CN112857650B - 一种爆炸环境下表面冲击波测试装置及评估方法 - Google Patents

一种爆炸环境下表面冲击波测试装置及评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及爆炸冲击波测试及毁伤评估技术，具体是一种爆炸环境下表面冲击波测试装置及评估方法。本发明解决了现有爆炸冲击波测试及毁伤评估方法测试结果及毁伤评估结果不准确的问题。一种爆炸环境下表面冲击波测试装置，包括密闭腔体、支撑立柱、柔性衬底、柔性覆盖层、四个压力传感器、无线数据记录仪、四根导线、计算机；其中，密闭腔体为圆柱形结构；支撑立柱垂直固定于密闭腔体的外底面中央；柔性衬底为条带状结构；柔性衬底箍设于密闭腔体的外侧面中部，且柔性衬底的两端缝接在一起；柔性覆盖层为条带状结构；柔性覆盖层箍设于柔性衬底的外侧面，且柔性覆盖层的两端均与柔性衬底的外侧面缝接在一起。本发明适用于爆炸冲击波测试及毁伤评估。

Description

一种爆炸环境下表面冲击波测试装置及评估方法
技术领域
本发明涉及爆炸冲击波测试及毁伤评估技术，具体是一种爆炸环境下表面冲击波测试装置及评估方法。
背景技术
在需要评价杀伤能力的爆炸试验(例如毁伤效能评估试验、弹药静爆威力试验等)中，通常采用实验羊作为试验对象，并对试验对象进行爆炸冲击波测试及毁伤评估。当前，爆炸冲击波测试及毁伤评估主要通过如下方法实现：一方面，采用间接测试法进行爆炸冲击波测试，具体做法为：在试验对象附近的地面放置压力传感器，并利用压力传感器测量试验对象附近的爆炸冲击波压力，然后根据测量结果估计出试验对象表面承受的爆炸冲击波压力，由此实现爆炸冲击波测试。另一方面，对试验对象进行大体与病理解剖、脑电、心电、生化检测分析等检查，并根据检查结果得出爆炸冲击波对试验对象的毁伤情况。然后，根据测试结果和毁伤情况进行爆炸冲击波毁伤评估。
上述方法存在的问题是：在进行爆炸冲击波测试时，由于受到冲击波传播路径的复杂特性、试验对象本身对冲击波流场的干扰等因素的影响，压力传感器的测量结果很难准确反映试验对象表面承受的爆炸冲击波压力，由此导致测试结果不准确，从而导致毁伤评估结果不准确。基于此，有必要发明一种爆炸环境下表面冲击波测试装置及评估方法，以解决现有爆炸冲击波测试及毁伤评估方法测试结果及毁伤评估结果不准确的问题。
发明内容
本发明为了解决现有爆炸冲击波测试及毁伤评估方法测试结果及毁伤评估结果不准确的问题，提供了一种爆炸环境下表面冲击波测试装置及评估方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种爆炸环境下表面冲击波测试装置，包括密闭腔体、支撑立柱、柔性衬底、柔性覆盖层、四个压力传感器、无线数据记录仪、四根导线、计算机；
其中，密闭腔体为圆柱形结构；
支撑立柱垂直固定于密闭腔体的外底面中央；
柔性衬底为条带状结构；柔性衬底箍设于密闭腔体的外侧面中部，且柔性衬底的两端缝接在一起；
柔性覆盖层为条带状结构；柔性覆盖层箍设于柔性衬底的外侧面，且柔性覆盖层的两端均与柔性衬底的外侧面缝接在一起；柔性覆盖层的两端之间留有距离；柔性覆盖层开设有四个内外贯通的压力通孔，且四个压力通孔围绕密闭腔体的中心线等距排列；
四个压力传感器均粘贴于柔性衬底的外侧面，且四个压力传感器一一对应地位于四个压力通孔内；
无线数据记录仪固定于柔性衬底的外侧面，且无线数据记录仪位于柔性覆盖层的两端之间；
四根导线均铺设于柔性衬底的外侧面和柔性覆盖层的内侧面之间；四根导线的首端与四个压力传感器一一对应地电连接；四根导线的尾端均与无线数据记录仪电连接；
计算机与无线数据记录仪无线连接。
密闭腔体采用钢制成，其外径为30～40cm、高度为70～80cm，壁厚为3～5mm。
柔性衬底、柔性覆盖层均采用皮革制成；柔性衬底的两端通过拉链缝接在一起。
四个压力传感器均采用压阻式贴片压力传感器或压电式贴片压力传感器；四个压力传感器均通过RTV胶粘贴于柔性衬底的外侧面；四个压力传感器的敏感面均与柔性覆盖层的外侧面齐平。
