基于组合式铝蜂窝的无源测量冲击波能量的传感器装置的制作方法

本发明属于测量检测领域，特别涉及一种爆炸产生的冲击波参数测量的传感器，更具体地，是涉及一种利用材料吸能特性对爆炸冲击波能量进行测量的无源传感器装置。

背景技术：

在现有技术中，一般可以通过有源测量和无源测量两种方法来实现炸药爆炸产生的冲击波的压力、冲量、能量等参数测量。有源测量主要是依靠传统的各种电学传感器，虽然电学传感器测量技术相对成熟(市场上已有各类型号冲击波电测传感器)，但由于爆炸试验环境相对比较复杂，采用传统的电学传感器进行有源测量具有一定的局限性，尤其是在一些自然环境比较恶劣的条件下，比如沙漠、高原或者海岛上，无法布置精密电测装置或者布设难度很大、成本非常高；此外，炸药爆炸过程中产生的电磁干扰也会对电测传感器的使用产生一定的影响，从而可能使电测传感器无法获取信号，或者所获取的信号杂乱无章、信噪比下降，后续分析处理难度很大。因此，提供一种无源爆炸冲击波参数测量传感器，从而降低试验难度，提高冲击波测量结果的准确性和可靠性，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。

在现有无源测量技术中，主要有采用压电应力薄膜计(如石英压电晶体、pvdf聚偏二氟乙烯)、霍普金森杆、效应物等方法测量冲击波压力参数。但是，压电应力薄膜计存在需要布置信号放大器或者无线电设备转换器等一系列有源辅助设备测量的缺点；霍普金森杆测量爆炸冲击波波阵面的压力虽可无有源设备辅助测量，但是存在系统过于复杂的缺点；自然效应物只能定性测量冲击波的强度范围，如通过判断爆炸冲击波过后松木板断裂、玻璃破碎、小动物死亡等。此外，虽然可以通过设计相对精确的人工效应靶相对准确地实现冲击波参数无源测量，但是这些人工效应靶往往存在需要定期保养维护、测量后处理程序比较繁琐的缺点。

综上所述，上述技术至少存在如下技术问题：

1.在现有技术中，要实现在相对恶劣的自然环境中冲击波能量的测量，现有电测有源传感器存在布线困难，电磁干扰等难题。

2.现有无源测量技术具有或需电测设备辅助测量，或测量系统复杂，或测量后处理程序繁琐的特点。

实际上，冲击波能量的无源测量可以通过某些吸能材料的变形测量而获得，一些轻质结构(例如泡沫、蜂窝等)材料是比较理想的吸能材料。其中，铝蜂窝具有密度低、比强度高、压缩应变大和能量吸收能力强等特性，是一种较为理想的轻质结构材料，铝蜂窝在变形过程中，由于蜂窝孔壁的变形折叠，导致在特定冲击波范围内，应变增加而应力基本不变，这样一种特殊的应力-应变特性，使其可以用于能量的吸收和定量测量。铝蜂窝根据孔格形状可以分为三角形蜂窝、四边形蜂窝、六边形蜂窝等，根据使用形式可以分为单层蜂窝和组合式蜂窝。其中，组合式铝蜂窝结构是多层铝蜂窝直接叠加不添加固体隔板的组合体，即蜂窝层间能够发生相互嵌入作用的蜂窝组合体。在组合式铝蜂窝结构中，同类型或不同类型，甚至不同截面积的铝蜂窝试样均可以构成组合体，组合结构的类型将极大丰富，在吸收能量定量测量方面将不再受蜂窝类型的限制，可获得大量的不同能量-变形位移精确对应的表征关系，提高冲击波能量测量的精度。同时，组合式铝蜂窝结构稳定，性能可靠，可长期保存和使用，也非常适合用于制作传感器测量装置。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种利用组合式铝蜂窝制作吸能构件实现无源定量测量冲击波当地能量的装置，解决现有有源测量技术中，电测有源传感器存在布线困难，电磁干扰等难题；弥补现有无源测量技术中，或需电测设备辅助测量，或测量系统复杂，或测量后处理程序繁琐的缺点；可用于标准靶场、野外靶场以及其他更恶劣环境的炸药爆炸冲击波能量的测量，为冲击波参数测量提供一种新的参考选择。具有结构简单、成本低、抗电磁干扰能力强、布设快速、后结果处理方便等特点。

