CN114199147B

CN114199147B - 一种测量装置、炮管内膛内径及同轴度测量方法

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Publication number: CN114199147B
Application number: CN202111514960.6A
Authority: CN
Inventors: 陈龙; 马鹤立; 康强; 唐隆煌; 陶天炯; 李成军; 刘盛刚; 贾兴; 吴建; 王翔; 翁继东
Original assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Current assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2041-12-10
Also published as: CN114199147A

Abstract

本发明公开了一种测量装置，属于炮管技术领域，所述装置包括测量基体，所述测量基体为圆筒结构，所述测量基体的内表面、且于测量基体的同一横截面上沿周向方向均设多个安装槽，各安装槽内安装有一转折式光纤探头，所述转折式光纤探头包括光纤、反射棱镜、套管以及尾纤，所述套管用于套设光纤和反射棱镜，所述光纤沿测量基体轴向方向放置，所述反射棱镜的转折反射面与光纤呈45°放置，所述套管设有一出光孔；各反射棱镜位于测量基体的同一横截面上，每个转折式光纤探头的尾纤经安装槽从测量基体内部穿出，再从测量基体一端引出。本发明适合测量小口径、长身管型炮管内膛内径和同轴度的测量，具有测量精度高、操作简便的优点。

Description

一种测量装置、炮管内膛内径及同轴度测量方法

技术领域

本发明属于炮管技术领域，具体涉及一种测量装置、炮管内膛内径及同轴度测量方法。

背景技术

在炮弹发射至出膛瞬间，诸如火炮的长身管内膛会处在一个高温、高压、高速火药气体的综合环境下，其受力十分复杂，会造成内膛表面光洁度及结构尺寸的逐步变形，致使其弹道性能发生变化，降低射击精度直至寿命终止。因此，火炮在综合性能试验时，必须对其身管的状况择机进行检测。检测的目的是：检查身管各部尺寸是否符合图纸资料要求；检查身管内膛表面的加工质量及材质上的缺陷是否符合技术资料要求；检测射击试验后内膛表面的烧蚀疵病和表面磨损情况，分析膛内烧蚀和磨损变化规律，为评定身管质量及身管寿命提供可靠依据；检测经过射击后各参数的变化情况，为分析射击精度、预测火炮初速变化量及射表编拟等提供科学依据。而这些检测的依据主要是内膛的内径和同轴度。

对于内径尺寸的测量，国内目前测量的方法多以接触式测量为主。但接触式测量由于测量工具磨损、人为因素等原因造成测量误差较大，不能满足快速、精确的内径尺寸检测要求。

对于同轴度测量，除了传统的拉钢丝法、上假轴法、综合量规法、气动塞规法等，现阶段常用的方法是三坐标测量机法。传统的同轴度测量方法中，拉钢丝法存在着精度低、人为主观因素影响大的缺陷；综合量规法存在测量范围小、量规易损坏的缺陷；三坐标测量机法测量精度高，但由于设备本身体积大、对测量环境要求高，操作难度大。此外，现有测量装置存在以下缺点：1.需要定心机构；2.外形尺寸不能做太小；3.只能同时测一个目标截面的内径；4.不能测内膛的同轴度。最重要的是，此类技术均不适合长身管的测量。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种测量装置、炮管内膛内径及同轴度测量方法。本发明适合测量小口径、长身管型炮管内膛内径和同轴度的测量，具有测量精度高、操作简便的优点。具体方案如下：

一种测量装置，所述装置包括测量基体，所述测量基体为圆筒结构，所述测量基体的内表面、且于测量基体的同一横截面上沿周向方向均设多个安装槽，各安装槽内安装有一转折式光纤探头，所述转折式光纤探头包括光纤、反射棱镜、套管以及尾纤，所述套管用于套设光纤和反射棱镜，所述光纤沿测量基体轴向方向放置，所述反射棱镜的转折反射面与光纤呈45°放置，以使光束经各转折式光纤探头沿垂直于测量基体表面方向出射，所述套管设有一出光孔，出光孔用于引出光束；各反射棱镜位于测量基体的同一横截面上，以使转折式光纤探头出光方向共面，每相邻两个转折式光纤探头的出射光束彼此相互垂直，每个转折式光纤探头的尾纤经安装槽的引出孔从测量基体内部穿出，再从测量基体一端引出。

