CN117849114A - 一种炸药超压爆轰参数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种炸药超压爆轰参数测量系统，属于炸药超压爆轰技术领域，解决了现有技术中炸药超压爆轰参数测量系统性能不稳定、可靠性差且测量速度范围、信号质量较差的问题。包括装药驱动装置，包括装药模块、支撑套筒、飞片、限位板和基板；支撑套筒通过限位板隔为两段，其中一段依次放置飞片和装药模块，另一段放置基板，基板上设置有两试样凹槽，用于放置待测试样；激光探头正对两个试样凹槽；激光探头用于将接收的测量装置发出的激光束出射至待测试样，并接收待测试样返回的激光束，并将返回的激光束传输至测量装置；测量装置基于返回的激光束测量冲击波粒子速度，可实现炸药超压爆轰参数测量。为超压爆轰产物状态方程的标定提供数据支撑。

Description

一种炸药超压爆轰参数测量系统

技术领域

本发明涉及炸药超压爆轰技术领域，尤其涉及一种炸药超压爆轰参数测量系统。

背景技术

炸药爆轰产物的状态方程作为正确描述表征炸药作功能力及能量输出特性的基础，尤其是对爆轰产物在高压下的状态行为研究有了愈来愈精确的要求。近年来发展了多种高动压加载技术，对炸药强爆轰的作用机理、爆轰波传播过程的实验观察、数值计算及其应用技术进行了大量研究，特别地，高能炸药在极强的冲击载荷加载下，可以产生压力和速度等均高于定常C-J爆轰状态的爆轰波，如何精确描述、表征炸药CJ点之上的爆轰产物状态方程已成为工程应用领域研究的难点和热点。

目前现有的炸药超压爆轰测试方法多以转镜式高速扫描相机进行超压爆轰测试，采用高速扫描相机测量炸药强爆轰冲击波在不同试样中的传播速度-时间历史数据，但是因为光探板与炸药之间的间隙导致的时间误差，以及胶片读数误差，同时，该方法对起爆反应流场存在干扰，由于边侧稀疏的作用，试样边缘的冲击波速度降低，爆轰波波形曲线的两侧翘起等缺点，导致实验结果的参数误差大，使其描述结果将会产生明显的偏差；传统转镜扫描系统使用单束激光扫描，成像速度慢，转角无效扫描不仅降低激光的使用效率，更使成像分辨率无法提升，以及转镜式高速扫描相机体积大、测试信号质量高、不便于携带等缺点，这些问题限制了转镜扫描系统的使用；另一种测试手段为电探针测量被测试件自由表面速度，但因为其时常与被测物自由表面间距的影响较大，若二者间距较小，只能感受到弹性波的作用；若二者的间距较大，可以感受到弹、塑性波的联合作用，而输出信号是无法分辨弹性波与塑性波的联合作用，用电探极法研究材料在高压特性存在相当大的困难。

因此，亟需一种性能稳定、可靠性高、测量速度范围宽广且信号质量高的炸药超压爆轰参数的测量系统。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种炸药超压爆轰参数测量系统，用以解决现有炸药超压爆轰参数测量系统性能不稳定、可靠性差且测量速度范围、信号质量较差的问题。

本发明实施例提供了一种炸药超压爆轰参数测量系统，包括：装药驱动装置、激光探头和测量装置；

所述装药驱动装置包括：装药模块、支撑套筒、飞片、限位板和基板；所述支撑套筒通过限位板隔为两段，其中一段依次放置飞片和装药模块，另一段放置所述基板，所述基板上设置有两试样凹槽，用于放置待测试样；

所述激光探头正对所述两个试样凹槽；所述激光探头用于将接收的所述测量装置发出的激光束出射至待测试样，并接收待测试样返回的激光束，并将返回的激光束传输至所述测量装置；所述测量装置基于返回的激光束测量冲击波粒子速度。

