专利名称：火工分离装置分离特性的一种高精度测量方法
技术领域：
涉及一种作功火工品运动特性、特别是火工分离装置分离特性的高精度测量方 法，作功火工品包括火工分离装置、推销器、拔销器、切割器、爆炸开关、爆炸阀门及类似火 工装置，火工分离装置又称爆炸分离装置包括各类爆炸螺栓、爆炸螺母及类似的火工分离 装置。火工分离特性参数包括物体位移-时间关系、分离时间、分离速度、分离加速度、分离冲量。
背景技术：
火工分离装置是飞行器和运载工具中常用的分离机构，其分离共性是分离部件被 火工动力源驱动后直线运动，并与分离系统脱离，当分离装置的结构定型后，其分离部件 从起始运动到完全分离的距离为定值。与非火工分离装置相比，其分离时间短，一般小于 50ms ο随着航天技术的迅速发展，各类分离系统对火工分离装置的分离时间、同步性等 性能参数的要求越来越高，相应地，就需要精度更高的可靠测量手段来评价其分离特性。现 有的分离特性测量方法主要是通-断靶线法，但这种方法容易受电路信号干扰，且测量精
度一般。为了提高火工分离装置分离特性的测量精度，本发明提出应用激光位移传感器测 量火工分离装置的分离特性。主要考虑到激光位移传感器的测量原理是由激光传感器探头 发射激光，通过特殊的透镜汇聚成一个直径极小的光束，此光束被测量表面漫反射到一个 分辨率极高的CCD探测器上，通过CCD所感应到光束位置的不同，可精确测量被测物体位置 的变化。激光位移传感器的选用一般根据火工分离装置结构的实际情况。例如对于分离距 离不超过IOOmm的爆炸螺栓分离装置，可选用微型三角反射激光位移传感器，其线性量程 为100mm，绝对误差彡士0.2%，分辨率0.03% FS0，响应频率为37kHz，信号输出士 10V，测 量信号不用放大可直接被数据采集系统采集处理。鉴于火工分离装置的分离特性与激光位移传感器的高精度特性，可根据火工分离 装置结构尺寸，预先计算分离部件的分离距离，然后应用激光位移传感器测量分离部件的 位移_时间曲线。最后，对实测位移_时间曲线进行分析与后处理即可得到火工分离装置 的分离时间、分离速度、分离加速度、分离冲量等分离特性。这个测量方法不但可以同时得 到火工分离装置的多个分离特性参数，也避免了传统测量方法存在的因电信号干扰而引起 的测量误差，大大提高了测量精度。这也是本发明提出的思路。
发明内容
为了提高火工分离装置分离性能的测量精度，本发明提出采用激光位移传感器测 量火工分离装置的分离特性，设计激光反射板并安装激光位移传感器，应用合适的数据采 集系统，即可准确地测量出火工分离装置的分离特性。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
(1)利用激光位移传感器实时测量火工分离装置的分离特性参数，分离特性参数 包括火工分离装置位移-时间关系、分离时间、分离速度、分离加速度、分离冲量，利用激光 位移传感器测量火工分离装置分离特性是一种间接测量方法，不直接接触火工分离装置， 不会影响被测火工分离装置的运动特性。(2)按照本发明的测量思路，设计一个火工分离装 置的分离特性测量系统，其组成包括被测火工分离装置、反射板、激光位移传感器、激光位 移传感器的固定支架、数据采集系统、发火控制箱及电源，其中火工分离装置的分离部件通 过螺纹与反射板固定连接；激光位移传感器安装在固定支架上并与数据采集系统连接，当 火工分离装置的分离部件开始运动时，激光位移传感器开始采集反射板的运动信号并传送 给数据采集系统。(3)本发明采用的激光位移传感器的精度为0.2%、测量精度高于目前其 它的位移传感器，数据采集系统的精度为0. 25%，经标定后，本测量系统的相对标准不确定 度为0.184%，其测量精度高于目前其他火工分离特性测量方法的精度。(4)因为移动物体 的运动方向是预先可知的或可控制的，所以可以将激光位移传感器安装在被测火工分离装 置的背向移动方向的位置，且与被测物体之间有防撞隔板防护，当火工分离装置分离运动 时，其运动方向是逐渐远离激光位移传感器的方向，如此可以保证火工分离装置分离部件 运动方向不会碰撞和损坏激光位移传感器，能够防止爆炸测试过程造成对传感器的损坏危 险。(5)为了保证测量结果的准确性，使用带有刻度的滑轨和直角固定架固定安装激光位 移传感器，使其在分离部件运动方向的背面，通过滑轨与直角固定架分别调整传感器的水 平位置与竖直高度，保证传感器发射出的测量激光束与反射板的运动方向在同一直线上， 且二者距离在激光位移传感器的最佳测量范围之内，激光位移传感器的这种安装方法不会 影响被测火工分离装置原有的结构、尺寸和分离特性。