专利名称：高速运动物体速度和形貌测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高速运动物体速度和形貌测试系统，主要用于高速运动物体的速度和形貌测试。
背景技术：
变加速运动物体速度的测试以及如何提高其测试精度，一直是测试人员努力探索的问题，特别是对那些运动速度快、工作时间短(工作时间仅有几秒钟)的测试对象，这一问题尤为突出。近年来，高速运动物体测试技术受到了极大的重视，有目的的获得高速运动物体飞行中的属性，最终将其转化为实物并投入到实际应用中，意义重大。其中，以高速运动物体的速度和形貌作为研究对象，将一些高新技术应用于高速运动物体速度和形貌测量， 开发新的高速运动物体速度测量方法，提高测速精确度是一项长期研究的工作，是提高高速运动物体速度和形貌技术性能的一项基础性工作，同时也是影响高速运动物体飞行技术发展的一个重要环节。高速运动物体速度和形貌测试的技术难点在于高速运动物体形貌及姿态的测试方法。例如爆炸成型弹丸或聚能射流在高速运动的过程中受自身特性和空气阻力等干扰因素的影响，速度变化快且伴有形变的产生，因此弹丸运动过程中对速度和形貌的测量是弹丸发射系统的理论研究和性能鉴定的基本测试内容之一。目前，对高速运动物体速度和形貌测量常用的方法为X射线摄影法，即通过获取高速运动物体的多幅图像而后对其速度和形貌进行分析，但过高的使用成本和安全性问题使得该方法在应用中受到很多限制，急需开发低成本且安全的高速运动物体速度、形貌测试方法。本系统将速度测试置和形貌测试装置有机的结合在一起，不仅可以有效的对高速运动物体速度和形貌进行测试，而且该系统具有结构简单，成本低廉等特点，并且在具有破坏性的实验过程中不需要对其做特别的防护。
发明内容
本发明是针对目前常用的高速运动物体速度和形貌测试方法存在试验成本高、不易采集数据等缺点而提出的一种高速运动物体速度和形貌测试系统。本发明所述高速运动物体速度和形貌测试系统，主要由速度测试装置、形貌测试装置和数据处理系统组成。其中速度测试装置主要用来测试通过其区间内的物体的平均速度；形貌测试装置主要用来测试高速运动物体通过激光平行光幕时直径随时间的变化情况；数据处理系统对上述装置所测结果进行运算处理，得出被测高速运动物体的速度和形貌。速度测试装置是一种区间测速装置，主要由启动网靶、停止网靶、计时仪构成。若启动网靶，停止网靶的靶距为S，所述的两个引线接在计时仪的输入回路上，当高速运动物体通过启动网靶时，切断启动网靶的镀锌铁丝网，送出一个电信号，使计时仪开始记录时间；当通过停止网靶时，切断停止网靶的镀锌铁丝网，再次送出一个电信号，使计时仪停止记录时间。这时计时仪记录的时间为高速物体通过两靶间距离S的时间差t。启动网靶和停止网靶可是激光靶、锡箔靶等测速靶。启动网靶和停止网靶是由两个固定在木框上的单面锯齿状薄板和镀锌铁丝组成。 两个单面锯齿状薄板锯齿朝外分别固定到木框相对的两边，然后用镀锌铁丝在锯齿状薄板之间来回绕，绕到两边时就挂到锯齿上，形成一个金属网面。两个单面锯齿状薄板锯齿的间距小于高速运动物体横截面尺寸的1/4，以保证物体头部通过网靶时可以切断镀锌铁丝网。形貌测试装置由一字红光半导体激光器、菲涅尔透镜、光电探测器和示波器构成。 由一字红光半导体激光器所发的扇形激光通过一对菲涅尔透镜形成激光平行光幕，激光平行光幕位于启动网靶和停止网靶正中间。高速运动物体在飞行的过程中不是勻速运动，如果将激光平行光幕置于启动网靶和停止网靶的正中间，当高速运动物体经过激光平行光幕所在位置时，其速度最接近高速运动物体的平均速度，因此，可以用高速运动物体通过激光平行光幕时的速度代替高速运动物体的平均速度。一字红光半导体激光器发出的扇形激光通过菲涅尔透镜形成平行光幕，平行光经过另一个菲涅尔透镜汇聚到光电探测器上，最后经过示波器将光电探测器的电压信号输出。当有高速运动物体通过平行光幕时，将遮挡一部分平行光。高速运动物体在运动过程中直径发生变化，通过激光平行光幕时遮挡的平行光的宽度相应不同，汇聚到光电探测器后， 光电探测器采集的能量也不同，其转化成电信号在示波器上显示为过靶波形。数据处理系统由数据处理软件和计算机组成。数据处理软件安装在计算机上，基于Matlab编程实现。由速度测试装置获得的高速运动物体经过启动网靶和停止网靶间距 S的时间t作为数据处理软件的输入，根据公式1可以计算出高速物体运动的平均速度。V = sjt(1)
根据形貌测试装置中光电探测器输出的电信号显示出的过靶波形，经过优化，使光电探测器所测电压变化量与被测物体的直径成正比。将光电探测器的输出作为数据处理软件的输入，则可以得到高速运动物体通过平行光幕时各个横截面的直径。将各直径在Matlab 中重构，则获得高速运动物体在平均速度运动时的三维形貌。被测高速运动物体的平均速度和三维形貌在计算机的显示器中显示。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1 高速运动物体速度和形貌测试装置原理图。图2 高速运动物体速度测试装置原理图。图3 单个网靶结构示意图。图4 高速运动物体形貌测试装置原理图。图中高速运动物体(1)，速度测试装置(2)，形貌测试装置(3)，物体运行轨道 (4)，启动网靶(5)，停止网靶(6)，计时仪(7)，靶框(8)，镀锌铁丝网(9)，信号线(10)，靶座 (11)，激光器(12)，菲涅尔透镜(13)，光电探测器(14)，示波器(15)。