进一步地，所述装药驱动装置还包括激光探头固定板；

所述激光探头固定板设置于所述支撑套筒的基板一侧的外侧，其上设置有两通孔与两个所述试样凹槽对应；两个所述激光探头分别固定在所述激光探头固定板上的两个通孔内，且两个所述激光探头连接所述测量装置。

进一步地，所述装药模块包括雷管、炸药平面波透镜和主装药；

所述雷管与炸药平面波透镜的上端开孔连接，所述炸药平面波透镜下端与所述主装药一端粘接；所述主装药另一端与所述飞片粘接。

进一步地，所述装药驱动装置还包括定位套，所述定位套为与所述支撑套筒适配的圆筒状结构，用于结合限位板固定基板的位置。

进一步地，所述基板上设置的两试样凹槽均为圆柱形凹槽；其中，一试样凹槽内放置有炸药试样和LiF窗口材料，另一试样凹槽放置铝试样。

进一步地，所述基板上一试样凹槽内放置的炸药试样通过表面涂抹真空硅胶与所述LiF窗口材料粘贴，且所述LiF窗口材料与炸药试样接触面镀有铝膜。

进一步地，所述测量装置包括全光纤激光干涉测速仪、激光器和示波器；

所述全光纤激光干涉测速仪信号输入端分别与两个所述激光探头连接，两个所述激光探头还分别与所述激光器的两个信号输出端连接；所述全光纤激光干涉测速仪的信号输出端与所述示波器信号输入端连接。

进一步地，所述炸药超压爆轰参数测量系统还包括触发线；

所述触发线一端连接所述炸药平面波透镜，另一端连接所述示波器信号输入端。

进一步地，所述限位板与所述支撑套筒活动连接，所述限位板为工字型；所述主装药与所述飞片通过均匀投摸真空硅脂粘接。

进一步地，通过以下方式进行所述激光探头固定板的安装：

采用两个定位圈分别将所述 LiF窗口材料与铝试样进行定位和固定，所述定位圈端面上设置有通孔；

将两个定位棒一端分别设置于所述定位圈上的通孔中；

将两个定位棒的另一端分别设置于所述激光探头固定板的通孔中，根据设定的距离调整激光探头固定板后，将两个定位圈和定位棒取出，完成所述激光探头固定板的安装；

其中，设定的距离为LiF窗口材料与激光探头的距离，通过测量装置的有效测量范围确定。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果：

本发明提出了一种炸药超压爆轰参数测量系统，通过设置装药驱动装置、激光探头和测量装置进行测量，装药驱动装置包括装药模块、支撑套筒、飞片、限位板和基板，支撑套筒通过限位板隔为两段，其中一段依次放置飞片和装药模块，另一段放置所述基板，所述基板上设置有两试样凹槽，用于放置待测试样；激光探头正对所述两个试样凹槽；激光探头正对所述两个试样凹槽；所述激光探头用于将接收的所述测量装置发出的激光束出射至待测试样，并接收待测试样返回的激光束，并将返回的激光束传输至所述测量装置；所述测量装置基于返回的激光束测量冲击波粒子速度，简单结构，性能稳定可靠，具有测试速度范围宽广、测试信号质量高、成本低廉、体积小巧、便于集成和携带、抗振动、可靠性高、非接触测量、仪器操作简单、实验准备周期短、运行成本低的显著优势，可为研究炸药超压爆轰的状态方程参数标定、爆轰反应机理、能量输出响影规律等奠定基础。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；

图1为本发明实施例提供的炸药超压爆轰参数测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的装药驱动装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的限位板的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的支撑套筒的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的激光探头固定板的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的定位套的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的基板的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的基板的剖面结构示意图；

图9为本发明实施例提供的测量装置的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的定位圈的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的定位棒的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的限位板和支撑套筒的安装状态示意图；

