一种小孔径滑膛长身管内径测量装置的制作方法

本实用新型涉及滑膛管内径测量系统，特别是一种小孔径滑膛长身管内径测量装置。

背景技术：

在滑膛炮炮管加工及研究材料高压物态方程的动高压加载实验等领域，如何对火炮、轻气炮炮管的内径进行精确测量是炮管加工和使用时最为关心的问题，精确测量炮管内径对控制弹丸飞行姿态、提高命中精度紧密相连。因此，滑膛炮管内径测量技术一直是军工生产单位、兵器研究部门和科研院所关心的热点。

目前，滑膛管内径测量设备按测量方式划分主要有两类：机械式测量设备和光学式测量设备。机械式测量设备为接触测量设备，以通止量规、内径千分尺、内径百分表为主，通止量规测量数据为定性数据，而内径千分尺和内径百分表的测量深度有限。基于三角技术和激光位移传感器的光学式内径测量设备是目前较为常见的滑膛管内径精密光学测量设备。这些测量设备均为非接触式测量设备，其测头内腔中需要紧凑安装大量长宽尺寸几乎都在数十毫米量级的光学组件，如激光器、准直透镜、CCD(或CMOS)和激光位移传感器等。由于其测径结果与准直透镜放置角度、透镜组间相互距离等参数关联，必须在安装后对这些参数进行精确的测量。因此，目前常见的光学式内径测量设备一般适用于测量内径大于Ф50.0mm的滑膛管，在设计适于测量内径小于Ф50.0mm的滑膛管时，需要有效利用内腔空间布置光学组件，测头设计的难度是非常大的。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种小孔径滑膛长身管内径测量装置。计算机向测量主机中的数字采集卡传送数字控制信号，由数据采集卡的数字输出通道向两只光纤光开关发送数字控制信号，进行光纤链路的同步切换。完成通道切换后，光源发射的光延指定光纤链路、通过第一光纤光开关、光纤环形器向指定的光纤探头输送。光从光纤探头向待测管内圆截面发射，经目标反射后成为信号光，与光纤探头端面反射的参考光进行光干涉；光干涉信号经同轴传输后经第二光纤光开送入光电探测器进行记录。为后续小孔径滑膛长身管内径测量提供基础数据。

本实用新型采用的技术方案是这样的：

一种小孔径滑膛长身管内径测量装置、包括：

测头机构，可在待测管内部进行定心，接收测量主机发送的光，并将光干涉信号返回至测量主机；

测量主机，用于控制光纤链路的切换，根据计算机发送的数字控制信号，其数据采集卡的数字输出通道向第一、第二光纤光开关发送数字控制信号，进行光纤链路的同步切换；完成第一、第二光纤光开关对应通道同步切换后，光源发射的光依次经过第一光纤光开关、光纤环形器输出至指定的光纤探头；光从光纤探头向待测管内壁发射，经待测管内壁反射后成为信号光，与光纤探头端面反射的参考光进行光干涉，然后将光纤探头的光干涉光强信号送入光电探测器；

光电探测器，用于记录测量主机输出的光干涉光强信号，并将干涉光强信号传递给计算机；

计算机，用于向测量主机中的数字采集卡传送数字控制信号，并同时接受光电探测器传递的干涉光强信号进行数据处理，得到计算机得到待测管内圆截面内径，即小孔径滑膛长身管内径；

进一步的，所述测头机构包括用于使测头机构几何中心与待测管内圆截面截面中心重合的定心机构、用于固定安装光纤探头的光学测量机构以及光纤探头；其中所述定心机构圆柱面与光学测量机构圆环面套接；所述定心机构包括两组三点定位装置、机构主体、隔离板和后盖；所述机构主体是一端面为空、一端为一封闭的中空圆柱体；所述三点定位装置包括两组定心支脚、两个锥形滑块以及两个弹簧；所述每组定心支脚数量至少为3个；所述定心支脚底端为外径大于机构主体侧面通孔内径的半球体，半球体平面中心上设置圆柱体，所述圆柱体轴线与半球体轴线重合；圆柱体另一平面上设置直径与圆柱体直径相同的半球体，所述半球体轴线与圆柱体轴线重合；锥形滑块是锥体与圆柱体一端面重合的结构，其中锥形体与圆柱体底面轴线重合。