进一步，所述安装槽为长条型结构。

进一步，所述安装槽为4个。

进一步，所述套管为一圆筒，其外径为0.6mm。

进一步，所述安装槽沿轴向方向排布N圈，各安装槽内均装有转折式光纤探头。

本发明还提供一种测量装置，所述装置由多个转折式光纤探头合束组成，每相邻两个转折式光纤探头之间相切排布，每相邻两个转折式光纤探头的出射光束彼此相互垂直；所述转折式光纤探头包括光纤、反射棱镜、套管以及尾纤，所述套管用于套设光纤和反射棱镜，各所述光纤沿光纤长度方向放置，所述反射棱镜的转折反射面与光纤呈45°放置，以使光束经各反射棱镜沿垂直于光纤长度方向出射，所述套管设有一出光。

进一步，所述装置还包括用于套设多个转折式光纤探头的保护筒。

进一步，所述套管为一圆筒，其外径为0.6mm

一种基前述测量装置的炮管内膛内径测量方法，该炮管内膛内径测量方法包括如下步骤：

S1、对转折式光纤探头进行标定，具体为：用已知高度为H的标定面，分别标定出四个转折式光纤探头端面到转折反射面的距离L_i0，

L_i＝L_i0+H，(i＝1，2，3，4)，

其中L_i代表标定时第i个探头的测量距离(即光纤出光端面沿光路到标定面的光路总长度)；H为标定面的高度；i＝1，2，3，4；

S2、将四个转折式光纤探头安装在测量基体的安装槽内，且满足每相邻两个转折式探头的出射光方向互相垂直、且共面；

S3、将测量装置放于待测炮管内膛，此时四个光纤探头同时测量光纤端面与待测炮管的待测面之间的探测距离，其中第i个光纤探头的探测距离为，根据以下公式计算出第i个光纤探头所测得待测炮管的待测面与基准面之间的距离h_i：

h_i＝L_i′-L_i+H，其中，i＝1，2，3，4

其中，h_i为待测面与安装槽底面之间的距离，L_i′代表测量时第i个探头的测量距离，L_i代表标定时第i个探头的测量距离，H为标定面的高度；

S4、计算炮管的内径R：

其中，i＝1，2，3，4

本发明还提供一种基于前述测量装置的炮管内膛同轴度测量方法，该方法包括如下步骤：采用基于权利要求8所述的炮管内膛内径测量方法测量炮管内膛N圈安装槽处的截面圆的内径；判断各截面圆的圆心是否位于同一直线上，若是，判定炮管内膛同轴。

进一步，所述截面圆包括炮管焊缝附近截面圆，N大于等于4。

附图说明

图1本发明一实施例中测量装置示意图；

图2(a)为图1所示本发明测量装置A-A处的横截面示意图；

图2(b)为图2(a)所示横截面B-B处的局部放大图；

图3本发明转折式光纤探头测量原理图；

图4非定心式测量内径原理图；

图5内径测量过程示意图；

图6本发明另一实施例中测量装置示意图；

图7为本发明又一实施例中测量装置示意图；

图中，1.转折式光纤探头 2.测量基体 101.光纤 102.反射棱镜 103.套管 104.尾纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

在一实施例中，如图1所示，本发明测量装置包括测量基体2，所述测量基体2的内表面、且于测量基体的同一横截面上沿周向方向均设多个长条型安装槽，所述安装槽内安装转折式光纤探头1，所述转折式光纤探头1包括光纤101、反射棱镜102、套管103以及尾纤104，所述套管103用于套设光纤101和反射棱镜102，所述光纤101沿测量基体轴向方向放置，所述反射棱镜102的转折反射面与光纤101呈45°放置，以使光束经各转折式光纤探头沿垂直于测量基体表面方向(即沿径向方向)出射，所述套管103设有一出光孔，出光孔用于引出光束；各反射棱镜102位于测量基体的同一横截面上，以使转折式光纤探头出光方向共面，每相邻两个转折式光纤探头的出射光束彼此相互垂直，每个转折式光纤探头的尾纤104经安装槽201的引出孔从测量基体内部穿出，再从测量基体一端引出。

激光通过反射棱镜可实现90度转折出射，该光纤探头基于光学频域测距技术，即测量光纤出光端面到待测面的光路总长度。

进一步，所述安装槽为长条型结构。

进一步，所述安装槽为4个。

进一步，所述套管103为一圆筒，其外径为0.6mm。

在另一实施例中，本发明还提供一种可用于测量炮管同轴度的测量装置。当本发明测量装置用于测量炮管同轴度时，该测量装置沿测量基体轴向方向排布N圈的安装槽，各安装槽内均装有转折式光纤探头1，此时测量装置共有4*N个转折式光纤探头，每个光纤探头的尾纤104从安装槽内的出纤孔穿入测量装置内，再从测量装置一端引出即可(如图6所示)。N的选取取决于实际测量需求及测量精度，通常，N大于等于2。优选地，N大于等于4。