图13为本发明实施例提供的定位套的安装状态示意图；

图14为本发明实施例提供的定位棒和定位圈的安装状态示意图；

图15为本发明实施例提供的激光探头固定板的安装状态示意图；

图16为本发明实施例提供的装药驱动装置的整体安装状态示意图；

附图标记：

1-装药驱动装置；2-触发线；3-激光探头；4-测量装置；

101-装药模块；102-支撑套筒；103-飞片；104-限位板；105-基板；106-激光探头固定板；107-定位套；108-定位棒；109-定位圈；

1011-雷管；1012-炸药平面波透镜；1013-主装药；

1051-炸药试样；1052-LiF窗口材料；1053-铝试样；

401-全光纤激光干涉测速仪；402-激光器；403-示波器。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种炸药超压爆轰参数测量系统，如图1所示，包括：装药驱动装置1、激光探头3和测量装置4。

如图2所示，所述装药驱动装置1包括：装药模块101、支撑套筒102、飞片103、限位板104和基板105；所述支撑套筒102通过限位板104隔为两段，其中一段依次放置飞片103和装药模块101，另一段放置所述基板105，所述基板105上设置有两试样凹槽，用于放置待测试样；

所述激光探头3正对所述两个试样凹槽；所述激光探头3用于将接收的所述测量装置4发出的激光束出射至待测试样，并接收待测试样返回的激光束，并将返回的激光束传输至所述测量装置4；所述测量装置4基于返回的激光束测量冲击波粒子速度。

实施时，所述装药驱动装置1还包括激光探头固定板106；所述激光探头固定板106设置于所述支撑套筒102的基板105一侧的外侧，其上设置有两通孔与两个所述试样凹槽对应；两个所述激光探头3分别固定在所述激光探头固定板106上的两个通孔内，且两个所述激光探头3连接所述测量装置4。

具体地，所述限位板104与所述支撑套筒102活动连接，所述限位板104为工字型，如图3所示。

具体地，如图4所示，支撑套筒102为设置有圆柱形内腔的两端开口的拱形结构；激光探头固定板106上设置的两个圆形通孔，如图5所示。

实施时，所述装药模块101包括雷管1011、炸药平面波透镜1012和主装药1013；所述雷管1011与炸药平面波透镜1012的上端开孔连接，所述炸药平面波透镜1012下端与所述主装药1013一端粘接；所述主装药1013另一端与所述飞片103粘接。

具体地，所述主装药1013与所述飞片103通过均匀投摸真空硅脂粘接，触发线2用电工胶带粘贴在炸药平面波透镜1012上。

具体地，所述炸药平面波透镜1012的直径不小于50mm，用于形成平面冲击波加载。

示例性地，飞片103为铜飞片，基板105为铝基板，雷管1011为8号电雷管。

优选地，所述装药驱动装置1还包括定位套107，所述定位套107为与所述支撑套筒102适配的圆筒状结构，用于结合限位板104固定基板105的位置，如图6所示。示例性地，定位套107为环形有机玻璃定位套。

具体地，所述基板105上设置的两试样凹槽均为圆柱形凹槽；其中，一试样凹槽内放置有炸药试样1051和LiF窗口材料1052，另一试样凹槽放置铝试样1053，如图7所示，其纵剖面如图8所示。需要说明的是，两试样凹槽位置和尺寸根据实际情况调整。示例性地，铝试样1053为LY12铝试样。

更具体地，所述LiF窗口材料1052表面镀0.7um铝膜，另一面镀增透膜，能通过1550nm的波长。

可以理解的是，限位板104与定位套107用于固定基板105及试样在轴向的移动。

更具体地，所述基板105上一试样凹槽内放置的炸药试样1051通过表面涂抹真空硅脂与所述LiF窗口材料1052粘贴，以确保两者接触面间没有空气隙，且所述LiF窗口材料1052与炸药试样1051接触面镀有铝膜。

更具体地，炸药试样1051、铝试样1053和LiF窗口材料1052的尺寸直径×厚度均设置为20mm×5mm，为了确保一维波效应，侧向尺寸应选得足够大但不能超过飞板后部入射的稀疏波的追赶厚度；宽厚比至少应大于2，在具体实验中，考虑到声速计算值的不确定度，理论分析表明，边侧稀疏角决定了试样的宽度对厚度的限制，边侧稀疏角通常不超过45°。