进一步的，所述光纤探头数量不少了5个。

进一步的，所述光学测量机构包括探头安装座、光纤保护罩和光纤保护管；所述探头安装座为设置阶梯端面的中空圆柱体，所述中空圆柱体一端面为空，一端面封闭；探头安装座中封闭端面部分，沿探头安装座轴线设置保护光纤的凹槽；定心机构套接于探头安装座端面为空的部分；定心机构主体的封闭圆柱体直径与探头安装座端面为空部分的圆环面内径相等；光纤保护罩为一端面为空、一端封闭的中空圆柱体，所述光纤保护罩封闭端面上设置与探头安装座凹槽对应的通孔；光纤保护罩端面为空部分的直径与探头安装座封闭端直径相等。

进一步的，所述测量主机包括数据采集卡、光源、第一光纤光开关、与第一光纤光开关输出端口对应数量的光纤环形器、以及第二光纤光开关；第二光纤光开关输入端口数量与光纤环形器数量对应。

进一步的，所述第一传输光纤、第二传输光纤、光电探测器、光源、第一光纤光开关、光纤环形器、光纤探头和第二光纤光开关之间的光纤均为单模光纤，相互间均采用光纤连接器进行连接。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

经多次实验验证，该测量系统可获得口径不小于Ф50.0mm的滑膛管内壁相关数据，测量深度可达数米(10m以上)，所测量得到的内径误差不大于0.01mm，分辨力不小于0.001mm。

相对于传统光学式内径探测测量设备而言，本实用新型在保证测量精度不降低的基础上，减小了测头的体积，使其在小口径滑膛管内径测量问题上有较强的优势。从技术方案阐述可知，该传感装置中的参考光和信号光经过同轴传输后到达光谱仪记录，这种光纤共轴式结构有助于避开环境温度震动等因素对测量的影响，抗干扰能力强，实用化程度高。

附图说明

图1是本发明滑膛管内径测量系统的结构示意图。

图2a是本发明测头机构的结构示意图一。

图2b是本发明测头机构的结构示意图二。

图3为本发明光学测距系统的结构示意图。

图4是本测量原理说明示意图。

1-测头机构 2-光纤连接器 3-第一传输光纤Ⅰ 4-测量主机

5-传输光纤Ⅱ 6-光电探测器 7-控制线缆 8-计算机

9-机械定心机构 10-光学测量机构 11-后盖 12-锥形滑块

13-弹簧 14-隔离板 15-紧定螺丝Ⅰ 16-定心支脚

17-机构主体 18-对接螺孔 19-紧定螺丝Ⅱ 20-光纤保护管

21-光纤保护罩 22-探头安装座 23-探头安装孔 24-对接通孔

25-光源 26-第一光纤光开关Ⅰ 27-光纤环形器 28-光纤探头 29-管内膛 30-第二光纤光开关Ⅱ 31-数据采集卡 32.测量数据点

33-待测截面内圆面 34-标准环规内圆面

35-探头安装孔所在圆柱外圆 36.拟合截面内圆。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本发明相关说明：

