CN115950489B - 轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量系统及测量方法，属于超高速碰撞加载技术领域，其中测量系统包括轻气炮、电磁感应传感器以及信号处理装置；轻气炮包括依次相连的发射机构、泵管、锥段和发射管；泵管内同轴容置含有铁磁性材料的活塞，发射机构通过驱动活塞压缩泵管内气体，使发射管内的弹丸射出；两个以上电磁感应传感器沿泵管轴向按设定距离间隔设置于泵管外侧；信号处理装置与电磁感应传感器信号连接。该测量系统不需要对轻气炮的泵管进行开孔，不降低轻气炮泵管的密闭性和完整性，提高了实验的安全性。

Description

轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于超高速碰撞加载技术领域，具体涉及轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量系统及测量方法。

背景技术

在实验室条件下，轻气炮作为超高速碰撞主要加载实验技术被广泛应用于航天器防护、小行星碰撞、动能武器研制等领域，对测试高应变率下材料的响应力学、化学等特性研究工作具有重要意义。近年来，轻气炮以其弹丸形状、材料、尺寸的灵活适配性、加载及发射速度易调整性等优势成为该领域最为通用的高速、超高速试验加载单元。

尤其在航天器防护领域，由于空间碎片和航天器都处于超高速飞行状态，空间碎片对航天器的碰撞会导致结构的损伤甚至破坏；为研究航天器不同防护方案的实际效果，需要在地面进行模拟实验，常通过爆轰驱动的方式，产生高速加载移动的弹丸，并使弹丸与防护结构进行撞击实验，来模拟防护方案对空间碎片的防护性能。

二/三级轻气炮通过活塞将泵管中的氦气/氢气等驱动气体压缩至高温高压状态，压缩气体破膜后，将弹丸加速到高速状态，可用于航天器防护、高超声速武器以及行星防御等领域的研究。实验测量活塞在泵管中位置、速度与加速度参数对于内弹道理论的完善、新型轻气炮研制等具有非常重要的指导意义。

传统地，使用微波干涉测量技术测量活塞运动，易受到活塞压缩管内驱动气体复杂流动过程以及测量技术缺陷的影响，无法测量得到活塞运行的速度，使用光束遮断法、电探针法和光电传感器法可以测量轻气炮活塞在泵管中的速度，但是这些方法需要对轻气炮的泵管进行开孔，并在活塞运动方向上设置障碍，这降低了轻气炮泵管的密闭性和安全性。近年来，还使用数值模拟法获得轻气炮泵管中活塞的速度，数值模拟法可以在一定的假设条件下计算得到活塞在泵管中的运动参数，但数值模型的准确性是间接验证的，很难确定活塞在泵管内的真实运动状态。

活塞在密闭的泵管中运行，如何在不影响活塞运行，并且不降低轻气炮泵管的密闭性和安全性的前提下，测量活塞在泵管中的位置、速度与加速度是本领域急需解决的技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量系统及测量方法，能够在不影响活塞运行，并且不降低轻气炮泵管的密闭性和安全性的前提下，通过无接触测量，获得活塞在不同时刻的位置、速度与加速度。

本发明采用以下技术方案：

轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量系统，包括轻气炮、电磁感应传感器以及信号处理装置；

所述轻气炮包括依次相连的发射机构、泵管、锥段和发射管；所述泵管内同轴容置含有铁磁性材料的活塞，所述发射机构通过驱动所述活塞压缩所述泵管内气体，使所述发射管内的弹丸射出；

两个以上所述电磁感应传感器沿所述泵管轴向按设定距离间隔设置于所述泵管外侧；

所述信号处理装置与所述电磁感应传感器信号连接；

当所述活塞压缩气体时，所述活塞从所述泵管靠近发射机构的一端运动到靠近锥段的一端，两个以上所述电磁感应传感器依次产生电信号，所述信号处理装置能够记录所述电信号，并根据所述电信号以及所述电磁感应传感器之间的所述设定距离计算所述活塞的位置、速度与加速度。