实施时，如图9所示，所述测量装置4包括全光纤激光干涉测速仪401、激光器402和示波器403；所述全光纤激光干涉测速仪401信号输入端分别与两个所述激光探头3连接，两个所述激光探头3还分别与所述激光器402的两个信号输出端连接；所述全光纤激光干涉测速仪401的信号输出端与所述示波器403信号输入端连接。

具体地，激光器402与激光探头3通过输出光纤连接；全光纤激光干涉测速仪401与示波器403通过信号电缆连接。

优选地，所述炸药超压爆轰参数测量系统还包括触发线2；所述触发线2一端连接所述炸药平面波透镜1012，另一端连接所述示波器403信号输入端。需要说明的是，通过触发线2向示波器403传输触发信号，经示波器403传输触发信号，进而启动所述全光纤激光干涉测速仪401和激光器402。

具体地，触发线2通过电缆与示波器403连接。

具体地，示波器403为10GHz宽带，4通道，40GS/s采样率，每通道30M存储，以避免有效信号发生超屏现象的丢失。

需要说明的是，全光纤激光干涉测速仪401主要用于冲击波物理和爆轰物理研究中位移或速度剖面的连续观测。本实施例中的测量装置4时间分辨力达50ps，相对测量误差小于等于0.01，空间分辨力达到80nm，典型测速精度可达到0.01，最高位移分辨率300nm，测量景深大于等于100mm，可用于速度从0.1m/s到4.6km/s范围内的瞬态速度连续测量，工作距离100mm，测速点数2点以上。

实施时，通过以下方式进行所述激光探头固定板106的安装：

采用两个定位圈109分别将所述 LiF窗口材料1052与铝试样1053进行定位和固定；其中，所述定位圈109端面上设置有通孔；

将两个定位棒108一端分别设置于所述定位圈109上的通孔中；

将两个所述定位棒108的另一端分别设置于所述激光探头固定板106的通孔中，根据设定的距离调整激光探头固定板106后，将两个定位圈109和定位棒108取出，完成所述激光探头固定板106的安装；

其中，设定的距离为LiF窗口材料1052与激光探头3的距离，通过测量装置4的有效测量范围确定。

具体地，本实施中LiF窗口材料1052与激光探头3的距离不超过100mm。

具体地，所述定位圈109与定位棒108通过螺纹连接，定位圈109上通孔直径为3.2mm，定位圈109如图10所示，定位棒108如图11所示。

需要说明的是，所述装药驱动装置1的完整安装过程为：

将限位板104放入支撑套筒102，将其分为两段，限位板104用于轴向（水平）的定位，以防止飞片103轴向移动，如图12所示；

在主装药1013与飞片103连接的端面均匀投摸真空硅脂，与飞片103粘接在一起；将主装药1013另一端面与炸药平面波透镜1012下端沿轴向粘接在一起后装入支撑套筒102的一段；

将基板105平放，将炸药试样1051黏结在圆柱形凹槽内，在炸药试样1051表面涂抹适量真空硅脂与LiF窗口材料1052粘贴，保证接触面间没有空气隙，以防止炸药爆轰产物对激光信号产生干扰；LiF窗口材料1052与炸药试样1051接触面端镀有约0.7μm厚的铝膜作为激光信号的反射面，以确保两者能够紧密接触；将铝试样1053固定在基板105的另一个圆柱形凹槽内；将基板105放入支撑套筒102的另一段，基板105的底面与限位板104接触；

将定位套107从支撑套筒102另一段端口装入顶住基板105，以确保飞片103与基板105之间的距离，如图13所示；

采用两个定位圈109分别将所述 LiF窗口材料1052与铝试样1053进行定位和固定；其中，所述定位圈109端面上设置有通孔；

将两个定位棒108一端分别设置于所述定位圈109上的通孔中，如图14所示；

将两个所述定位棒108的另一端分别设置于所述激光探头固定板106的通孔中，根据设定的LiF窗口材料1052与激光探头3的距离调整激光探头固定板106，如图15和16所示；