本发明提供一种新型冲击波当地能量无源测量传感器装置，利用组合式铝蜂窝吸能构件均匀塑性变形，通过将变形位移转化为吸能构件所吸收的冲击波能量，从而实现在恶劣自然环境下爆炸场冲击波能量的定量测量。

本发明由封装壳体、驱动滑块、组合式铝蜂窝吸能构件、固壁止位板、活动螺栓、密封挡环组成。定义封装壳体靠近爆炸点的一端为本发明的左端，远离爆炸点的一端为本发明的右端。驱动滑块、组合式铝蜂窝吸能构件位于封装壳体内，且驱动滑块、组合式铝蜂窝吸能构件、封装壳体同轴安装。驱动滑块紧贴组合式铝蜂窝吸能构件的左端面。固壁止位板通过活动螺栓固定在封装壳体右端，并对封装壳体右端面进行密封。密封挡环通过活动螺栓固定在封装壳体左端，以防止驱动滑块和组合式铝蜂窝吸能构件从封装壳体左端滑出。

封装壳体为圆筒或者为长方体盒子(没有左侧面和右侧面)，优选圆筒。当为圆筒时，外直径d1满足0.01m<d1<0.3m，壁厚t1满足0.001m<t1<0.1m，内直径为d1＝d1-2t1，长度l1满足0.01m<l1<1m；当为长方体盒子时，可参考圆筒参数按照截面积相等的原则进行处理。封装壳体采用金属材料或者有机玻璃等制成，要求材料满足：屈服强度σ1>100mpa，密度ρ1>1g/cm³。在封装壳体侧壁加工有阵列泄气孔，以保证封装壳体内的气体顺利排出，尽量减少气体对驱动滑块运动的影响。封装壳体用于承载驱动滑块和组合式铝蜂窝吸能构件，且保证驱动滑块可在封装壳体内自由无摩擦滑动(摩擦系数μ<0.05)。若封装壳体采用金属材料，可在侧壁沿轴向开一个长条形槽，长度l满足l3<l<l1，深度等于t1，宽度w满足0.01d1<w<0.1d1，通过长条形槽可观察驱动滑块、组合式铝蜂窝吸能构件、固壁止位板三者是否紧密接触。在封装壳体外侧壁沿轴向刻制或布置长度刻度尺，刻度尺分度值小于1mm，用于直接读取滑块位移，通过滑块位移即可换算当地冲击波能量值。

驱动滑块为圆柱形，直径d2满足0.9d1<d2<d1，厚度l2满足0.1l1<l2<0.3l1，厚度可依据实际测量需要进行调整。驱动滑块和封装壳体无摩擦滑动装配(摩擦系数μ<0.05)。驱动滑块采用合金材料制成，厚度和材料满足以其在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形为原则，具体的，要求材料满足：屈服强度σ2>200mpa，密度ρ2>2.0g/cm³。驱动滑块用于将空气中当地冲击波能量转换为自身的动能。驱动滑块两端面平行，且与封装壳体中轴线垂直。

组合式铝蜂窝吸能构件为圆柱形，直径d3满足0.3d2<d3<d2，以确保组合式铝蜂窝吸能构件整个横截面均受到驱动滑块的压缩，厚度l3＝l1-l2。组合式铝蜂窝吸能构件采用组合式铝蜂窝结构，由多层铝蜂窝直接叠加而成，要求驱动滑块在冲击波作用下对组合式铝蜂窝吸能构件进行压缩时，组合式铝蜂窝吸能构件产生塑性不可恢复变形；要求组合式铝蜂窝结构满足：屈服强度σ3<300mpa，密度ρ3<1.0g/cm³。组合式铝蜂窝吸能构件用于转换驱动滑块的动能，可将驱动滑块的动能转换为组合式铝蜂窝吸能构件的均匀塑性变形能。固壁止位板为圆形薄板，直径d4满足d1<d4<1.1d1，厚度t2满足0.1t1<t2<1.5t1。材料采用硬质合金，要求材料满足：屈服强度σ4>200mpa，密度ρ4>2.0g/cm³。基本原则是组合式铝蜂窝吸能构件变形时固壁止位板不产生塑性变形。固壁止位板通过活动螺栓固定在封装壳体的右端面。加工时应确保固壁止位板可以将组合式铝蜂窝吸能构件密封在封装壳体内。固壁止位板上也可开设阵列泄气孔，辅助保证壳体内部的气体顺利排出，不影响驱动滑块对组合式铝蜂窝吸能构件的压缩。固壁止位板用于限制组合式铝蜂窝吸能构件的一侧位移，并通过活动螺栓对其进行固定和拆卸，从而能够重新装载新的组合式铝蜂窝吸能构件，实现传感器的再次利用。