(6)在火工分离装置的分离部件上安 装一个反射板，反射板的要求是垂直激光束入射轴线方向，其作用是接收并反射激光位移 传感器发出的激光束，这种安装方法不仅不会破坏火工分离装置分离部件的原来结构和尺 寸，也不会影响火工分离装置分离部件原有的运动特性，本发明在测量爆炸螺栓分离特性 的案例中设计了一块圆形反射板，其直径为80mm，通过螺纹与火工分离装置的分离部件固 定连接。本发明的有益效果此种测量火工分离装置分离特性的方法，兼顾了测量结构安 装简单，测量系统安全稳定和测量精度高的三大特性，与此方法配套使用的测量系统的相 对标准不确定度为0. 184%,相比传统的测量方法，其测量性能更稳定，精度更高。这种方法 不但可高精度地测量火工分离装置的位移_时间关系、分离时间、分离速度、分离加速度、 分离冲量，还可普遍应用于其他作功火工品运动部件的运动特性的测量，在精确测量火工 分离装置分离运动特性的测试和研究方面有很好的应用前景。
图1是激光位移传感器的工作原理示意图。图中SMR(测量最小间距)是激光位 移传感器所能测到物体运动情况的最小工作距离，MR(测量范围)是激光位移传感器基于 SMR基础之上的有效测量距离，超过此距离后，激光位移传感器达到最大量程。图2是位移传感器固定座的结构尺寸图。图3是解锁螺栓分离前与分离后的状态。图中a为初始状态，b为完全分离状态。图4是基于本发明设计的火工分离装置的分离特性测量系统结构图。图中1.起爆
4器；2.火工分离装置示意结构；3.火工分离装置的分离部件；4.反射板；5.分离部件的分 离距离(分离部件运动L之后完全与火工分离装置本体分离)。6.激光位移传感器；7.数 据采集系统；8.发火控制箱；9.恒流电源；10.数据采集系统电源；图5是分离运动部件的典型位移_时间曲线以及求导所得的速度_时间曲线、加 速度-时间曲线。
具体实施例方式(1)利用激光位移传感器实时测量火工分离装置的分离特性参数，分离特性参数 包括火工分离装置位移-时间关系、分离时间、分离速度、分离加速度、分离冲量，利用激光 位移传感器测量火工分离装置分离特性是一种间接测量方法，不直接接触火工分离装置， 不会影响被测火工分离装置的运动特性。(2)按照本发明的测量思路，设计一个火工分离 装置的分离特性测量系统，其组成包括被测火工分离装置、反射板、激光位移传感器、激光 位移传感器的固定支架、数据采集系统、发火控制箱及电源，其中火工分离装置的分离部件 通过螺纹与反射板固定连接，激光位移传感器安装在固定支架上并与数据采集系统连接， 当火工分离装置的分离部件开始运动时，激光位移传感器开始采集反射板的运动信号并传 送给数据采集系统。(3)本发明采用的激光位移传感器的精度为0.2%、测量精度高于目 前其它的位移传感器，数据采集系统的精度为0. 25%，本测量系统的相对标准不确定度为 0.184%，其测量精度高于目前其他火工分离特性测量方法的精度。(4)因为移动物体的运 动方向是预先可知的或可控制的，激光位移传感器的安装位置是背向被测火工分离装置的 移动方向，且与被测物体之间有防撞隔板防护，当火工分离装置分离运动时，其运动方向是 逐渐远离激光位移传感器的方向，如此可以保证火工分离装置分离部件运动方向不会碰撞 和损坏激光位移传感器，能够防止爆炸测试过程造成对传感器的损坏危险。(5)为了保证测 量结果的准确性，使用带有刻度的滑轨和直角固定架固定安装激光位移传感器，使其在分 离部件运动方向的背面，通过滑轨与直角固定架分别调整传感器的水平位置与竖直高度， 保证其与反射板的运动方向在同一直线上，且二者距离在激光位移传感器的最佳测量范围 之内，激光位移传感器的这种安装方法不会影响被测火工分离装置原有的结构、尺寸和分 离特性。(6)在火工分离装置的分离部件上安装一个反射板，反射板的要求是垂直激光束 入射轴线方向，其作用是接收并反射激光位移传感器发出的激光束，这种安装方法不仅不 会破坏火工分离装置分离部件的原来结构和尺寸，也不会影响火工分离装置分离部件原有 的运动特性，本发明在测量爆炸螺栓分离特性的案例中设计了一块圆形反射板，其直径为 80mm，通过螺纹与火工分离装置的分离部件固定连接。在图1中，激光位移传感器由探头发射激光，通过特殊的透镜汇聚成一个直径极 小的光束，此光束被反射板的表面漫反射到一个分辨率极高的CCD探测器上，通过CCD所感 应到光束位置的不同，可精确测量火工分离装置分离部件的位移_时间关系。图2中位移传感器固定座的所有尺寸是由位移传感器的尺寸和安装要求确定的， 材料采用45#钢。位移传感器通过三个直径为4mm螺钉固定在位移传感器固定座上，然后 通过两个直径为6的螺栓一起固定在直角固定架上。图3是被测解锁螺栓分离前与分离后的状态。图中a为初始状态，b为完全分离 状态。