设置完成激光探头固定板106后，将两个定位圈109和定位棒108取出，完成所述激光探头固定板106的安装。

将激光探头3装入激光探头固定板106的两个通孔中，用封泥固定激光探头3使其对准炸药试样1051和铝试样1053的中心，在炸药平面透镜上插入并固定8号电雷管1011，完成装药驱动装置1的安装。

需要说明的是，本实施中的一种炸药超压爆轰参数测量系统的工作过程为：

雷管1011引爆炸药平面波透镜1012，冲击波经过炸药平面波透镜1012进行波形调整后形成平面爆轰波，起爆主装药1013，产生的平面爆轰波驱动飞片103加速，飞片103组件在支撑套筒102内加速后，以一定速度产生入射冲击波撞击基板105，在基板105中产生平面冲击波，传入待测试件；

同时，导通固定在炸药平面波透镜1012上的触发线2，通过电缆传输触发信号，触发全光纤激光干涉测速仪401和激光器402开始工作，激光器402发射激光，激光探头3对应通道的激光束通过传输光纤传到待测试件表面发生反射，激光探头3接收到反射激光，并通过光纤传输到全光纤激光干涉测速仪401，通过光电转换后的电压信号，由信号电缆传输到高性能示波器403；

最终在待测试件中，爆轰产物驱动LiF窗口材料1052破坏激光探头3前，安装在激光探头固定板106上的激光探头3垂直对准炸药、LY12试样中心，产生瞬时光信号，此时会在激光探头3内部产生反射光（反射的激光束）和透射光（出射的激光束），具体为：发出的激光束通过传输光纤传输到炸药试样1051、铝试样1053端面，随之激光探头3会收集到透射光在炸药试样1051、铝试样1053表面形成的反射光，反射光通过光纤传输到激光干涉测速仪401中，最终形成了多普勒频移的瞬时信号光，并由信号光纤传输到全光纤激光干涉测速仪401，全光纤激光干涉测速仪401解调出反射激光的多谱勒频移，变换为电信号后由信号电缆传输到示波器403；示波器403采集、存储全光纤激光干涉测速仪401输出的电压信号，根据电信号的信号频率通过专用处理软件处理，从而准确得到炸药试样1051、铝试样1053速度的连续变化过程，完成炸药超压爆轰参数中冲击波粒子速度的测量。

与现有技术相比，本发明提供了一种炸药超压爆轰参数测量系统，通过设置装药驱动装置1、激光探头3和测量装置4进行测量，装药驱动装置1包括装药模块101、支撑套筒102、飞片103、限位板104和基板105，支撑套筒102通过限位板104隔为两段，其中一段依次放置飞片103和装药模块101，另一段放置所述基板105，所述基板105上设置有两试样凹槽，用于放置待测试样；激光探头3正对所述两个试样凹槽；所述激光探头3用于将接收的所述测量装置4发出的激光束出射至待测试样，并接收待测试样返回的激光束，并将返回的激光束传输至所述测量装置4；所述测量装置4基于返回的激光束测量冲击波粒子速度，简单结构，性能稳定可靠，具有测试速度范围宽广、测试信号质量高、成本低廉、体积小巧、便于集成和携带、抗振动、可靠性高、非接触测量、仪器操作简单、实验准备周期短、运行成本低的显著优势，可为研究炸药超压爆轰的状态方程参数标定、爆轰反应机理、能量输出响影规律等奠定基础。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种炸药超压爆轰参数测量系统，其特征在于，包括：装药驱动装置（1）、激光探头（3）和测量装置（4）；

所述装药驱动装置（1）包括：装药模块（101）、支撑套筒（102）、飞片（103）、限位板（104）和基板（105）；所述支撑套筒（102）通过限位板（104）隔为两段，其中一段依次放置飞片（103）和装药模块（101），另一段放置所述基板（105），所述基板（105）上设置有两试样凹槽，用于放置待测试样；

