一种冲击波动压测试装置和方法

1.本发明涉及冲击波测试技术领域，具体涉及一种冲击波动压测试装置和方法。


背景技术：

2.冲击波的动压是指冲击波的高速气流在运动方向上产生的压力，其单位为pa。通常，动压用空气每单位体积的动能表示。冲击波的损伤效应主要是由静压的挤压和动压的冲击引起的。过去，在评估炸药的威力时，通常只考虑静态压力，而忽略动态压力。随着燃料-空气炸药(fae)、热压弹头等新型强力弹药的不断发展和技术突破，弹头的毁伤效率大大提高，动压的毁伤效果明显。动态压力会导致目标变形、平移和投掷，从而导致目标损伤。为有效评估爆炸场动压对目标或者毁伤单元的毁伤效应与机理，获得准确的动压数据非常重要。
3.目前，用于测试爆炸场冲击波动压的装置主要是通过两个压力压电式传感器分别测得总压与静压。但是，两个传感器在测量是无法保持一致性，导致测量准确度较低，且压电式传感器受电磁干扰严重、噪声大。


技术实现要素：

4.为此，本发明实施例提供一种冲击波动压测试装置和方法，以至少部分解决现有技术中冲击波动压测量准确性较低的问题。
5.为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
6.一种冲击波动压测试装置，包括：
7.舱体，所述舱体上开设有第一进气孔和第二进气孔；
8.柔性隔膜，所述柔性隔膜安装于所述舱体内，并将所述舱体分隔为相互独立的静压舱和总压舱，所述第一进气孔与所述静压舱相连通，所述第二进气孔与所述总压舱相连通；
9.光纤应变传感器，所述光纤应变传感器固定安装于所述柔性隔膜上，所述光纤应变传感器的光纤自所述舱体引出并与外置的光栅解调仪相连接，以实现数据传输。
10.在一些实施例中，所述舱体为分体式结构，所述静压舱与所述总压舱可拆卸连接，且所述光纤经所述总压舱和所述静压舱之间的连接处引出。
11.在一些实施例中，所述总压舱与所述静压舱的连接处设置有密封垫。
12.在一些实施例中，所述第二进气孔位于所述舱体的一端，且所述第二进气孔的入射角为15
°
。
13.在一些实施例中，所述光纤应变传感器为光纤布拉格光栅探头。
14.在一些实施例中，所述柔性隔膜的底部开设有过孔，所述光纤传感器的光纤经所述过孔引出。
15.在一些实施例中，所述光纤夹设于所述柔性隔膜上，并通过螺栓固定。
16.本发明还提供一种冲击波动压测试方法，基于如上所述的冲击波动压测试装置，
所述方法包括：
17.获取柔性隔膜上光纤应变传感器的光栅的波长偏移量；
18.利用光栅解调仪对所述波长偏移量进行解调，以得到光纤应变传感器的曲率半径；
19.基于所述波长偏移量和所述曲率半径计算所述柔性隔膜的挠度；
20.根据所述扰度计算得到动压值。
21.在一些实施例中，基于所述波长偏移量和所述曲率半径计算所述柔性隔膜的挠度，具体包括：
22.通过第一预设公式计算挠度w，所述第一预设公式为：
[0023][0024]
边界条件为：
[0025][0026]
其中，m为求和系数(m＝1,2
˙˙˙
)，ym(y)为假设的坐标y的函数，x为原点在柔性隔膜边缘的横坐标，y为原点在柔性隔膜边缘的纵坐标，b为柔性隔膜的宽度。
[0027]
在一些实施例中，通过第二预设公式计算抗弯刚度d，所述第二预设公式为：
[0028][0029]
其中，e为柔性隔膜材料的杨氏模量，ν为柔性隔膜材料的泊松系数，h为柔性隔膜的厚度。
[0030]