1、待测管内圆截面指的是光纤探头所构成平面与被测的小口径(内径小于Ф50.0mm)滑膛长身管(长度大于10m)及深孔相交的截面。

2、待测管内圆截面中心指的是与待测管内圆截面的几何中心。小孔径滑膛长身管为待测管。

3、标准光面环规的内径与光学测量机构探头安装孔所在截面的外圆外径之差不大于+0.08mm。旋转测量次数不少于20次。

本实用新型组成：

测头机构，可在待测管内部进行定心，接收测量主机发送的光，并将光干涉信号返回至测量主机；

测量主机，用于控制光纤链路的切换，根据计算机发送的数字控制信号，其数据采集卡的数字输出通道向第一、第二光纤光开关发送数字控制信号，进行光纤链路的同步切换；完成第一、第二光纤光开关对应通道同步切换后，光源发射的光依次经过第一光纤光开关、光纤环形器输出至指定的光纤探头；光从光纤探头向待测管内壁发射，经待测管内壁反射后成为信号光，与光纤探头端面反射的参考光进行光干涉，然后将光纤探头的光干涉光强信号送入光电探测器；

光电探测器，用于记录测量主机输出的光干涉光强信号，并将干涉光强信号传递给计算机；

计算机，用于向测量主机中的数字采集卡传送数字控制信号，并同时接受光电探测器传递的干涉光强信号进行数据处理，得到计算机得到待测管内圆截面内径，即小孔径滑膛长身管内径；

所述测头机构包括用于使测头机构几何中心与待测管内圆截面中心重合的定心机构、用于固定安装光纤探头的光学测量机构以及光纤探头；其中所述定心机构圆柱面与光学测量机构圆环面套接；所述定心机构包括两组三点定位装置、机构主体、隔离板和后盖；所述机构主体是一端面为空、一端为一封闭的中空圆柱体；所述三点定位装置包括两组定心支脚、两个锥形滑块以及两个弹簧；所述每组定心支脚数量至少为3个；所述定心支脚底端为外径大于机构主体侧面通孔内径的半球体，半球体平面中心上设置圆柱体，所述圆柱体轴线与半球体轴线重合；圆柱体另一平面上设置直径与圆柱体直径相同的半球体，所述半球体轴线与圆柱体轴线重合；锥形滑块是锥体与圆柱体一端面重合的结构，其中锥形体与圆柱体底面轴线重合；光纤探头数量不少了5个。所述定心机构的安装方式为：第一组定心支脚从定心机构主体内部安装至定心机构主体侧面的通孔中，第一锥形滑块的锥面与第一组定心支脚底端半球体面贴合；第一锥形滑块底端面一侧放置第一弹簧；第一弹簧另一侧放置挤压第一弹簧的隔离板，隔离板(14)螺纹孔与机构主体通孔对齐，用紧定螺丝将隔离板螺纹孔与机构主体通孔固定连接；然后依次放置第二弹簧以及第二锥形滑块，将第二组定心支脚从机构主体的内部安装至机构主体侧面的通孔内；第二锥形滑块的锥面与第二组定心支脚底端半球体面贴合；最后拧紧后盖，完成定心机构的安装。

所述光学测量机构包括探头安装座、光纤保护罩和光纤保护管；所述探头安装座为设置阶梯端面的中空圆柱体，所述中空圆柱体一端面为空，一端面封闭；探头安装座中封闭端面部分，沿探头安装座轴线设置保护光纤的凹槽；定心机构套接于探头安装座端面为空的部分；定心机构主体的封闭圆柱体直径与探头安装座端面为空部分的圆环面内径相等；光纤保护罩为一端面为空、一端封闭的中空圆柱体，所述光纤保护罩封闭端面上设置与探头安装座凹槽对应的通孔；光纤保护罩端面为空部分的直径与探头安装座封闭端直径相等；安装顺序为：光纤探头依次穿过光纤保护管、光纤保护罩通孔、探头安装座凹槽，然后固定于探头安装座上的探头安装孔内；探头安装座套接固定于光纤保护罩中；将光纤探头的外护套粘接至光纤保护管内壁，并将光纤保护管粘接至光纤保护罩的通孔上；定心机构上的封闭圆柱体与光学测量机构上端面为空的圆环面适配，用紧定螺钉将圆柱体螺纹孔和圆环面通孔固定连接，机械定心机构和光学测量机构合为一体，完成测头组装。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。