阵列泄气孔为圆形通孔，直径φ1满足0.05l2<φ1<0.5l2，封装壳体上的阵列泄气孔沿封装壳体环向和轴向均匀分布，环向分布数量为5～50个，轴向分布数量为10～100个，孔的总面积达到整个壳体面积的10％～50％。固壁止位板上的阵列泄气孔均匀分布，数量为5～20个，孔的总面积达到固壁止位板面积的10％～30％。阵列泄气孔可在驱动滑块压缩组合式铝蜂窝吸能构件时，及时、顺利排出封装壳体内部的气体。

密封挡环为圆环形，外直径尺寸与封装壳体匹配即可，外直径d5满足d1<d5<1.2d1；内径尺寸略小于驱动滑块内径，内直径d2满足0.9d2<d2<d2；厚度t3满足0.1t1<t3<1.2t1。材料采用硬质合金制成，要求材料满足：屈服强度σ5>200mpa，密度ρ5>2.0g/cm³。基本原则是密封挡环受到冲击波作用时不产生塑性变形。密封挡环用于确保将驱动滑块、组合式铝蜂窝吸能构件挡在封装壳体内，在运输和安装时保证驱动滑块不会从封装壳体从左端滑出，保证在爆炸点爆炸时驱动滑块只向压缩组合式铝蜂窝吸能构件方向移动。

若封装壳体为长方体盒子，驱动滑块、组合式铝蜂窝吸能构件也相应为长方体，固壁止位板为方形板，密封挡环则为方形挡环。参考封装壳体为圆筒时的参数按照截面积相等的原则进行处理，这只涉及简单的机械加工，不再辍述。

采用本发明进行爆炸场冲击波能量测量的过程是：

在冲击波能量测量开始前，确保驱动滑块和密封挡环紧密接触，驱动滑块、组合式铝蜂窝吸能构件、固壁止位板紧密接触，均无间隙；并确保驱动滑块和组合式铝蜂窝吸能构件同轴；阵列泄气孔通畅，无堵塞。将本发明整体牢固固定在支架上，并尽量保证爆炸点与本发明端面法线位于同一直线上，固定支架为细长杆，材料采用强度比较大的合金钢，支架直径和长度依据具体实验条件确定，支架下端固定在大地或者较重的支座上。

驱动滑块位于整个发明装置的左端，用于承受外部冲击波冲击载荷。驱动滑块和密封挡环之间是否紧密接触可以直接观察判断；驱动滑块与组合式铝蜂窝吸能构件间的界面、组合式铝蜂窝吸能构件与固壁止位板间的界面，通过封装壳体侧壁开的槽(若是机玻璃制成，则可直接观察)观察三者是否紧密接触；并通过读取在封装壳体外侧或者有机玻璃壳体上沿轴向刻制或布置的长度刻度尺，分别记录下两个交界面的具体位置。

实验开始时，爆炸点处发生爆炸，产生的冲击波在空间进行传播，当冲击波到达驱动滑块左侧表面时，对驱动滑块进行平面波脉冲加载。冲击波的能量传递给驱动滑块，并转化为驱动滑块的动能，从而驱动滑块开始压缩组合式铝蜂窝吸能构件和封装壳体中的气体，气体通过阵列泄气孔直接排出，不影响驱动滑块的运动。