计算机通过WiFi信道或ZigBee信道或LoRa信道与无线数据记录仪无线连接。
一种爆炸环境下表面冲击波评估方法(该方法是基于本发明所述的一种爆炸环境下表面冲击波测试装置实现的)，该方法是采用如下步骤实现的：
首先，通过支撑立柱将本装置固定于试验现场；
当进行需要评价杀伤能力的爆炸试验时，爆炸冲击波作用于密闭腔体、柔性覆盖层、四个压力传感器；四个压力传感器实时测量密闭腔体外侧面承受的爆炸冲击波压力，并通过对应的导线将测量结果发送至无线数据记录仪，由此实现爆炸冲击波测试；
无线数据记录仪依次对测量结果进行放大、模数转换、存储、贝塞尔滤波，并根据测量结果计算出腔体位移xi(t)和腔体速度vi(t)，然后根据腔体速度vi(t)计算出速度预测因子V，而后对速度预测因子V进行存储；
当无线数据记录仪接收到来自计算机的指令时，无线数据记录仪将速度预测因子V无线发送至计算机；计算机根据速度预测因子V计算出损伤程度指数DI，并根据损伤程度指数DI查询毁伤评估表，由此得出损伤程度，从而实现爆炸冲击波毁伤评估；
腔体位移xi(t)、腔体速度vi(t)、速度预测因子V、损伤程度指数DI的计算公式如下：
Figure BDA0002910355310000031
Figure BDA0002910355310000032
Figure BDA0002910355310000041
Figure BDA0002910355310000042
DI＝(0.124+0.117V)2.63 (5)；
式中：M表示有效质量，M＝2.03kg；J表示模型阻尼系数，J＝696Ns/m；K表示模型弹性系数，K＝989N/m；A表示受力面积，A＝0.082m2；i＝1，2，3，4；pi(t)表示第i个压力传感器的测量结果；pi，lung(t)表示肺部压力；p0表示环境压力；G0表示初始肺气量，G0＝0.00182m3；g表示肺内气体指数，g＝1.2；
毁伤评估表如下：
损伤程度 DI
无损伤 0≤DI≤0.2
微小 0.2＜DI≤0.3
轻微 0.3＜DI≤1.0
中度 1.0＜DI≤1.9
严重 1.9＜DI≤3.6
＞50％致死率 DI＞3.6
。
所述无线数据记录仪包括INA821型仪表放大器、AD7482型模数转换器、两个MT48LC8M型存储器、AT24C02型存储器、2.4G无线传输模块、XC6SLX9型FPGA；
四根导线的尾端均与INA821型仪表放大器电连接；INA821型仪表放大器与AD7482型模数转换器电连接；AD7482型模数转换器与第一个MT48LC8M型存储器电连接；计算机与2.4G无线传输模块无线连接；XC6SLX9型FPGA分别与INA821型仪表放大器、AD7482型模数转换器、两个MT48LC8M型存储器、AT24C02型存储器、2.4G无线传输模块电连接；
INA821型仪表放大器负责对测量结果进行放大；
AD7482型模数转换器负责对测量结果进行模数转换；
第一个MT48LC8M型存储器负责对测量结果进行存储；
第二个MT48LC8M型存储器负责数据缓存；
AT24C02型存储器负责对速度预测因子V进行存储；
2.4G无线传输模块一方面负责接收来自计算机的指令，另一方面负责将速度预测因子V无线发送至计算机；
XC6SLX9型FPGA一方面负责对测量结果进行贝塞尔滤波，另一方面负责计算腔体位移xi(t)、腔体速度vi(t)、速度预测因子V，第三方面负责对INA821型仪表放大器、AD7482型模数转换器、两个MT48LC8M型存储器、AT24C02型存储器、2.4G无线传输模块进行功能控制。