进一步地，所述泵管由多段炮管沿轴向依次拼接而成，在每两个所述炮管的拼接位置设置一个电磁感应传感器。

进一步地，所述铁磁性材料与所述泵管的内壁不接触。

进一步地，所述活塞包括橡胶制的活塞头部和所述铁磁性材料制的质量块；

所述活塞头部与所述泵管的内壁滑动配合；

所述质量块与所述活塞头部靠近所述发射机构的一端固接。

进一步地，所述活塞还包括橡胶制的活塞尾部；

所述活塞尾部与所述泵管的内壁滑动配合；

所述质量块夹设于所述活塞头部与所述活塞尾部之间。

进一步地，所述质量块为圆柱状，且直径小于所述泵管的内径。

进一步地，所述电磁感应传感器包括漆包线和环形磁铁；

所述漆包线绕制成圆环状，并固接于所述环形磁铁的内壁或外壁，且所述漆包线与所述信号处理装置信号连接；

所述环形磁铁的两个端面分别为N极与S极，且所述环形磁铁套设于所述泵管的外周侧。

测量方法基于上述的轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量系统，包括以下步骤：

步骤一：所述发射机构驱动所述活塞从所述泵管靠近发射机构的一端运动到靠近锥段的一端，以压缩所述泵管内的气体；

步骤二：通过所述信号处理装置记录各个所述电磁感应传感器产生电信号的开始时刻和消失时刻；

步骤三：所述信号处理装置根据各个所述电磁感应传感器之间的所述设定距离以及各个所述电磁感应传感器产生电信号的开始时刻和消失时刻，计算所述活塞的位置、速度与加速度。

进一步地，计算所述活塞的速度的具体方式为：

设相邻的两个所述电磁感应传感器之间的所述设定距离为d，所述活塞最先通过的所述电磁感应传感器为第一电磁感应传感器，所述活塞随后进入的所述电磁感应传感器为第二电磁感应传感器，所述活塞通过所述第一电磁感应传感器的磁场范围产生电信号开始时刻为t₀，消失时刻为t₁，所述活塞通过所述第二电磁感应传感器的磁场范围产生电信号开始时刻为t₂，消失时刻为t₃，所述电磁感应传感器初始产生电信号时刻t₀所述质量块距离所述第一电磁感应传感器的距离为；