初始时刻组合式铝蜂窝吸能构件左端面位置为x1，经爆炸冲击后，左端面运动到x2，通过刻度尺判读得到x1和x2，驱动滑块压缩组合式铝蜂窝吸能构件产生的塑性变形位移量为δx＝x2-x1(x1、x2和δx单位均为m)。判读时应确保驱动滑块与组合式铝蜂窝吸能构件间的界面、组合式铝蜂窝吸能构件与固壁止位板间的界面均紧密接触。通过动态加载技术标定本发明的能量灵敏度系数为k(单位为kg·m/s²)，根据位移量δx和系数k计算得到组合式铝蜂窝吸能构件的塑性变形能e＝k·δx，进而获得驱动滑块的动能，由于驱动滑块不会产生塑性变形，因此驱动滑块的动能就是爆炸点处炸药爆炸引起的空气冲击波传递给传感器的能量，从而实现冲击波能量的无源测量。

实验结束后，组合式铝蜂窝吸能构件可以通过将封装密封挡环的活动螺栓卸下，将驱动滑块从封装壳体中取出后装入，实现传感器的再次利用。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明通过封装壳体上预先刻制或布置的长度刻度尺可读取组合式铝蜂窝吸能构件的压缩变形位移量δx，根据能量灵敏度系数可很方便地得到爆炸场冲击波在传感器处的能量，完成在爆炸冲击环境下的爆炸场冲击波能量的定量测量。

2.本发明的组合式铝蜂窝吸能构件由多层铝蜂窝叠加而成，这种叠加特性使得组合式铝蜂窝吸能构件可以形成较为丰富的组合形式，可以实现对强度高、中、低的冲击波均有比较高的响应灵敏度，由于一般情况下，蜂窝层间相互作用低于单层蜂窝作用，因此可以形成蜂窝作用力的阶梯响应，从而能够适用于爆炸近场、中场、远场冲击波能量的测量。

3.本发明具有结构简单，无需供电，布设使用方便，结果简单直观，使用成本低，且可重复使用等特点。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图。

图2是本发明爆炸冲击前的轴向剖视图。

图3是本发明爆炸冲击后的轴向剖视图。

图4是封装壳体1的三维示意图。

附图标记说明：

1.封装壳体，2.驱动滑块，3.组合式铝蜂窝吸能构件，4.阵列泄气孔，5.固壁止位板，6.活动螺栓，7.密封挡环，8.爆炸点，9.长条形槽，10.长度刻度尺。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明专利，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明所提供的无源测量冲击波能量传感器的总体结构示意图。如图1所示。

本发明由封装壳体1、驱动滑块2、组合式铝蜂窝吸能构件3、固壁止位板5、活动螺栓6、密封挡环7组成。本发明靠近爆炸点8的一端为本发明的左端，本发明远离爆炸点8的一端为右端。驱动滑块2、组合式铝蜂窝吸能构件3位于封装壳体1内，且驱动滑块2、组合式铝蜂窝吸能构件3、封装壳体1同轴安装。驱动滑块2紧贴组合式铝蜂窝吸能构件3的左端面。固壁止位板5通过活动螺栓6固定在封装壳体1右端，并对封装壳体1右端面进行密封。密封挡环7通过活动螺栓6固定在封装壳体1左端。

如图2所示，封装壳体1为圆筒形，外直径d1满足0.01m<d1<0.3m，壁厚t1满足0.001m<t1<0.1m，内直径为d1＝d1-2t1，长度l1满足0.01m<l1<1m。封装壳体1采用金属材料或者有机玻璃等制成，要求材料满足：屈服强度σ1>100mpa，密度ρ1>1g/cm³。在封装壳体1侧壁加工有阵列泄气孔4。封装壳体1用于装载驱动滑块2和组合式铝蜂窝吸能构件3，且保证驱动滑块2可在封装壳体1内自由无摩擦滑动(摩擦系数μ<0.05)。封装壳体1采用金属材料时，封装壳体1侧壁沿轴向开有一个长条形槽9，长度l满足l3<l<l1，深度等于t1，宽度w满足0.01d1<w<0.1d1，通过长条形槽9可观察驱动滑块2、组合式铝蜂窝吸能构件3、固壁止位板5三者是否紧密接触。在封装壳体1外侧壁沿轴向刻制或布置长度刻度尺10，刻度尺分度值小于1mm。