与现有爆炸冲击波测试及毁伤评估方法相比，本发明所述的一种爆炸环境下表面冲击波测试装置及评估方法具备了如下优点：在需要评价杀伤能力的爆炸试验中，无需采用实验羊作为试验对象，而只需将本发明中的密闭腔体作为试验对象(密闭腔体用于模拟人体或动物的胸腔)，并利用四个压力传感器直接测量试验对象表面承受的爆炸冲击波压力，然后利用全新的算法得出损伤程度，即可实现爆炸冲击波测试及毁伤评估，由此彻底避免了冲击波传播路径的复杂特性、试验对象本身对冲击波流场的干扰等因素对测试结果的影响，从而使得测试结果更准确，进而使得毁伤评估结果更准确。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有爆炸冲击波测试及毁伤评估方法测试结果及毁伤评估结果不准确的问题，适用于爆炸冲击波测试及毁伤评估。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中无线数据记录仪的结构示意图。
图中：1-密闭腔体，2-支撑立柱，3-柔性衬底，4-柔性覆盖层，5-压力传感器，6-无线数据记录仪，7-导线，8-压力通孔。
具体实施方式
一种爆炸环境下表面冲击波测试装置，包括密闭腔体1、支撑立柱2、柔性衬底3、柔性覆盖层4、四个压力传感器5、无线数据记录仪6、四根导线7、计算机；
其中，密闭腔体1为圆柱形结构；
支撑立柱2垂直固定于密闭腔体1的外底面中央；
柔性衬底3为条带状结构；柔性衬底3箍设于密闭腔体1的外侧面中部，且柔性衬底3的两端缝接在一起；
柔性覆盖层4为条带状结构；柔性覆盖层4箍设于柔性衬底3的外侧面，且柔性覆盖层4的两端均与柔性衬底3的外侧面缝接在一起；柔性覆盖层4的两端之间留有距离；柔性覆盖层4开设有四个内外贯通的压力通孔8，且四个压力通孔8围绕密闭腔体1的中心线等距排列；
四个压力传感器5均粘贴于柔性衬底3的外侧面，且四个压力传感器5一一对应地位于四个压力通孔8内；
无线数据记录仪6固定于柔性衬底3的外侧面，且无线数据记录仪6位于柔性覆盖层4的两端之间；
四根导线7均铺设于柔性衬底3的外侧面和柔性覆盖层4的内侧面之间；四根导线7的首端与四个压力传感器5一一对应地电连接；四根导线7的尾端均与无线数据记录仪6电连接；
计算机与无线数据记录仪6无线连接。
密闭腔体1采用钢制成，其外径为30～40cm、高度为70～80cm，壁厚为3～5mm。
柔性衬底3、柔性覆盖层4均采用皮革制成；柔性衬底3的两端通过拉链缝接在一起。
四个压力传感器5均采用压阻式贴片压力传感器或压电式贴片压力传感器；四个压力传感器5均通过RTV胶粘贴于柔性衬底3的外侧面；四个压力传感器5的敏感面均与柔性覆盖层4的外侧面齐平。
计算机通过WiFi信道或ZigBee信道或LoRa信道与无线数据记录仪6无线连接。
一种爆炸环境下表面冲击波评估方法(该方法是基于本发明所述的一种爆炸环境下表面冲击波测试装置实现的)，该方法是采用如下步骤实现的：
首先，通过支撑立柱2将本装置固定于试验现场；
当进行需要评价杀伤能力的爆炸试验时，爆炸冲击波作用于密闭腔体1、柔性覆盖层4、四个压力传感器5；四个压力传感器5实时测量密闭腔体1外侧面承受的爆炸冲击波压力，并通过对应的导线7将测量结果发送至无线数据记录仪6，由此实现爆炸冲击波测试；
无线数据记录仪6依次对测量结果进行放大、模数转换、存储、贝塞尔滤波，并根据测量结果计算出腔体位移xi(t)和腔体速度vi(t)，然后根据腔体速度vi(t)计算出速度预测因子V，而后对速度预测因子V进行存储；
当无线数据记录仪6接收到来自计算机的指令时，无线数据记录仪6将速度预测因子V无线发送至计算机；计算机根据速度预测因子V计算出损伤程度指数DI，并根据损伤程度指数DI查询毁伤评估表，由此得出损伤程度，从而实现爆炸冲击波毁伤评估；
腔体位移xi(t)、腔体速度vi(t)、速度预测因子V、损伤程度指数DI的计算公式如下：
Figure BDA0002910355310000081
Figure BDA0002910355310000082
Figure BDA0002910355310000083
Figure BDA0002910355310000084
DI＝(0.124+0.117V)2.63 (5)：