本发明所提供的冲击波动压测试装置包括舱体、柔性隔膜和光纤应变传感器；其中，所述舱体上开设有第一进气孔和第二进气孔，所述柔性隔膜安装于所述舱体内，并将所述舱体分隔为相互独立的静压舱和总压舱，所述第一进气孔与所述静压舱相连通，所述第二进气孔与所述总压舱相连通；所述光纤应变传感器固定安装于所述柔性隔膜上，所述光纤应变传感器的光纤自所述舱体引出并与外置的光栅解调仪相连接，以实现数据传输。该装置利用光纤应变传感器采集光纤曲率，并通过光纤曲率获得柔性隔膜的偏转量，舱体开有第一进气孔和第二进气孔，能够捕捉在爆炸场产生的总压与静压。与现有的通过两个压电式传感器分别测量总压与静压相比，能够准确搭建气压测试环境，从而提高测得动压的准确性和精度。从而解决了现有技术中冲击波动压测量准确性较低的问题。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
[0032]
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功
效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
[0033]
图1为本发明所提供的冲击波动压测试装置的结构示意图；
[0034]
图2为图1所示冲击波动压测试装置搭建的测试系统的结构示意图；
[0035]
图3为图1所示冲击波动压测试装置中柔性隔膜的结构示意图；
[0036]
图4为图1中a部分的放大图；
[0037]
图5为本发明所提供的冲击波动压测试方法的流程图。
[0038]
附图标记说明：
[0039]
1-舱体，11-总压舱，12-静压舱，13-第一进气孔，14-第二进气孔；
[0040]
2-柔性隔膜，3-螺栓，4-密封垫，5-光纤布拉格光栅探头；
[0041]
6-光栅解调仪。
具体实施方式
[0042]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
为了解决现有技术中爆炸所产生的冲击波动压测试准确性差的问题，本发明基于皮托管的原理，提供了一种冲击波动压测试装置。当冲击波平行穿过传感器表面时测得的压力就是静压，在半无限流体中，冲击波通过整流罩或压力管垂直撞击传感器表面，气团的速度下降到零。此时，传感器表面测得的压力即为总压力。一般来说，根据皮托管原理，动压等于总压与静压之差，只有定向流动的空气表现出动压，动态压力是定向的，它仅向垂直于或倾斜于流动方向的平面施加压力。
[0044]
请参考图1-图3，图1为本发明所提供的冲击波动压测试装置的结构示意图；图2为图1所示冲击波动压测试装置搭建的测试系统的结构示意图；图3为图1所示冲击波动压测试装置中柔性隔膜的结构示意图。
[0045]
在一种具体实施方式中，本发明所提供的冲击波动压测试装置包括舱体1、柔性隔膜2和光纤应变传感器；其中，所述舱体1上开设有第一进气孔13和第二进气孔14，第一进气孔13用于捕捉在爆炸场产生的静压，第二进气孔14用于捕捉在爆炸场产生的总压。所述第二进气孔14位于所述舱体1的一端，且所述第二进气孔14的入射角优选为15
°
；也就是说，总压舱11在进气口处气流的倾斜入射角设置为15
°
，以尽量减小进气损失。在使用过程中，所述舱体1的第二进气孔14正对爆心，正对爆心所连接的舱体1为总压舱11，上部侧方开两个第一进气孔13，第一进气孔13所连接的舱体1为静压舱12。在一个实施例中，舱体1的外壁材料可以为铝合金，其屈服强度达250mpa，以便能够应用于测试爆炸冲击载荷。
[0046]
柔性隔膜2安装于所述舱体1内，并将所述舱体1分隔为相互独立的静压舱12和总压舱11，所述第一进气孔13与所述静压舱12相连通，所述第二进气孔14与所述总压舱11相连通。舱体1被柔性隔膜2分隔成两个独立的空间，分别为静压舱12和总压舱11，所述总压舱11与静压舱12为对称式设计，空间呈阶梯状。上述柔性隔膜2可以为橡胶隔膜或乳胶隔膜等柔性材质的膜状结构。
[0047]
所述光纤应变传感器固定安装于所述柔性隔膜2上，所述光纤应变传感器的光纤
自所述舱体1引出并与外置的光栅解调仪6相连接，以实现数据传输。
[0048]