所述第一电磁感应传感器和所述第二电磁感应传感器产生电信号的时间差T按下式计算：

；

所述活塞在所述第一电磁感应传感器磁场范围内的速度V₀按下式计算：

所述活塞在所述第一电磁感应传感器和所述第二电磁感应传感器之间的速度V₁按下式计算：

V₁=d/T

所述活塞在所述第二电磁感应传感器磁场范围内的速度V₂按下式计算：

当，所述活塞通过所述第一电磁感应传感器的速度取V₀，

当,所述活塞通过所述第一电磁感应传感器的速度取/>，

当，所述活塞通过所述第一电磁感应传感器的速度取V₁，

当,所述活塞通过所述第一电磁感应传感器的速度取/>；

信号处理装置根据活塞通过各电磁感应传感器的速度作出速度时程曲线，获得活塞在任意时刻的速度。

进一步地，计算所述活塞的位置的具体步骤包括：

101：所述信号处理装置根据所述活塞通过各电磁感应传感器的速度作出速度时程曲线；

102：所述信号处理装置根据所述速度时程曲线积分计算所述活塞在任意时刻的位置；

计算所述活塞的加速的具体步骤包括：

步骤A：所述信号处理装置按下式计算所述活塞通过相邻电磁感应传感器之间的加速度：

步骤B：所述信号处理装置根据所述活塞通过各相邻电磁感应传感器的加速度作出加速度时程曲线；

步骤C：所述信号处理装置根据所述加速度时程曲线计算所述活塞在任意时刻的加速度。

有益效果：

1、泵管内同轴容置含有铁磁性材料的活塞，两个以上电磁感应传感器沿泵管轴向按设定距离间隔设置于泵管外侧，信号处理装置与电磁感应传感器信号连接；当活塞压缩气体时，活塞从泵管靠近发射机构的一端运动到靠近锥段的一端，两个以上电磁感应传感器依次产生电信号，信号处理装置能够记录电信号，并根据电信号以及电磁感应传感器之间的所述设定距离计算活塞的位置、速度与加速度。如此，该系统不需要在活塞运动方向上设置障碍，只需要通过泵管外侧的各个电磁感应传感器之间的设定距离以及各个电磁感应传感器产生的电信号便能够计算活塞的位置、速度与加速度，不影响活塞运行，也不需要对轻气炮的泵管进行开孔，不降低轻气炮泵管的密闭性和完整性，提高了实验的安全性。

2、泵管由多段炮管通过螺栓连接拼接而成，每两个炮管在拼接位置形成一个分段连接处，电磁感应传感器设置在分段连接处。分段连接处相对泵管其他位置磁场更强，能够使测量结果更准确。

3、铁磁性材料与泵管的内壁不接触，如此，能够避免铁磁性材料与泵管内壁的摩擦导致泵管磨损的问题。

4、活塞头部与泵管的内壁滑动配合，质量块与活塞头部靠近发射机构的一端固接，如此，能够避免活塞运动到泵管靠近轻气炮锥段时，质量块进入锥段与锥段接触，从而导致损坏锥段的问题。

5、活塞还包括橡胶制的活塞尾部，活塞尾部与泵管的内壁滑动配合，质量块夹设于活塞头部与活塞尾部之间。如此，能够避免发射机构中的爆轰气体直接作用到活塞头部，引起质量块与活塞头部分离，导致质量块与泵管碰撞损坏泵管的问题。

6、铁磁性材料制的质量块为圆柱状的质量块，且直径小于泵管的内径。如此，因为质量块为单独零部件，因此质量块能够在轻气炮对弹体发射后重复利用（轻气炮的活塞是一次性的）。

7、信号处理装置先记录各个电磁感应传感器产生电信号的开始时刻和消失时刻，然后信号处理装置根据各个电磁感应传感器之间的设定距离以及各个电磁感应传感器产生电信号的开始时刻和消失时刻计算活塞的位置、速度与加速度，步骤简单可靠，自动化程度高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于轻气炮活塞的位置与速度测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种活塞的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电磁感应传感器的结构示意图。

其中，1-发射机构，2-泵管，3-电磁感应传感器，4-信号处理装置，5-活塞尾部，6-质量块，7-活塞头部，8-同轴电缆线，9-锥段，10-发射管，11-环形磁铁，12-漆包线。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例一：

如图1~图3所示，轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量系统，包括轻气炮、电磁感应传感器3以及信号处理装置4，其中：

轻气炮包括依次相连的发射机构1、泵管2、锥段9和发射管10，泵管2内能够同轴容置含有铁磁性材料的活塞，且发射机构1能够通过驱动活塞（如通过爆轰炸气体驱动活塞）压缩泵管2内气体，从而使发射管10内的弹丸射出；电磁感应传感器3至少有两个，且沿泵管2轴向按设定距离间隔设置于泵管2外侧；信号处理装置4通过同轴电缆8与电磁感应传感器3信号连接。

当活塞压缩气体时，活塞从泵管2靠近发射机构1的一端运动到靠近锥段9的一端，在这个过程中，因为活塞含有铁磁性材料，所以泵管2外侧的各个电磁感应传感器3能够依次产生电压与电流这些电信号，信号处理装置4能够记录这些电信号（例如，信号处理装置4中可以设置一个示波器），并根据这些电信号以及电磁感应传感器之间的设定距离计算活塞的位置、速度和加速度。