式中：M表示有效质量，M＝2.03kg；J表示模型阻尼系数，J＝696Ns/m；K表示模型弹性系数，K＝989N/m；A表示受力面积，A＝0.082m2；i＝1，2，3，4；pi(t)表示第i个压力传感器5的测量结果；pi，lung(t)表示肺部压力；p0表示环境压力；G0表示初始肺气量，G0＝0.00182m3；g表示肺内气体指数，g＝1.2；
毁伤评估表如下：
损伤程度 DI
无损伤 0≤DI≤0.2
微小 0.2＜DI≤0.3
轻微 0.3＜DI≤1.0
中度 1.0＜DI≤1.9
严重 1.9＜DI≤3.6
＞50％致死率 DI＞3.6
。
所述无线数据记录仪6包括INA821型仪表放大器、AD7482型模数转换器、两个MT48LC8M型存储器、AT24C02型存储器、2.4G无线传输模块、XC6SLX9型FPGA；
四根导线7的尾端均与INA821型仪表放大器电连接；INA821型仪表放大器与AD7482型模数转换器电连接；AD7482型模数转换器与第一个MT48LC8M型存储器电连接；计算机与2.4G无线传输模块无线连接；XC6SLX9型FPGA分别与INA821型仪表放大器、AD7482型模数转换器、两个MT48LC8M型存储器、AT24C02型存储器、2.4G无线传输模块电连接；
INA821型仪表放大器负责对测量结果进行放大；
AD7482型模数转换器负责对测量结果进行模数转换；
第一个MT48LC8M型存储器负责对测量结果进行存储；
第二个MT48LC8M型存储器负责数据缓存；
AT24C02型存储器负责对速度预测因子V进行存储；
2.4G无线传输模块一方面负责接收来自计算机的指令，另一方面负责将速度预测因子V无线发送至计算机；
XC6SLX9型FPGA一方面负责对测量结果进行贝塞尔滤波，另一方面负责计算腔体位移xi(t)、腔体速度vi(t)、速度预测因子V，第三方面负责对INA821型仪表放大器、AD7482型模数转换器、两个MT48LC8M型存储器、AT24C02型存储器、2.4G无线传输模块进行功能控制。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种爆炸环境下表面冲击波评估方法，其特征在于：该方法是基于一种爆炸环境下表面冲击波测试装置实现的，该装置包括密闭腔体(1)、支撑立柱(2)、柔性衬底(3)、柔性覆盖层(4)、四个压力传感器(5)、无线数据记录仪(6)、四根导线(7)、计算机；
其中，密闭腔体(1)为圆柱形结构；
支撑立柱(2)垂直固定于密闭腔体(1)的外底面中央；
柔性衬底(3)为条带状结构；柔性衬底(3)箍设于密闭腔体(1)的外侧面中部，且柔性衬底(3)的两端缝接在一起；
柔性覆盖层(4)为条带状结构；柔性覆盖层(4)箍设于柔性衬底(3)的外侧面，且柔性覆盖层(4)的两端均与柔性衬底(3)的外侧面缝接在一起；柔性覆盖层(4)的两端之间留有距离；柔性覆盖层(4)开设有四个内外贯通的压力通孔(8)，且四个压力通孔(8)围绕密闭腔体(1)的中心线等距排列；
四个压力传感器(5)均粘贴于柔性衬底(3)的外侧面，且四个压力传感器(5)一一对应地位于四个压力通孔(8)内；
无线数据记录仪(6)固定于柔性衬底(3)的外侧面，且无线数据记录仪(6)位于柔性覆盖层(4)的两端之间；
四根导线(7)均铺设于柔性衬底(3)的外侧面和柔性覆盖层(4)的内侧面之间；四根导线(7)的首端与四个压力传感器(5)一一对应地电连接；四根导线(7)的尾端均与无线数据记录仪(6)电连接；
计算机与无线数据记录仪(6)无线连接；
该方法是采用如下步骤实现的：
首先，通过支撑立柱(2)将本装置固定于试验现场；
当进行需要评价杀伤能力的爆炸试验时，爆炸冲击波作用于密闭腔体(1)、柔性覆盖层(4)、四个压力传感器(5)；四个压力传感器(5)实时测量密闭腔体(1)外侧面承受的爆炸冲击波压力，并通过对应的导线(7)将测量结果发送至无线数据记录仪(6)，由此实现爆炸冲击波测试；
无线数据记录仪(6)依次对测量结果进行放大、模数转换、存储、贝塞尔滤波，并根据测量结果计算出腔体位移xi(t)和腔体速度vi(t)，然后根据腔体速度vi(t)计算出速度预测因子V，而后对速度预测因子V进行存储；