具体实施例方式
如图1中所示高速运动物体速度和形貌测试系统，主要由速度测试装置(2)、形
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貌测试装置(3)、和数据处理系统组成。其中速度测试装置(2)主要用来测试所通过的物体在其区间内的平均速度；形貌测试装置(3)主要用来测试物体通过激光平行光幕时直径随时间的变化情况；数据处理系统将上述装置所测结果进行分析运算，从而得出高速运动物体的速度和形貌。如图2所示当高速运动物体(1)通过启动网靶(5)时，切断启动网靶(5)的镀锌铁丝网(9)，送出一个电信号，启动计时仪(7)开始记录时间；通过停止网靶(6)时，切断停止网靶(6)的镀锌铁丝网(9)，又送出一个电信号，使计时仪(7)停止记录时间。这时计时仪(7)显示的时间为高速运动物体(1)通过两靶时的时间差t，且启动网靶与停止网靶的靶距为S。如图3所示单个网靶结构示意图，它由靶框(8)、靶架(11)、镀锌铁丝网(9)和信号线(10)组成。因为高速运动物体(1)在飞行时会产生一定的冲击波，为了避免靶面抖动影响高速运动物体(1)速度的测试精度，故将启动网靶(5)和停止网靶(6)固定在靶架(11) 上。测试时，将镀锌铁丝网(9)上的引线接至计时仪(7)上，计时仪(7)记录两靶输出信号的时间间隔t，并根据启动网靶(5 )和停止网靶(6 )之间的距离s，将t和s输入数据处理系统的数据处理软件，由公式计算得出高速运动物体在两靶之间运动的平均速度。如图4中所示一字红光半导体激光器(12)所发的扇形激光通过菲涅尔透镜(13) 形成了激光平行光幕。在光幕的另一端使用同样一个菲涅尔透镜(13)将光幕汇聚到光电探测器(15)上。当有高速运动物体(1)通过时，将遮挡一部分平行光。由于高速运动物体 (1)直径的变化，遮挡的平行光的宽度不同，汇聚到光电探测器(14)的能量也不同。根据光电探测器(15)输出的电信号显示出的过靶波形，经过优化，使光电探测器所测电压变化量与被测物体的直径成正比。将光电探测器(15)的输出作为数据处理软件的输入，则可以得到高速运动物体通过平行光幕时各个横截面的直径。将各直径在Matlab中重构，则获得高速运动物体在平均速度运动时的三维形貌。最后被测高速运动物体的平均速度和三维形貌显示在计算机的显示器上。
权利要求
1.一种高速运动物体速度和形貌测试系统，其特征在于，该系统由速度测试装置、形貌测试装置和数据处理系统组成，将速度测试装置获得的时间信号和形貌测试装置输出的电压变化信号输入数据处理系统，经数据处理系统计算、重构后获得并显示高速运动物体的平均速度和三维形貌。
2.根据权利要求1所述的高速运动物体速度和形貌测试系统，其特征在于，速度测试装置主要由启动网靶、停止网靶和计时仪构成，其中启动网靶和停止网靶按照一定的间距固定在支架上。
3.根据权利要求2所述的高速运动物体速度和形貌测试系统，其特征在于，所述启动网靶和停止网靶是由两个固定在木框上的单面锯齿状薄板和镀锌铁丝组成，锯齿状薄板的间距小于所测物体直径的1/4。
4.根据权利要求1所述的高速运动物体速度和形貌测试系统，其特征在于，形貌测试装置由激光器、菲涅尔透镜、光电探测器和示波器构成，由激光器和菲涅尔透镜形成的激光平行光幕位于启动网靶和停止网靶正中间。
5.根据权利要求1所述的高速运动物体速度和形貌测试系统，其特征在于，数据处理系统由计算机和数据处理软件组成，速度测试装置和形貌测试装置测量的结果输入数据处理系统，数据处理软件对速度测试装置所测量到的时间信号和形貌测试装置采集到的电压变化量进行计算和重构，得到高速运动物体的平均速度和三维形貌，并在计算机的显示器上显不。
全文摘要
本发明公开了一种高速运动物体速度和形貌测试系统。该系统由高速运动物体速度测试装置、高速运动物体形貌测试装置和数据处理系统三部分组成，其中高速运动物体速度测试装置包括启动网靶、停止网靶和计时仪；高速运动物体形貌测试装置包括激光器、菲涅尔透镜、光电探测器和示波器；数据处理系统由计算机和数据处理软件组成，数据处理软件计算高速运动物体的速度和形貌并在计算机的显示器中显示结果。本系统成本低廉、可靠性高，可以用于高技术、军事及一般技术领域高速运动物体的速度和形貌测试。
文档编号G01P3/66GK102539819SQ20121001394
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者周汉昌, 李仰军, 王小燕, 王星河, 王高 申请人:中北大学