一种微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统的制作方法
【专利说明】一种微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统 所属技术领域
[0001] 本发明涉及一种火工作动装置输出推力的测试系统，特别是一种微型火工作动装 置的高精度动态推力测试系统，属于火工品测试技术领域。
【背景技术】
[0002] 微型火工作动装置具体积小、重量轻、功率大、作用迅速，能够完成机械作动装置 无法实现的特殊要求，被广泛的应用在引信安全系统解除保险机构中。其中微型火工作动 装置的输出性能即推力性能是决定其能否成功应用的关键。传统的测量火工作动装置推 力性能的方法有两种：推动载荷重物法和压力传感器法。推动载荷重物法即在火工作动装 置的活塞上方加载一定重量的载荷如砝码，测试活塞将多大重量的载荷推起多高，测试中 不断改变砝码的重量，以确定火工作动装置的做功能力范围。该方法测试误差大，受砝码 重量大小影响大，且火工作动装置中的活塞在推动载荷一瞬间就会相互分离，无法测得动 态推力-行程关系，对火工作动装置药量设计及悬臂梁强度设计的指导性差。而压力传感 器法是在距离活塞末端一定距离处放置一个压力传感器，当活塞运动到此处时，会撞击到 压力传感器上并被记录推力大小，以此来确定火工作动装置的推力。该方法中的传感器是 固定不动的，没有随着活塞的运动而运动，只能得到火工作动装置在固定行程位置处的推 力-时间关系，而且因活塞的运动会产生一定的冲量冲击振动，对测试结果有一定的影响。 显然这些传统测试方法都不能满足对微型火工作动装置输出推力与-时间关系的测试要 求。并且目前国内尚缺少火工作动装置的推力测试方法的标准和规范，也急需制定一个能 够实现标准化测量的技术规范。
[0003] 1996年鲁建存等人在《活塞作动器输出参数的计算与试验》中曾采用压力传感器 对活塞作动器的输出推力-时间曲线进行了测试。其测试系统组成主要包括推力传感器、 高速数据采集分析仪和微机数据处理系统，但该方法也是基于传统的压力传感器法来测试 的，实验中需要固定传感器不动，而火工作动装置的活塞通过火药气体的推动加速运动撞 击到传感器上，这种方法有着明显的弊端，当传感器在受到活塞冲击载荷作用时，要产生很 大的动应力和动变形，在极短的时间内，活塞的速度也会发生极大的变化，测得的推力并不 是真实的火药作用下的活塞推力。2003年国防科技大学吴文杰在《火工品作动力动态测试 系统设计与实现》中采用压电式力传感器和加速度传感器，在特制的砝码车上对活塞作动 器产生的推力进行了直接测试，其测试系统主要包括推力传感器、测试台架、数据采集系统 等。但是该系统中的砝码负载还不能代表实际应用情况，砝码不同，测得的推力也不同，而 且砝码车的尺寸和推力量级不适合微型火工作动装置的推力-时间关系的测量。
[0004] 可以说，对于现有的推力测试方法仅是从定性或半定量的角度来判断火工作动装 置的做功性能，尚不能对火工作动装置进行全面的性能评估。要想达到现代微机电系统的 技术要求，继续简单采用文献中的现有技术或组合是很难实现的，还需要探索新的测试思 想才能解决上述的技术瓶颈。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述测试方法的种种不足，提高微型火工作动装置输出威力的测量精 度，本发明提出用悬臂梁式应变传感器测量微型火工作动装置的推力性能变化，设计一种 贴有应变传感器的悬臂梁组成的推力传感器，配备合适的信号调理器和数据采集系统，可 用于精确的测量微型火工作动器的推力-时间关系。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 按照本发明的测量思路，设计一个火工作动装置的推力特性测试系统，其组成主 要包括被测火工作动装置、火工作动装置固定夹具、悬臂梁、应变传感器、悬臂梁固定夹具、 信号调理器、数据采集系统、发火控制箱及电源，其中应变传感器通过粘结剂贴在距离悬臂 梁顶端一定距离处，火工作动装置、火工作动装置固定装置、悬臂梁、悬臂梁固定夹具通过 螺栓连接在一起，并且火工作动装置中活塞的顶端紧贴着悬臂梁并与悬臂梁顶部平齐。当 火工作动装置的活塞开始运动时，推动悬臂梁发生弯曲变形，应变传感器开始采集应变信 号并传送给数据采集系统。
[0008] 所述悬臂梁材料选自铍青铜、黄铜、钢中的至少一种，悬臂梁长度为6~10mm，宽 度为1~I. 5_，厚度为0· 5~2. 0_。
[0009] 所述应变传感器宽度小于悬臂梁宽度的一半，以减小应变测量的边界效应。
[0010] 所述应变传感器的栅长和栅宽均小于1_，灵敏系数不小于2. 08,适用于活塞直 径为0· 5~1.0 mm的推力装置的动态推力测量。
[0011] 所述应变传感器在悬臂梁正反两面各粘贴一个，同步测量两面变形应变，以消除 悬臂梁两侧弯曲的曲率半径不同所造成的应变量误差，提高测量精度。
[0012] 所述微型火工作动装置固定夹具可以同时安装5个以上的微型火工作动装置，以 提高测量效率和测量条件一致性，微型火工作动装置通过通孔装入夹具，在夹具垂直方向 开有螺纹孔，用螺钉固定。