又一实施例中，本发明还提供一种可用于测量炮管类管状物内径的紧凑式测量装置，该装置由多个转折式光纤探头1合束组成，每相邻两个转折式光纤探头之间相切排布，每相邻两个转折式光纤探头的出射光束彼此相互垂直(如图7所示)；所述转折式光纤探头1包括光纤101、反射棱镜102、套管103以及尾纤104，所述套管103用于套设光纤101和反射棱镜102，各所述光纤101沿光纤长度方向放置，所述反射棱镜102的转折反射面与光纤101呈45°放置，以使光束经各反射棱镜102沿垂直于光纤长度方向出射，所述套管103设有一出光孔，出光孔用于引出光束；各转折式光纤探头出光方向共面。

对于该类型的测量装置，由于各转折式光纤探头之间彼此相切排布且出射光彼此相互垂直，即不需要测量基体来安装转折式光纤探头，该测量装置的外形尺寸可缩小至

(d为套管外径)，即可形成为紧凑式测量装置。转折式光纤探头一般外径为1.5mm，若彼此相切排布如图7所示，则外形尺寸为/>

进一步，所述装置还包括用于套设多个转折式光纤探头1的保护筒，以起到防尘等防护作用。

进一步，所述套管103为一圆筒，其外径为0.6mm。此时，该测量装置的尺寸可缩小至1.7mm。

本实施例测量装置结构简单，可测量内径1.7mm以上至任意大小的长身管的内径和同轴度。由于该测量装置采用光学非接触式测量，效率高，损耗小，有很宽的应用范围。

在一实施例中，本发明还提供一种基于前述测量装置的炮管内膛内径测量方法，本发明炮管内径测量方法包括如下步骤：

S1、对转折式光纤探头进行标定：

具体为，用已知高度的标定面H，分别标定出四个转折式光纤探头的转折距离L_i0(i＝1，2，3，4)，即

L_i0＝L_i-H，(i＝1，2，3，4)，其中L_i代表标定时第i个探头的测量距离，H为标定面的高度，原理如图3所示。

即得：L_i＝L_i0+H，(i＝1，2，3，4)，

其中L_i代表标定时第i个探头的测量距离(即光纤出光端面沿光路到标定面的光路总长度)，H为标定面的高度；

S2、将四个转折式光纤探头安装在测量装置的条形安装槽内，满足彼此出射光方向互相垂直的条件，如图5为测量装置的横截面示意图，已知测量装置横截面上直径两端的条形槽槽底之间距离为2d；

S3、将测量装置放于炮管内膛，此时四个光纤探头同时测量的光纤端面与待测面之间的距离，其中第i个光纤探头的探测距离为L_i′(i＝1，2，3，4)根据前述的公式可得出以下用于计算第i个光纤探头所测得待测面与基准面(即安装槽底面)之间的距离h_i(i＝1，2，3，4)的公式：

h_i＝L_i′-L_i+H，(i＝1，2，3，4)

其中，h为待测面与条形槽槽底之间的距离，图中表示，h₁为AA’，h₂为BB’，h₃为CC’，h₄为DD’，H代表标定时标定面的高度。

S4、计算炮管的内径R为

其中，AE＝h₁+d，BE＝h₂+d，CE＝h₃+d，DE＝h₄+d

则

下面针对本发明转折式光纤探头测量方法做进一步解释。如图3所示，由于采用的是光学频域测距技术，即得到的是光纤出光端面到待测面的光路总长度，与以往直射式光纤探头直接得到的测量距离不同，转折式光纤探头测量时多了一段转折距离的信息。若要测得待测面与基准面之间的距离h，需要通过如下方法将此多的转折距离信息标定出来。

如图3所示，L_i0为第i个转折式光纤探头的待标定的转折距离，标定L_i0时，利用已知高度的标定面(即H)，此时第i个转折式光纤探头的测量距离为L_i，则多的转折距离为L_i0＝L_i-H。在实际测量中，即测量待测面与基准面之间的距离h_i，此时第i个转折式光纤探头的测量距离为L_i′，那么待测距离h＝L_i’-(L_i-H)。利用该转折式光纤探头，就可以测量狭小空间的距离(理论上待测空间距离大于探头外径尺寸即可)，且方便安装、保护。