驱动滑块2为圆柱形，直径d2满足0.9d1<d2<d1，厚度l2满足0.1l1<l2<0.3l1，厚度可依据实际测量需要进行调整(以其在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形为原则)。驱动滑块2采用合金材料制成，要求材料满足：屈服强度σ2>200mpa，密度ρ2>2.0g/cm³。驱动滑块2用于将空气中当地冲击波能量转换为自身的动能。驱动滑块2两端面平行，且与封装壳体1中轴线垂直。

组合式铝蜂窝吸能构件3为圆柱形，直径d3满足0.3d2<d3<d2，以确保组合式铝蜂窝吸能构件3整个横截面均受到驱动滑块2的压缩，厚度l3＝l1-l2。组合式铝蜂窝吸能构件3采用多层铝蜂窝叠加而成，要求铝蜂窝满足：屈服强度σ3<300mpa，密度ρ3<1.0g/cm³。组合式铝蜂窝吸能构件3用于转换驱动滑块2的动能，可将驱动滑块2的动能转换为组合式铝蜂窝吸能构件3的均匀塑性变形能。

阵列泄气孔4为圆形通孔，加工在封装壳体1侧壁或固壁止位板5上，直径φ1满足0.05l2<φ1<0.5l2，加工在封装壳体1上的阵列泄气孔4沿封装壳体1环向和轴向均匀分布，环向分布数量为5～50个，轴向分布数量为10～100个，孔的总面积达到整个壳体面积的10％～50％。加工在固壁止位板5上的阵列泄气孔4均匀分布，数量为5～20个，孔的总面积达到固壁止位板面积的10％～30％。阵列泄气孔4可在驱动滑块2压缩组合式铝蜂窝吸能构件3时，及时、顺利排出封装壳体1内部的气体。

固壁止位板5为圆形薄板，直径d4满足d1<d4<1.1d1，厚度t2满足0.1t1<t2<1.5t1。材料采用硬质合金制成，要求材料满足：屈服强度σ4>200mpa，密度ρ4>2.0g/cm³。基本原则是组合式铝蜂窝吸能构件3变形时固壁止位板5不产生塑性变形。固壁止位板5通过活动螺栓6固定在封装壳体1的右端面。加工时应确保固壁止位板5可以将组合式铝蜂窝吸能构件3密封在封装壳体1内。固壁止位板5上也可开设阵列泄气孔，辅助保证壳体内部的气体顺利排出，不影响驱动滑块2对组合式铝蜂窝吸能构件3的压缩。固壁止位板5用于限制组合式铝蜂窝吸能构件3的一侧位移，并通过活动螺栓6对其进行固定和拆卸，从而能够重新装载新的组合式铝蜂窝吸能构件3，实现传感器的再次利用。

密封挡环7为圆环形，外直径尺寸与封装壳体1匹配即可，外直径d5满足d1<d5<1.2d1；内直径d2略小于驱动滑块2直径d2，内直径d2满足0.9d2<d2<d2；厚度t3满足0.1t1<t3<1.2t1。材料采用硬质合金制成，要求材料满足：屈服强度σ5>200mpa，密度ρ5>2.0g/cm³。基本原则是密封挡环7受到冲击波作用时不产生塑性变形。密封挡环7用于确保将驱动滑块2、组合式铝蜂窝吸能构件3挡在封装壳体1内，在运输和安装时保证驱动滑块2不会从封装壳体1从左端滑出，保证在爆炸点8爆炸时驱动滑块2只向压缩组合式铝蜂窝吸能构件3方向移动。

组合式铝蜂窝吸能构件3可以通过将封装密封挡环7的活动螺栓6卸下，将驱动滑块2从封装壳体1中取出后装入，实现传感器的再次利用。

以上实施范例仅为本发明的一种实施方式。其具体结构和尺寸可根据实际需要进行相应的调整。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明专利的保护范围。