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在图4中，测量火工分离装置分离特性前，先根据分离装置的结构特征计算L的长 度；然后按照图4连接测量系统的线路。根据起爆器(1)的额定发火条件以及测量系统电 路的电阻，调节直流电源(9)的电压大小；当打开发火控制箱(8)的开关时，与火工分离装 置(2)连接的起爆器(1)开始发火，同时发火控制箱(8)的发火信号触发数据采集系统(7) 并使其工作通道开始采集各路信号；起爆器(1)发火后迅速产生高温高压气体推动分离装 置工作，当火工分离装置的分离部件(3)开始运动时，固定连接在其上的反射板(4)也随 之同时运动，激光位移传感器(6)开始采集反射板(5)的运动信号并传送给数据采集系统 (7)，当火工分离装置的分离部件(3)运动距离L(5)之后，其完全实现分离，同时激光位移 传感器(6)采集完分离部件(3)在此分离过程中位移情况，并在数据采集系统(7)上产生 位移-时间曲线，同时激光位移传感器(6)继续采集火工分离装置分离部件(3)的运动情 况，直至反射板(5)与分离部件(3)因重力加速度下落消失在激光束可射击范围之内。整 个火工分离运动过程中，电源(10)给数据采集系统(7)供电，恒流电源(9)给激光位移传 感器(6)以及发火控制箱(8)提供各自所需的恒定电流。在图5中，位移_时间曲线是用激光位移传感器所测得的火工分离装置分离部件 的位移_时间曲线，在其纵坐标上，从位移起点开始，当增量为L时，对应的横坐标值即火工 分离装置的分离时间。对位移-时间曲线求导后，可得到分离部件的速度-时间曲线，在此 曲线上可得到火工分离装置的分离部件在运动初始阶段一直加速运动；当分离部件开始剪 切定位销时，由于突然受到定位销的阻力而开始减速，直到完全剪断剪切销后又开始加速 运动；当分离部件与分离装置主体完全分离后，由于不再受到高温高压气体的作用推力，反 而受到空气阻力，因此分离部件开始减速运动。如果对速度_时间曲线进一步求导，可得到 火工分离装置分离部件的加速度-时间曲线；基于冲量定理和速度-时间曲线，还可间接得 到火工分离装置分离过程中的分离冲量。
权利要求
一种测量火工分离装置分离特性的方法，其特征是它是采用激光位移传感器测量火工分离装置的分离特性，分离特性参数包括位移 时间关系、分离时间、分离速度、分离加速度、分离冲量。
2.根据权利要求1所述的测量火工分离装置分离特性的方法，其特征是对应的分离 特性测量系统组成包括被测火工分离装置、反射板、激光位移传感器、激光位移传感器的固 定支架、数据采集系统、发火控制箱及电源，其中火工分离装置的分离部件与反射板固定连 接，激光位移传感器安装在固定支架上并与数据采集系统线路连接，当火工分离装置的分 离部件开始运动时，激光位移传感器开始采集反射板的运动信号并传送给数据采集系统。
3.根据权利要求1或2所述的测量火工分离装置分离特性的方法，其特征是采用的 激光位移传感器的位移测量精度高于目前其它的位移传感器。
4.根据权利要求1或2所述的测量火工分离装置分离特性的方法，其特征是激光位 移传感器与被测火工分离装置之间有防撞隔板，激光位移传感器的安装位置背向被测火工 分离装置分离部件的运动方向。
5.根据权利要求4所述的测量火工分离装置分离特性的方法，其特征是激光位移传 感器的安装不会影响被测火工分离装置原有的结构、尺寸和分离特性。
6.根据权利要求1或2所述的的测量火工分离装置分离特性的方法，其特征是反射 板的安装可以正确反射位移传感器发出的激光束，不会影响火工分离装置分离部件原有的 运动特性。
全文摘要
一种火工分离装置分离特性的高精度测量方法，兼顾了测量结构安装简单，测量系统安全稳定和测量精度高的三大特性，与此方法配套使用的测量系统的相对标准不确定度为0.184％，相比传统的测量方法，其测量性能更稳定，精度更高。这种方法不但可高精度地测量火工分离装置的位移-时间关系、分离时间、分离速度、分离加速度、分离冲量，还可普遍应用于其他作功火工品运动部件的运动特性的测量，在精确测量火工分离装置分离运动特性的测试和研究方面有很好的应用前景。
文档编号G01P15/16GK101907444SQ20101022607
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月14日 优先权日2010年7月14日
发明者严楠, 何爱军, 叶耀坤, 曾雅琴, 毕文辉 申请人:北京理工大学