推导过程如下：

标定时的测量值为L_i，减去已知高度的标定面H来标定出L_i0，即

L_i0＝L_i-H

那么实际测量时的未知距离h_i，则为实际测量值L_i′减去L_i0，即

h_i＝L_i′-L_i0＝L_i′-(L_i-H)＝L_i′-L_i+H；

由勾股定理和垂径定理可知，若要计算未知圆的内径，通过圆内互相垂直的线段就可得到，即

如图4所示，其中AE，BE，CE和DE为圆内互相垂直的线段长度，R为圆的内径。

该非定心式测量内径的测量原理不需要确定圆心(即非定心)，这样测量装置就可以在内膛里任意摆放，无须定心机构，大大简化了结构。

在另一实施例中，本发明基于前述测量装置的炮管内膛同轴度测量方法包括如下步骤：采用基于前述炮管内膛内径测量方法测量炮管内膛N圈安装槽处的截面圆的内径；判断各截面圆的圆心是否位于同一直线上，若是，判定炮管内膛同轴。

所述截面圆包括炮管焊缝附近截面圆，各截面之间的间隔由测量装置圈与圈之间的距离决定。N大于等于4。

Claims

1.一种测量装置，其特征在于，所述装置包括测量基体(2)，所述测量基体(2)为圆筒结构，所述测量基体(2)的内表面、且于测量基体的同一横截面上沿周向方向均设多个安装槽(201)，各安装槽内安装有一转折式光纤探头(1)，所述转折式光纤探头(1)包括光纤(101)、反射棱镜(102)、套管(103)以及尾纤(104)，所述套管(103)用于套设光纤(101)和反射棱镜(102)，所述光纤(101)沿测量基体轴向方向放置，所述反射棱镜(102)的转折反射面与光纤(101)呈45°放置，所述套管(103)设有一出光孔；各反射棱镜(102)位于测量基体的同一横截面上，以使转折式光纤探头出光方向共面，每相邻两个转折式光纤探头的出射光束彼此相互垂直；每个转折式光纤探头的尾纤(104)经安装槽(201)从测量基体内部穿出，再从测量基体一端引出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述安装槽为长条型结构。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述安装槽为4个，所述套管(103)为一圆筒，其外径为0.6mm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述安装槽沿轴向方向排布N圈，各安装槽内均装有转折式光纤探头(1)。

5.一种测量装置，其特征在于，所述装置由多个转折式光纤探头(1)合束组成，每相邻两个转折式光纤探头之间相切排布，每相邻两个转折式光纤探头的出射光束彼此相互垂直；所述转折式光纤探头(1)包括光纤(101)、反射棱镜(102)、套管(103)以及尾纤(104)，所述套管(103)用于套设光纤(101)和反射棱镜(102)，各所述光纤(101)沿光纤长度方向放置，所述反射棱镜(102)的转折反射面与光纤(101)呈45°放置，以使光束经各反射棱镜(102)沿垂直于光纤长度方向出射，所述套管(103)设有一出光。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于套设多个转折式光纤探头(1)的保护筒。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述套管(103)为一圆筒，其外径为0.6mm。

8.一种基于权利要求1-7任意一项所述的测量装置的炮管内膛内径测量方法，该炮管内膛内径测量方法包括如下步骤：

S1、对转折式光纤探头进行标定，具体为：用已知高度为H的标定面，分别标定出四个转折式光纤探头端面到转折反射面的距离，

L_i＝L_i0+H，其中，i＝1,2,3,4

其中L_i代表标定时第i个转折式光纤探头的测量距离，即第i个转折式光纤探头的光纤出光端面沿光路到标定面的光路总长度；H为标定面的高度；i＝1,2,3,4；

S3、将测量装置放于待测炮管内膛，此时四个光纤探头同时测量光纤出光端面与待测炮管的待测面之间的光路总长度，其中第i个光纤探头的测量距离为L_i'，根据以下公式计算出第i个光纤探头所测得待测炮管的待测面与基准面之间的距离h_i：

h_i＝L_i'-L_i+H，其中i＝1,2,3,4，

其中，h_i为待测面与安装槽底面之间的距离，L_i'代表测量时第i个探头的测量距离，L_i代表标定时第i个探头的测量距离，H为标定面的高度；

S4、计算炮管的内径R：

其中，i＝1,2,3,4。

9.一种炮管内膛同轴度测量方法，该方法包括如下步骤：采用基于权利要求8所述的炮管内膛内径测量方法测量炮管内膛N圈安装槽处的截面圆的内径；判断各截面圆的圆心是否位于同一直线上，若是，判定炮管内膛同轴。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述截面圆包括炮管焊缝附近截面圆，N大于等于4。