光栅解调仪6采用高灵敏度的平面结构探测器，将反射回来的参考光栅的信号转化为电信号，再通过峰值检波电路提取峰值信息，该信息被送入处理器处理。当处理器判定参考光栅和测量光栅的光强达到最大时，读取压电陶瓷的电压，通过压电陶瓷的实时电压和位移之间的关系计算出压电陶瓷的位移即参考光栅的位移，从而得到测量光栅的波长变化量，以此计算出系统的变形量。
[0049]
为了提高拆装便利性，方便舱内设备的布置，所述舱体1为分体式结构，所述静压舱12与所述总压舱11可拆卸连接，且所述光纤经所述总压舱11和所述静压舱12之间的连接处引出。当舱体1为上述分体式结构时，所述总压舱11与所述静压舱12的连接处设置有密封垫4，以保证总压舱11与静压舱12的拼接处的密封性能，密封垫4可具体为乳胶密封垫4。
[0050]
在一些实施例中，如图4所示，所述光纤应变传感器为光纤布拉格光栅探头5。具体地，所述柔性隔膜2上安装有光纤布拉格光栅探头5，使用光学询问器询问光纤传感器，所述柔性隔膜2的底部开设有过孔，所述光纤传感器的光纤经所述过孔引出，所述光纤夹设于所述柔性隔膜2上，并通过螺栓3固定。
[0051]
在上述具体实施方式中，本发明所提供的冲击波动压测试装置利用光纤应变传感器采集光纤曲率，并通过光纤曲率获得柔性隔膜2的偏转量，舱体1开有第一进气孔13和第二进气孔14，能够捕捉在爆炸场产生的总压与静压。光学应变片不需要供电，该技术基于通过光纤传播的光，因此，很大程度上避免了电磁干扰的影响。从这个意义上讲，光纤传感器可以被认为是最有希望替代压电传感器测试冲击波超压的方案之一，具有内在特性，例如重量轻，抗电磁干扰，耐化学性和多路复用能力，传输距离远。与现有的通过两个压电式传感器分别测量总压与静压相比，能够准确搭建气压测试环境，从而提高测得动压的准确性和精度。从而解决了现有技术中冲击波动压测量准确性较低的问题。
[0052]
除了上述装置，本发明还提供一种冲击波动压测试方法，基于如上所述的冲击波动压测试装置，如图5所示，所述方法包括以下步骤：
[0053]
s501：获取柔性隔膜上光纤应变传感器的光栅的波长偏移量；
[0054]
s502：利用光栅解调仪对所述波长偏移量进行解调，以得到光纤应变传感器的曲率半径；
[0055]
s503：基于所述波长偏移量和所述曲率半径计算所述柔性隔膜的挠度；
[0056]
s504：根据所述扰度计算得到动压值。
[0057]
其中，基于所述波长偏移量和所述曲率半径计算所述柔性隔膜的挠度，具体包括：
[0058]
通过第一预设公式计算挠度w，所述第一预设公式为：
[0059][0060]
边界条件为：
[0061][0062]
其中，m为求和系数(m＝1,2
˙˙˙
)，ym(y)为假设的坐标y的函数，x为原点在柔性隔膜边缘的横坐标，y为原点在柔性隔膜边缘的纵坐标，b为柔性隔膜的宽度。
[0063]
在一些实施例中，通过第二预设公式计算抗弯刚度d，所述第二预设公式为：
[0064][0065]
其中，e为柔性隔膜材料的杨氏模量，ν为柔性隔膜材料的泊松系数，h为柔性隔膜的厚度。
[0066]
为了便于理解，下面以一个具体使用场景为例，简述本发明所提供的冲击波动压测试装置和方法。
[0067]
该冲击波动压测试装置包括静压舱、总压舱和相对应气流进口、用于测量压差的光纤布拉格光栅探头以及乳胶橡胶隔膜。首先，使用hbm fs62光纤应变传感器粘贴至乳胶橡胶隔膜，并将光纤引出至光栅解调仪设备，光纤夹在密封乳胶垫中并用专用国标螺栓在四周锁死总压舱与静压舱连接处。使用fs22动态光栅解调仪对光栅波长偏移进行解调得到写入光纤中的fbg的曲率半径。根据公式(5)可计算出光栅的波长偏移量，因此得到了乳胶橡胶隔膜的挠度，将挠度带到公式(3)，最终可计算出压差值即动压。
[0068]
具体计算过程如下：
[0069]
