本发明一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸载荷测量系统，用于测量水下爆炸气泡脉动的载荷，具体结构和测量方式如下：
1.具体结构
如图1～4所示，本发明所述的系统装置包括：底座1、水箱、支撑架3、横向架4、测量装置5、电流表6。水箱安置在底座上面；两组支撑架分别对称安装在底座两侧，用螺栓固定在底座上；横向架安装在两组支撑架中的导向块上面，使用螺钉固定；测量装置安装在横向架的导向板上，利用螺栓固定；电流表使分别使用导线与测量装置中的两根铜柱相连形成闭合回路。炸药在水下爆炸时，产生的冲击载荷对刚性物块进行作用，使其发生运动，进而使铜棒切割磁场产生电流，通过电流表测量并记录电流大小。通过电动势公式可求得刚性物块的运动速度，然后根据动量定律和能量守恒定律可计算求得此时爆炸的载荷或能量大小。所述的支撑架包括纵向导轨、丝杠、导向块和电机组成。丝杠安装在上方横梁和中间横梁之间，并穿过上方横梁与电机连接；导向块与丝杠通过螺纹配合放置于纵向导轨的滑槽内；电机安装在上方横梁上。两组电机同时转动，带动丝杠旋转，达到使导向块上下移动的目的。所述的横向架包括横向导轨、导向板、丝杠、定位台、电机组成。导向板下面有两组凸台，放置于横向导轨的凹槽内滑动。定位台安装于横向导轨的两侧，为丝杠提供安装位置。丝杠与导向板进行螺纹配合，并穿透定位台的一侧与电机相连。电机工作带动丝杠旋转，进而实现导向板左右移动。所述的测量装置用于转换测量物理量，将爆炸载荷转换为物块运动速度物理量。包括滑筒、刚性物块、两块磁铁、铜棒、铜柱以及机密螺钉组成。滑筒内设置有滑槽，刚性物块两侧设有凸台，凸台放置于滑筒的滑槽内，防止刚性物块在滑筒内移动时发生旋转；磁铁对称放置于滑筒内壁上，一面N极，一面S极，形成稳定磁场；铜棒利用机密螺钉安装在刚性物块上，为防止电流传到刚性物块上，机密螺钉上涂一层绝缘层；铜柱安装在铜棒的两侧，防止闭合回路中的导线切割磁场造成干扰。利用导线将铜柱和电流表连接形成闭合回路，实现测量电流的目的。
所述的底座用于支撑水箱和支撑架的作用。
所述的水箱为透明玻璃材质，利于观察、收集水下爆炸气泡的脉动状态。
所述的支撑架有两组，其结构相同，包括：纵向架3-1、丝杠3-2、导向块3-3、电机3-4，纵向架是由2根竖直方钢、3根横梁和2个固定卡板组成。固定卡板安装在底座上，使用螺栓固定；横梁起到提高强度的作用，并且上面和中间的横梁一起为丝杠提供旋转位置。丝杠3-2安装在上面和中间横梁之间，且穿透上面横梁和电机3-4相连。导向块3-3与丝杠3-2进行螺纹配合，两边设有凸台，凸台放置于竖直方钢的滑槽内。电机3-4使用螺钉固定在上面横梁上。电机3-4通电旋转，带动丝杠3-2旋转，丝杠通过螺纹配合带动导向3-3块在滑槽内上下移动。
所述的横向架4包括：横向导轨4-1、导向板4-2、丝杠4-3、定位台4-4、电机4-5组成。定位台4-4安装在横向导轨4-1的两侧，主要用于安装定位丝杠的作用；导向板4-2下面设置有凸台，可以放置于横向导轨4-1的凹槽内，实现滑动配合；丝杠4-3安装在定位台4-4里面，并且与导向板4-2螺纹配合。丝杠的一侧穿透定位板4-4和电机4-5相连。电机4-5旋转带动丝杠4-3旋转，通过螺纹配合，丝杠4-3将动力传递到导向板4-2上面，实现导向板4-2的左右移动。
所述的测量装置5包括：滑筒5-1、刚性滑块5-2、两块磁铁5-3(N极和S极)、机密螺钉5-4、铜棒5-5、铜柱5-6组成。滑筒5-1内壁对称设有两道滑槽，刚性物块5-2对称设有两个凸台，凸台放置于滑槽内，利于刚性物块的滑动，并且防止刚性物块5-2在运动过程中旋转，滑槽不贯穿整个滑筒内壁，防止刚性物块5-2掉出滑筒5-1。磁铁5-3安置于滑筒5-1内壁(无滑槽的两面)上，一面N极，一面S极，形成磁场。机密螺钉与刚性物块5-2安装时，需要喷涂一层绝缘层，防止产生的电流经过刚性物块5-2，造成误差。机密螺钉5-4安装在刚性物块5-2的上端中间位置，另一端与铜棒5-5相连接。铜棒5-5轴向位置与磁铁5-3平行，铜棒5-5运动时可以切割磁感应线，达到产生电流的目的。导线6-1是软性材料，为防止运动过程中在磁场内产生电流，为此使用较硬的两根铜柱5-6分别连接在铜棒5-5的两端。外面使用导线6-1与电流表6相连接，形成闭合回路。
2.测量方式
导体在磁场中做切割磁感线运动，会产生电流，由于本发明是闭合回路，因此可以使用电流表6对电路中的电流I进行测量。根据公式(1)可求得感应电动势E
E＝I(R1+R2+R3) (1)
式中：E为电动势，I为电路电流，R1为铜棒5-5电阻，R2为两根铜柱5-6总电阻，R3为导线电阻。并且铜棒、铜柱和导线的电阻可以根据其长度、直径以及材质求得。
由于磁场是由两块磁铁5-3组成的，因此，该磁场为均强磁场。均强磁场的电动势可以根据公式(2)得到。因此，根据公式(3)可以得到铜棒5-3的运动速度V。
E＝BLV (2)
Figure BDA0002692092410000041