所述激光探头（3）正对所述两个试样凹槽；所述激光探头（3）用于将接收的所述测量装置（4）发出的激光束出射至待测试样，并接收待测试样返回的激光束，并将返回的激光束传输至所述测量装置（4）；所述测量装置（4）基于返回的激光束测量冲击波粒子速度。

2.根据权利要求1所述的炸药超压爆轰参数测量系统，其特征在于，所述装药驱动装置（1）还包括激光探头固定板（106）；

所述激光探头固定板（106）设置于所述支撑套筒（102）的基板（105）一侧的外侧，其上设置有两通孔与两个所述试样凹槽对应；两个所述激光探头（3）分别固定在所述激光探头固定板（106）上的两个通孔内，且两个所述激光探头（3）连接所述测量装置（4）。

3.根据权利要求1所述的炸药超压爆轰参数测量系统，其特征在于，所述装药模块(101)包括雷管（1011）、炸药平面波透镜（1012）和主装药（1013）；

所述雷管（1011）与炸药平面波透镜（1012）的上端开孔连接，所述炸药平面波透镜（1012）下端与所述主装药（1013）一端粘接；所述主装药（1013）另一端与所述飞片（103）粘接。

4.根据权利要求1所述的炸药超压爆轰参数测量系统，其特征在于，所述装药驱动装置（1）还包括定位套（107），所述定位套（107）为与所述支撑套筒（102）适配的圆筒状结构，用于结合限位板（104）固定基板（105）的位置。

5.根据权利要求1所述的炸药超压爆轰参数测量系统，其特征在于，所述基板（105）上设置的两试样凹槽均为圆柱形凹槽；其中，一试样凹槽内放置有炸药试样（1051）和LiF窗口材料（1052），另一试样凹槽放置铝试样（1053）。

6.根据权利要求5所述的炸药超压爆轰参数测量系统，其特征在于，所述基板（105）上一试样凹槽内放置的炸药试样（1051）通过表面涂抹真空硅胶与所述LiF窗口材料（1052）粘贴，且所述LiF窗口材料（1052）与炸药试样（1051）接触面镀有铝膜。

7.根据权利要求3所述的炸药超压爆轰参数测量系统，其特征在于，所述测量装置（4）包括全光纤激光干涉测速仪（401）、激光器（402）和示波器（403）；

所述全光纤激光干涉测速仪（401）信号输入端分别与两个所述激光探头（3）连接，两个所述激光探头（3）还分别与所述激光器（402）的两个信号输出端连接；所述全光纤激光干涉测速仪（401）的信号输出端与所述示波器（403）信号输入端连接。

8.根据权利要求7所述的炸药超压爆轰参数测量系统，其特征在于，所述炸药超压爆轰参数测量系统还包括触发线（2）；

所述触发线（2）一端连接所述炸药平面波透镜（1012），另一端连接所述示波器（403）信号输入端。

9.根据权利要求3所述的炸药超压爆轰参数测量系统，其特征在于，所述限位板（104）与所述支撑套筒（102）活动连接，所述限位板（104）为工字型；所述主装药（1013）与所述飞片（103）通过均匀投摸真空硅脂粘接。

10.根据权利要求5的所述的炸药超压爆轰参数测量系统，其特征在于，通过以下方式进行所述激光探头固定板（106）的安装：

采用两个定位圈（109）分别将所述 LiF窗口材料（1052）与铝试样（1053）进行定位和固定，所述定位圈（109）端面上设置有通孔；

将两个定位棒（108）一端分别设置于所述定位圈（109）上的通孔中；

将两个定位棒（108）的另一端分别设置于所述激光探头固定板（106）的通孔中，根据设定的距离调整激光探头固定板（106）后，将两个定位圈（109）和定位棒（108）取出，完成所述激光探头固定板（106）的安装；

其中，设定的距离为LiF窗口材料（1052）与激光探头（3）的距离，通过测量装置(4)的有效测量范围确定。