总压舱与静压舱之间通过夹有光纤布拉格光栅探头的乳胶橡胶隔膜连接，动压通过压力差
△
p评估，将机械负载转换为位移。考虑一个面积为a
×
b、厚度为h的薄夹持矩形板，对于原点在膜片边缘的坐标系(x，y)，由于均匀分布的载荷q引起的挠度w(x，y)。
[0070]
通过分离变量法求解挠度，对于直角坐标采用最为方便的莱维解，设：
[0071][0072]
边界条件：
[0073][0074]
求解非齐次的偏微分方程得挠度表达式：
[0075][0076]
抗弯刚度d为：
[0077][0078]
其中，e和ν分别是板材的杨氏模量和泊松系数。
[0079]
为了测量挠度w，通过将fbg传感器截面对准结构中心，将光纤安装在膜表面上，因此可以假设光纤弯曲等于挠度分布(即施加的压力差)。布拉格波长偏移
△
λ与曲率半径r相关。
[0080][0081]
其中，λ为入射波长，pe是纤维材料的光弹性系数，δ是距中性轴的距离。
[0082]
因此，fbg传感器响应可用于确定动压传感器压力差。动压传感器(即本发明所提供的冲击波动压测试装置)入口与爆炸冲击波气流对齐，导致隔膜分别因总压力和静压之间的差而偏转，而后，用光学询问器测量曲率半径。
[0083]
本发明动压传感器的隔膜为边长60毫米的正方形。隔膜被建模为h＝0.2毫米，e＝
1.51mpa和ν＝0.5(胶乳橡胶材料)。假设荷载在空间上是均匀的，即q，空气温度为20℃时，ρ为1.20kg/m3，k＝3
×
10-4。将pe＝0.22、δ＝62.5μm、λ＝1550nm带入(5)得到关于布拉格波长偏移曲线函数。通过光纤解调仪对布拉格光栅应变传感器信号记录-曲率半径，并带入式(3)可得出挠度分布情况。对于压差≤0.05mpa时，传感器具有较低的灵敏度，因为输入载荷施加的膜片曲率不足以引起相当大的纤维应变。
[0084]
本发明所提供的装置可用于基于更换隔膜材料采集宽量程的动压测试，具体包括：
[0085]
1)增加圆形隔膜尺寸a；
[0086]
2)减小厚度h；
[0087]
3)选择具有足够e和ν值的材料。
[0088]
由于动压传感器的形状较大，因此空气阻力不能忽略。空气阻力越大，传感器的安装稳定性越差，引起的振动越强烈。为了控制测量误差，传感器的进气孔阻力应最小化。动压传感器的阻力主要与传感器的半顶角θ有关，设置为15
°
尽量减小阻力。
[0089]
本发明所提供的装置可用于爆炸场冲击波动压测试方法，具体包括：
[0090]
(a)将动压传感器固定至刚体上，禁止摇摆；
[0091]
(b)将总压进气口转向爆心方向且正对爆心；
[0092]
(c)将光纤布拉格光栅探头放置在乳胶橡胶隔膜且夹紧；
[0093]
(d)光栅探头连接线通过乳胶橡胶隔膜底部开孔引出至场外；
[0094]
(e)探头连接线至询问器并准备好记录数据。
[0095]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0096]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0097]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0098]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0099]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示
例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0100]
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。