[0013] 当外界给定微火工作动装置预定的激励能量后，发火件点火，引燃做功药剂释放 高温高压气体推动活塞轴向运动，同时悬臂梁在活塞的推力作用下发生弯曲变形，应变片 感应悬臂梁发生弯曲的应变变化信号通过信号调节器转换并放大信号后传输给动态分析 仪实时储存，再通过应力-应变标定关系换算得出微型火工作动装置动态的推力-时间关 系。
[0014] 本发明的有益效果是：此种方法能够同时动态测量微型火工作动装置的推力-时 间关系，应变传感器的悬臂梁可以采用MEMS安保机构的原配零件，可不改变被测物体的推 力-时间关系，测量的火工作动器和悬臂梁安保机构的动态推力-行程关系，正是对应于 MEMS安保机构在实际发火作用过程中出现的推力-时间关系，测量结果可直接用于火工作 动器动态推力评价及火工作动器和悬臂梁安保机构的推力-时间性能评价。测量系统引入 误差小，且结构简单，一次安装可同时测量多个微型作动装置的推力，可提高安装效率和测 量一致性。
【附图说明】
[0015] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0016] 图1是悬臂梁式应变传感器的工作原理示意图。图中应变传感器安装在距离悬臂 梁固定端i处，悬臂梁长度为1，F为给悬臂梁在端点B处施加的推力，ω为悬臂梁在力F 的作用下产生的位移，Θ为悬臂梁变形产生的弯曲角度。
[0017] 图2是悬臂梁结构尺寸图。
[0018] 图3是测试装置的装配示意图。
[0019] 图4是基于本发明设计的火工作动装置的作动特性测量系统结构示意图。
[0020] 图5是火工作动装置活塞的典型推力一时间曲线。
【具体实施方式】
[0021] 在图1中，应变传感器安装在距离悬臂梁固定端i处，火工作动装置的活塞产生的 推力F作用于悬臂梁的B处，从而导致悬臂梁发生弯曲，应变片感应应力变化信号ε i，经信 号处理器处理并记录。在得到应变信号ε,_后，通过下面的公式计算得到推力F。
【主权项】
1. 一种微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统，其特征是：它采用悬臂梁式应 变传感器测量火工作动装置的推力特性，对应的动态推力测试系统组成包括被测火工作动 装置、火工作动装置固定夹具、悬臂梁、应变传感器、悬臂梁固定夹具、信号调理器、数据采 集系统、发火控制箱及电源，当微型火工作动装置的活塞开始运动并接触到悬臂梁时，推动 悬臂梁发生弯曲变形，应变传感器感应悬臂梁发生弯曲的应变大小并输出变化信号，再经 过信号调理器转换放大后传输给数据采集系统，再由提前得到的应力-应变标定曲线换算 可以获得微型火工作动装置动态的推力-时间关系。
2. 根据权利要求1所述的微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统，其特征是： 所述悬臂梁材料选自铍青铜、黄铜、钢中的至少一种，悬臂梁长度为6~10mm，宽度为1~ I. 5mm，厚度为 0· 5 ~2. 0mm。
3. 根据权利要求1所述的微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统，其特征是： 所述应变传感器宽度小于悬臂梁宽度的一半，以减小应变测量的边界效应。
4. 根据权利要求1所述的微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统，其特征是： 所述应变传感器的栅长和栅宽均小于1_，灵敏系数不小于2. 08,适用于活塞直径为0. 5~ 1.0 mm的推力装置的高瞬态推力测量。
5. 根据权利要求3所述的微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统，其特征是： 所述应变传感器在悬臂梁正反两面各粘贴一个，同步测量两面变形应变，以消除悬臂梁两 侧弯曲的曲率半径不同所造成的应变量误差，提高测量精度。
6. 根据权利要求1所述的微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统，其特征是： 所述微型火工作动装置固定夹具可以同时安装5个以上的微型火工作动装置，以提高测量 效率和测量条件一致性，在夹具垂直方向开有螺纹孔，微型火工作动装置通过通孔装入夹 具后用螺钉固定并使悬臂梁顶端对正微型火工作动装置。
【专利摘要】本发明公开了一种微型火工作动装置的高精度动态推力测试系统，其组成包括微型火工作动装置、合适强度的小尺寸悬臂梁、小尺寸应变传感器、信号调理器、数字采集系统和微型火工作动装置固定夹具等组成。相比传统的测量方法，本发明一次可以同时测量多个微型火工作动装置的运动特性，且一次推力测量可获得全行程的推力-时间关系，对被测样品的推动干扰影响小，具有测量系统安全稳定、测量精度高等特点。依据本发明的测试系统工作原理在精确测量火工作动装置的推力、位移等运动特性测试方法方面具有很好的推广应用前景。
【IPC分类】G01L5-00, G01L1-04, G01L1-06
【公开号】CN104634495
【申请号】CN201510067978
【发明人】严楠, 鲍丙亮, 张静伟, 张良, 高光泽, 王刚, 李朝振, 蒋俊, 程俊, 郑飞
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月9日