如此，该系统不需要在活塞运动方向上设置障碍，只需要通过泵管2外侧的各个电磁感应传感器3之间的设定距离以及各个电磁感应传感器3产生的电信号便能够计算活塞的位置、速度与加速度，不影响活塞运行，也不需要对轻气炮的泵管2进行开孔，不降低轻气炮泵管2的密闭性和完整性，提高了实验的安全性。具体来说，信号处理装置4可以根据各电磁感应传感器3产生电信号的时刻计算活塞通过各个电磁感应传感器3的速度，然后拟合出活塞的速度时程曲线，从而获得活塞在各时刻的速度，再根据活塞的速度时程曲线通过积分获得活塞在任意时刻的位置。可以理解的是，在获得各电磁感应传感器3产生电信号的时刻以及各电磁感应传感器3之间的设定距离这些数据的基础上，信号处理装置4通过其它的运动学公式也能计算出活塞的位置、速度与加速度。该轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量系统具有结构简单、成本低、测量精确、稳定性好、可重复使用等优点。

在本实施例中，泵管2由多段炮管通过螺栓拼接而成，每两个炮管在拼接位置形成一个分段连接处，在每一个分段连接处设置有一个电磁感应传感器3。分段连接处相对泵管其他位置磁场更强，能够使测量结果更准确。

在本实施例中，使上述铁磁性材料与泵管2的内壁不接触，如此，能够避免铁磁性材料与泵管2内壁的摩擦导致泵管2磨损的问题。具体地，活塞包括橡胶制的（本实施例为高分子聚乙烯）活塞头部7和铁磁性材料制的质量块6，其中，活塞头部7与泵管2的内壁滑动配合，质量块6与活塞头部7靠近发射机构1的一端固接，如此，能够避免活塞运动到泵管2靠近轻气炮锥段9时，质量块6被压入锥段9与锥段9接触（活塞头部7会被压入锥段9），从而导致损坏锥段9的问题。

作为改进，如图2所示，活塞还包括橡胶制的活塞尾部5，活塞尾部5与泵管2的内壁滑动配合，质量块6夹设于活塞头部7与活塞尾部5之间。如此，通过活塞尾部5的设计，能够避免发射机构1中的爆轰气体直接作用到活塞头部7，引起质量块6与活塞头部7分离，导致质量块6与泵管2碰撞损坏泵管2的问题。而且，传统活塞采用橡胶材料，在活塞质量相等的情况下，因为铁磁性材料的密度一般会大于橡胶材料的密度，因此通过铁磁性材料制的质量块6，能够缩短活塞的轴向长度，从而减少活塞与泵管2内壁的摩擦，降低活塞动能损失，提高弹丸发射速度。

在本实施例中，上述质量块6为圆柱状，且直径小于泵管2的内径，以避免与泵管2接触。如此，因为铁磁性材料不是与活塞头部7/活塞尾部5的橡胶材料混杂，因此质量块6能够在轻气炮对弹体发射后重复利用（轻气炮的活塞橡胶部分是一次性的）。

参照图3，电磁感应传感器3包括漆包线12和环形磁铁11，漆包线12绕制成圆环状，并可以固接于环形磁铁11的内壁或外壁，且漆包线12与信号处理装置4信号连接，环形磁铁11的两个端面分别为N极与S极，且环形磁铁11通过支撑在轻气炮基座上的支架套设于泵管2的外周侧。当活塞通过电磁感应传感器3时，会改变电磁传感器3中漆包线12绕成的环形线圈的磁通量，线圈磁通量的改变会引起线圈产生感应电动势和感应电流，信号处理装置4能够记录下对应的电压/电流信号。该电磁感应传感器3测量精确、稳定性好、可重复使用。

可以理解的是，为了使电磁感应传感器3能够依次产生电信号，相邻电磁感应传感器3之间的设定距离应当大于质量块6的轴向长度；而且，也能够理解的是，若将电磁感应传感器3沿发射管10的轴向按设定距离间隔套设在发射管10的外周侧，则可以测量轻气炮发射管10内弹丸的运动速度。

实施例二：

本实施例基于实施一的轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量系统，提供一种轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：通过发射机构1驱动活塞从泵管2靠近发射机构1的一端运动到靠近锥段9的一端，以压缩泵管2内的气体；

