一种微型火工作动装置的高精度动态推力测试方法
【专利说明】一种微型火工作动装置的高精度动态推力测试方法 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方法，特别是微型火工作动装置高 精度动态推力-时间关系的测试方法，属于火工品测试技术领域。
【背景技术】
[0002] 微型火工作动装置和悬臂梁组成的保险与解除保险机构被广泛应用于微机电系 统（MEMS)中，其设计方法的关系是对应一定弯曲强度-行程关系的悬臂梁来选择火工作动 器推力、行程及悬臂梁材料、尺寸、位移量等参数。其中火工作动器的推力-时间参数设计 是关键技术。传统的测量火工作动装置推力性能的方法有两种：推动重物法和压力传感器 法。推动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-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。从9发试验的测试结果看出，该活塞作动 器的输出推力峰值为598~755N之间，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行程的推力-时间关系性能评估。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 要探索新的测试原理才能解决上述的技术难题。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述测试方法中存在的不足，提高微型火工作动装置输出威力的测量精 度，本发明提出基于悬臂梁式应变传感器的测试方法，通过静态标定悬臂梁在弹性变形阶 段的应力-应变曲线，获得悬臂梁应力与应变传感器应变量的对应关系，再将贴有应变传 感器且应力-应变关系已知的悬臂梁作为推力动态测量传感器，即可精确测量微型火工作 动装置动态的推力-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] 基于悬臂梁式应变传感器的应变测试原理，通过静态标定悬臂梁在弹性变形阶段 的应力-应变曲线，获得悬臂梁应力与应变传感器应变量的对应关系，在火工作动装置内 的活塞开始运动时，推动悬臂梁发生弯曲，应变传感器感应悬臂梁发生弯曲量的应变-时 间变化信号并通过信号调理器转换并放大信号后传输给数据采集系统，再由得到的应 力-应变曲线计算获得微型火工作动装置动态的推力-时间关系。
[0008] 按照本发明的测量原理，设计一个基于悬臂梁传感器的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 粘结剂粘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，悬臂 梁表面的应变传感器开始采集应变信号并传送给数据采集系统。
[0009] 所选定的是悬臂梁尺寸、材料与实际引信保险与解除保险机构中的悬臂梁保持一 致，所测量的微型火工作动装置的输出推力-时间关系对应于实际作用过程中的推力-时 间关系，测量结果可直接用于微型火工作动装置推力评价。
[0010] 在应变片的下方和侧边统一设计一个标记线，在粘贴传感器时，保证应变片与悬 臂梁平齐。应变片的这种安装方法不会影响到火工作动装置原有的结构、尺寸和作动特性。
[0011] 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，引燃作功药剂释放 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。
[0012] 本发明的有益效果是：此种动态测量微型火工作动装置的推力-时间关系的方法 不改变火工作动装置原有的运动特性，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，测量精度高等特点。依据本发明的原理还可应用于各种尺寸 和推力的火工作动装置运动部件的推力测量。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。
【附图说明】
[0013] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0014] 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，CO为悬臂梁在力F 的作用下产生的位移，即火工作动装置的行程，0为悬臂梁变形产生的弯曲角度。
[0015] 图2是微型火工作动装置对悬臂梁作用前后的状态示意图，图中a为初始状态，b 为运动后的状态。
[0016] 图3是基于本发明设计的微型火工作动装置的作动特性测量系统结构示意图。
[0017] 图4是微型火工作动装置活塞的典型推力一时间曲线。
【具体实施方式】
[0018] 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ei，经信 号处理器处理并记录。在得到应变信号^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方法，其特征是：基于悬臂梁式应变 传感器的应变测试原理，通过静态标定悬臂梁在弹性变形阶段的应力-应变曲线，获得悬 臂梁应力与应变传感器应变量的对应关系，在火工作动装置内的活塞开始运动时，推动悬 臂梁发生弯曲，应变传感器感应悬臂梁发生弯曲量的应变-时间变化信号并通过信号调理 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方法，其特征是： 所选定的悬臂梁尺寸、材料与实际引信保险与解除保险机构中的悬臂梁保持一致，所测量 的微型火工作动装置的推力-时间关系对应于实际作用过程中的推力-时间关系，测量结 果可直接用于微型火工作动装置推力评价。
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方法，其特征是： 通过精确加载的外力静态标定悬臂梁式应变传感器应力-应变关系，获得悬臂梁应力与应 变传感器应变量的对应关系，精确测量微型火工作动装置动态的推力-时间关系。
【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方法，基于悬臂梁式应变传感器的应变测试原理，通过静态标定悬臂梁在弹性变形阶段的应力-应变曲线，获得悬臂梁应力与应变传感器应变量的对应关系，设计一种悬臂梁来安装固定传感器，应用合适的数据采集系统，精确测量微型火工作动装置动态的推力-行程关系。与传统的向上推动重物法、压力传感器法等推力测量方法相比，本发明具有一次推力测量可获得全行程的推力-时间变化关系，对被测样品的推力干扰影响小、测量精度高等特点。依据本发明的原理还可应用于各种尺寸和推力的火工作动装置运动部件的推力测量。
【IPC分类】G01L5-00, G01L1-04, G01L1-06
【公开号】CN104655343
【申请号】CN201510067138
【发明人】严楠, 鲍丙亮, 王刚, 张静伟, 程俊, 郑飞, 吕智星, 高光泽, 李朝振, 蒋俊
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月9日