当无线数据记录仪(6)接收到来自计算机的指令时，无线数据记录仪(6)将速度预测因子V无线发送至计算机；计算机根据速度预测因子V计算出损伤程度指数DI，并根据损伤程度指数DI查询毁伤评估表，由此得出损伤程度，从而实现爆炸冲击波毁伤评估；
腔体位移xi(t)、腔体速度vi(t)、速度预测因子V、损伤程度指数DI的计算公式如下：
Figure FDA0003612529940000021
Figure FDA0003612529940000022
Figure FDA0003612529940000023
Figure FDA0003612529940000024
DI＝(0.124+0.117V)2.63 (5)；
式中：M表示有效质量，M＝2.03kg；J表示模型阻尼系数，J＝696Ns/m；K表示模型弹性系数，K＝989N/m；A表示受力面积，A＝0.082m2；i＝1，2，3，4；pi(t)表示第i个压力传感器(5)的测量结果；pi，lung(t)表示肺部压力；p0表示环境压力；G0表示初始肺气量，G0＝0.00182m3；g表示肺内气体指数，g＝1.2；
毁伤评估表如下：
损伤程度 DI 无损伤 0≤DI≤0.2 微小 0.2＜DI≤0.3 轻微 0.3＜DI≤1.0 中度 1.0＜DI≤1.9 严重 1.9＜DI≤3.6 ＞50％致死率 DI＞3.6
。
2.根据权利要求1所述的一种爆炸环境下表面冲击波评估方法，其特征在于：所述无线数据记录仪(6)包括INA821型仪表放大器、AD7482型模数转换器、两个MT48LC8M型存储器、AT24C02型存储器、2.4G无线传输模块、XC6SLX9型FPGA；
四根导线(7)的尾端均与INA821型仪表放大器电连接；INA821型仪表放大器与AD7482型模数转换器电连接；AD7482型模数转换器与第一个MT48LC8M型存储器电连接；计算机与2.4G无线传输模块无线连接；XC6SLX9型FPGA分别与INA821型仪表放大器、AD7482型模数转换器、两个MT48LC8M型存储器、AT24C02型存储器、2.4G无线传输模块电连接；
INA821型仪表放大器负责对测量结果进行放大；
AD7482型模数转换器负责对测量结果进行模数转换；
第一个MT48LC8M型存储器负责对测量结果进行存储；
第二个MT48LC8M型存储器负责数据缓存；
AT24C02型存储器负责对速度预测因子V进行存储；
2.4G无线传输模块一方面负责接收来自计算机的指令，另一方面负责将速度预测因子V无线发送至计算机；
XC6SLX9型FPGA一方面负责对测量结果进行贝塞尔滤波，另一方面负责计算腔体位移xi(t)、腔体速度vi(t)、速度预测因子V，第三方面负责对INA821型仪表放大器、AD7482型模数转换器、两个MT48LC8M型存储器、AT24C02型存储器、2.4G无线传输模块进行功能控制。
3.根据权利要求1所述的一种爆炸环境下表面冲击波评估方法，其特征在于：密闭腔体(1)采用钢制成，其外径为30～40cm、高度为70～80cm，壁厚为3～5mm。
4.根据权利要求1所述的一种爆炸环境下表面冲击波评估方法，其特征在于：柔性衬底(3)、柔性覆盖层(4)均采用皮革制成；柔性衬底(3)的两端通过拉链缝接在一起。
5.根据权利要求1所述的一种爆炸环境下表面冲击波评估方法，其特征在于：四个压力传感器(5)均采用压阻式贴片压力传感器或压电式贴片压力传感器；四个压力传感器(5)均通过RTV胶粘贴于柔性衬底(3)的外侧面；四个压力传感器(5)的敏感面均与柔性覆盖层(4)的外侧面齐平。
6.根据权利要求1所述的一种爆炸环境下表面冲击波评估方法，其特征在于：计算机通过WiFi信道或ZigBee信道或LoRa信道与无线数据记录仪(6)无线连接。
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