步骤二：通过信号处理装置4记录各个电磁感应传感器3产生电信号的开始时刻和消失时刻；

步骤三：信号处理装置4根据各个电磁感应传感器3之间的设定距离以及各个电磁感应传感器3产生电信号的开始时刻和消失时刻，计算活塞的位置、速度与加速度。

例如，设相邻的两个电磁感应传感器3之间的设定距离为d，活塞最先通过的电磁感应传感器为第一电磁感应传感器，活塞通过第一电磁感应传感器的磁场范围产生电信号开始时刻为t₀，消失时刻为t₁，第一电磁感应传感器初始产生电信号时刻t₀质量块6距离第一电磁感应传感器的距离为（默认消失时刻t₁质量块6距离第一电磁感应传感器的距离也为/>），将活塞通过第一电磁感应传感器磁场范围经历时间记为t₁-t₀，将活塞中心通过第一电磁感应传感器的时刻修正为下式：

；

活塞随后进入的电磁感应传感器3为第二电磁感应传感器，活塞通过第二电磁感应传感器的磁场范围产生电信号开始时刻为t₂（默认t₂时刻质量块6距离第二电磁感应传感器的距离为），消失时刻为t₃（默认t₃时刻质量块6距离第二电磁感应传感器的距离为/>），将活塞通过第二电磁感应传感器磁场范围经历时间记为t₃-t₂，将活塞中心通过第二电磁感应传感器的时刻修正为下式：

；

则第一电磁感应传感器及第二电磁感应传感器产生电信号的时间差T如下式所示：

；

则活塞在第一电磁感应传感器磁场范围内的速度V₀按下列公式计算：

则活塞在第一电磁感应传感器及第二电磁感应传感器之间的速度V₁按下列公式计算：

V₁=d/T。

则活塞在第二电磁感应传感器磁场范围内的速度V₂按下列公式计算：

比较V₀、V₁和V₂的大小：

当，则活塞通过第一电磁感应传感器的速度取V₀，

当,则活塞通过第一电磁感应传感器的速度取/>，

当，则活塞通过第一电磁感应传感器的速度取V₁，

当,则活塞通过第一电磁感应传感器的速度取/>。

信号处理装置根据活塞通过各电磁感应传感器的速度作出速度时程曲线，获得活塞在任意时刻的速度。

上述计算活塞通过第一电磁感应传感器速度的方法精度高，可以理解的是，该计算方法也可以计算活塞通过其它电磁感应传感器3（而不仅仅是第一电磁感应传感器）的速度。信号处理装置4根据活塞通过各电磁感应传感器3的速度作出速度时程曲线，可以获得活塞在任意时刻的速度。

该系统计算活塞的位置的方式可以按下面步骤进行：

步骤101：信号处理装置4根据活塞通过各电磁感应传感器3的速度作出速度时程曲线；

步骤102：信号处理装置4根据速度时程曲线积分计算活塞在任意时刻的位置。

该系统计算活塞的加速的方式可以按下面步骤进行：

步骤A：信号处理装置4按下式计算活塞通过相邻电磁感应传感器3之间的加速度：

步骤B：信号处理装置4根据活塞通过各相邻电磁感应传感器3的加速度作出加速度时程曲线；

步骤C：信号处理装置4根据加速度时程曲线计算活塞在任意时刻的加速度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量方法，其特征在于，该方法所采用的测量装置包括轻气炮、电磁感应传感器以及信号处理装置；

所述轻气炮包括依次相连的发射机构、泵管、锥段和发射管；所述泵管内同轴容置含有铁磁性材料的活塞，所述发射机构通过驱动所述活塞压缩所述泵管内气体，使所述发射管内的弹丸射出；

两个以上所述电磁感应传感器沿所述泵管轴向按设定距离间隔设置于所述泵管外侧；

所述信号处理装置与所述电磁感应传感器信号连接；

当所述活塞压缩气体时，所述活塞从所述泵管靠近发射机构的一端运动到靠近锥段的一端，两个以上所述电磁感应传感器依次产生电信号，所述信号处理装置能够记录所述电信号，并根据所述电信号以及所述电磁感应传感器之间的所述设定距离计算所述活塞的位置、速度与加速度；