式中：E为电动势；B为磁场强度；L为铜棒长度；V为铜棒切割磁场的速度。
根据动量定理(4)可以得到某时间段内刚性物块5-2受到爆炸冲击的力的大小。并且通过对时间进行积分可以得到瞬时时间内力的大小。
(F-mg)·t＝mv2-mv1 (4)
式中：F为水下爆炸对刚性物块作用力；m为刚性物块、铜棒、铜柱以及机密螺钉的总质量；g为重力加速度；v1，v2为某时刻的速度。
综上，本发明公开了一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统，属于水下爆炸气泡脉动冲击试验与测量技术领域。该测量系统包括：底座1、水箱2、支撑架3、横向架4、测量装置5以及电流表6组成。底座为水箱提供支撑，起到保护水箱作用。支撑架有两组，对称分别安置在底座的两侧。支撑架包括纵向导轨、丝杠、导向块、电机；横向架包括横向导轨、导向板、丝杠、定位台、电机组成；测量装置包括滑筒、刚性滑块、磁铁、铜棒、铜柱、机密螺钉组成。在对水下爆炸气泡载荷测量时，由于爆炸具有破坏性，对传感器等测量装置会造成一定的损害，将导致测量出现误差，甚至传感器失效。因此，本发明提出了一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统，该系统是利用爆炸产生的载荷对刚性物块进行作用使其发生运动，物块运动推动铜棒切割磁场产生电流的方式。可以得到物块的运动速度。根据能量守恒定律和动量守恒定律等系列公式可得到水下爆炸气泡脉动载荷。基于这种等效的测量方式从而得到更加准确的水下爆炸尤其是水下接触爆炸的载荷参数，进而为水下爆炸载荷特性的研究工作提供参考。并且本发明成本低廉、更换简单，对于爆炸破坏性试验技术领域具有广阔的应用。

Claims (9)

1.一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统，其特征在于：包括底座、设置在底座上方的水箱、对称竖直设置在底座两端的支撑架、通过丝杠螺母机构设置在两支撑架之间的横向架、通过固定装置设置在横向架上的测量装置和电流表，所述横向架包括横向导轨、设置在横向导轨上的可移动的导向板，设置在横向导轨两端的两个定位台、设置在两个定位台之间的丝杠，导向板与丝杠连接，丝杠有电机驱动，所述测量装置包括与导向板连接的滑筒、设置在滑筒相对内壁上的两块极性不同的磁铁、设置在滑筒内可移动的刚性滑块、设置在刚性滑块上端中间位置的机密螺钉、与机密螺钉连接的铜棒、分别与铜棒两端部连接的铜柱，铜棒的轴向与磁铁所在平面平行，电流表的两端分别通过导线与两根铜棒连接；利用爆炸产生的载荷对刚性物块进行作用使其发生运动，物块运动推动铜棒切割磁场产生电流的方式，得到物块的运动速度，根据能量守恒定律和动量守恒定律系列公式可得到水下爆炸气泡脉动载荷。
2.根据权利要求1所述的一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统，其特征在于：设置在滑筒内可移动的刚性滑块是指：在滑筒的内壁设置有两条未贯穿滑筒的凹槽，在刚性块上对称设置有两个与凹槽配合的凸台，两个凹槽所在的内壁与磁铁所在的内壁相邻。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统，其特征在于：设置有机密螺钉的刚性滑块的端面上喷涂有绝缘层。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统，其特征在于：通过丝杠螺母机构设置在两支撑架之间的横向架是指：在支撑架上端部设置有电机，电机的输出端与支撑架中部之间设置有丝杠，丝杠上设置有导向块，导向块两侧设置在支撑架内侧设置的滑槽中，横向架的横向导轨的两端分别与两个导向块连接。
5.根据权利要求3所述的一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统，其特征在于：通过丝杠螺母机构设置在两支撑架之间的横向架是指：在支撑架上端部设置有电机，电机的输出端与支撑架中部之间设置有丝杠，丝杠上设置有导向块，导向块两侧设置在支撑架内侧设置的滑槽中，横向架的横向导轨的两端分别与两个导向块连接。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统，其特征在于：所述导线是软性材料。
7.根据权利要求3所述的一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统，其特征在于：所述导线是软性材料。
8.根据权利要求4所述的一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统，其特征在于：所述导线是软性材料。
9.根据权利要求5所述的一种基于电-磁式等效载荷测量法的水下爆炸测量系统，其特征在于：所述导线是软性材料。
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