所述泵管由多段炮管沿轴向依次拼接而成，在每两个所述炮管的拼接位置设置一个电磁感应传感器；

所述活塞包括橡胶制的活塞头部和所述铁磁性材料制的质量块；

所述活塞头部与所述泵管的内壁滑动配合；

所述质量块与所述活塞头部靠近所述发射机构的一端固接；

该测量方法包括以下步骤：

步骤一：所述发射机构驱动所述活塞从所述泵管靠近发射机构的一端运动到靠近锥段的一端，以压缩所述泵管内的气体；

步骤二：通过所述信号处理装置记录各个所述电磁感应传感器产生电信号的开始时刻和消失时刻；

步骤三：所述信号处理装置根据各个所述电磁感应传感器之间的所述设定距离以及各个所述电磁感应传感器产生电信号的开始时刻和消失时刻，计算所述活塞的位置、速度与加速度。

2.根据权利要求1所述的轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量方法，其特征在于，所述铁磁性材料与所述泵管的内壁不接触。

3.根据权利要求1所述的轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量方法，其特征在于，所述活塞还包括橡胶制的活塞尾部；

所述活塞尾部与所述泵管的内壁滑动配合；

所述质量块夹设于所述活塞头部与所述活塞尾部之间。

4.根据权利要求1或3所述的轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量方法，其特征在于，所述质量块为圆柱状，且直径小于所述泵管的内径。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量方法，其特征在于，所述电磁感应传感器包括漆包线和环形磁铁；

所述漆包线绕制成圆环状，并固接于所述环形磁铁的内壁或外壁，且所述漆包线与所述信号处理装置信号连接；

所述环形磁铁的两个端面分别为N极与S极，且所述环形磁铁套设于所述泵管的外周侧。

6.根据权利要求1所述的轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量方法，其特征在于，计算所述活塞的速度的具体方式为：

设相邻的两个所述电磁感应传感器之间的所述设定距离为d，所述活塞最先通过的所述电磁感应传感器为第一电磁感应传感器，所述活塞随后进入的所述电磁感应传感器为第二电磁感应传感器，所述活塞通过所述第一电磁感应传感器的磁场范围产生电信号开始时刻为t₀，消失时刻为t₁，所述活塞通过所述第二电磁感应传感器的磁场范围产生电信号开始时刻为t₂，消失时刻为t₃，所述电磁感应传感器初始产生电信号时刻t₀所述质量块距离所述第一电磁感应传感器的距离为；

所述第一电磁感应传感器和所述第二电磁感应传感器产生电信号的时间差T按下式计算：

；

所述活塞在所述第一电磁感应传感器磁场范围内的速度V₀按下式计算：

所述活塞在所述第一电磁感应传感器和所述第二电磁感应传感器之间的速度V₁按下式计算：

V₁=d/T

所述活塞在所述第二电磁感应传感器磁场范围内的速度V₂按下式计算：

当，所述活塞通过所述第一电磁感应传感器的速度取V₀，

当,所述活塞通过所述第一电磁感应传感器的速度取/>，

当，所述活塞通过所述第一电磁感应传感器的速度取V₁，

当,所述活塞通过所述第一电磁感应传感器的速度取/>；

信号处理装置根据活塞通过各电磁感应传感器的速度作出速度时程曲线，获得活塞在任意时刻的速度。

7.根据权利要求6所述的轻气炮活塞的位置、速度与加速度测量方法，其特征在于，计算所述活塞的位置的具体步骤包括：

101：所述信号处理装置根据所述活塞通过各电磁感应传感器的速度作出速度时程曲线；

102：所述信号处理装置根据所述速度时程曲线积分计算所述活塞在任意时刻的位置；

计算所述活塞的加速的具体步骤包括：

步骤A：所述信号处理装置按下式计算所述活塞通过相邻电磁感应传感器之间的加速度：

步骤B：所述信号处理装置根据所述活塞通过各相邻电磁感应传感器的加速度作出加速度时程曲线；

步骤C：所述信号处理装置根据所述加速度时程曲线计算所述活塞在任意时刻的加速度。