本发明涉及冲击压缩加载，具体而言，涉及一种监测轻气炮活塞位置和速度的装置及方法。
背景技术：
1、动高压技术通过压缩波做功产生高压被广泛应用于地球物理学、材料科学和军事科技等领域，尤其是对于炸药爆炸、模拟极强高压条件、研究材料的动态力学特性等。
2、二级轻气炮是一种通过火药燃烧产生的高温高压气体来驱动活塞的发射装置。活塞推动的气体主要是氮气和氢气等轻质气体，它们在被压缩到一定压力后，能够对弹丸施加力量，使其获得极高的初速度。在发射过程中，弹丸携带着巨大的动能，与靶仓内的固定靶碰撞，迅速将高密度能量以冲击波的形式传递到靶体，实现对靶内样品的高温高压加载。被广泛应用于研究气动弹道学、材料力学性能以及在极端条件下的原子和分子物理理论研究中。目前是实验室研究中常用的加载手段之一。
3、但是目前轻气炮在实际实验应用中仍有一些缺陷，例如难以保证实验的重复性和准确性，以及能量传递的过程中存在难以避免的损耗等等。所以精确能量传递的瞬间过程以及精确速度位置极为重要。对于活塞的速度的测量，目前已存在多种方法，例如微波干涉测量技术测量、光电传感器法、数值模拟法等。虽然上述方法已经广泛运用，但是存在一定的误差，例如目前较为精确的数值模拟法可以获得活塞的运动参数，但是这是通过假设间接性验证的，难以确定真实位置和状态。因此在实验室环境中实时监测轻气炮活塞的位置和速度，获得真实的实验情况尤为重要，可能会进一步的减小实验误差，探寻原因保证实验的重复性和准确性。
技术实现思路
1、本发明的目的在于精确提高实验的准确性，并且在一定程度上减小器材损耗。本发明提供了一种监测轻气炮活塞位置和速度的装置及方法，装置结构简单，不影响实验方法，能够在不影响活塞运行，并且不降低轻气炮泵管的密闭性和安全性的前提下，通过无接触测量，获得活塞在不同时刻的位置与速度。
2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，第一方面，本技术提供了一种监测轻气炮活塞位置和速度的装置，包括：
3、包括轻气炮主体、位移传感器、信号处理装置以及活塞；
4、所述轻气炮包括依次相连的火药室、泵管、高压段以及发射管，其中火药室位于最前端，用于储存火药，通过火药燃烧产生高温高压气体；泵管一端连接火药室，另一端连接高压段的第一端口，其内部设置有活塞，用于储存和压缩轻质气体；高压段用于压缩气体；高压段的第二端口连接发射管，其发射管用于将压缩后的气体能量转化为弹丸的动能，使弹丸高速射出；
5、优选地，火药室能够通过驱动活塞(如通过爆轰炸气体驱动活塞)压缩泵管内轻质气体。
6、所述位移传感器安装在泵管的轴向外侧，用于实时监测活塞的位置变化；
7、所述信号处理装置与位移传感器相连，用于接收传感器发出的信号，并将其转换为可读的数据，监控和分析活塞的运动状态；
8、当火药室内的火药被点燃，产生的高温高压气体推动活塞从泵管的头部向尾部移动，活塞的泵管内的轻质气体，气体被推向高压段并进一步压缩，压缩的气体在高压段达到足够的压力后，推动弹丸在发射管内高速射出，位移传感器监测活塞信号，并利用信号处理装置对监测到的活塞信号进行处理，进而获得轻气炮的实时工作状态。
9、优选地，所述活塞位于泵管内包括三部分，分别为活塞头部、活塞尾部和活塞中部，其中活塞头部与泵管的前端相连，当火药室内的火药燃烧时，高温高压气体推动活塞头部，从而驱动整个活塞移动；活塞中部包括平行电极，当平行电极在活塞内移动时，与传感器相互作用，用于监测活塞的位置和移动速度；活塞尾部位于泵管的末端，当活塞被推动至尾部时，压缩的轻质气体被推向高压段。
10、具体地，轻气炮主体由火药室，泵管，高压段，发射管依次连接；所述泵管内放置改良后的活塞；火药室内燃烧产生的会高温高压气体驱动泵管内的活塞，从而压缩轻质气体(通常为氮气或氢气)至高压段，当轻质气体被压缩到一定压力时，它能够突破位于高压段和发射管连接口处的薄膜从而对弹丸施加力，使弹丸获得极高的初始速度，使弹丸在发射过程中具有巨大的动能。从而实现能量的传递。
11、优选地，所述平行电极包括平行电极移动端，当活塞在泵管内移动时，平行电极移动端的位置变化会导致电容的变化，从而测量活塞的位置和速度，其中移动电极会与位于位移式电容传感器固定的固定电极之间的距离会发生变化，电容会根据电极间距的变化而变化。
12、优选地，所述位移传感器安装在泵管的轴向外侧的安装方式为通过支架或固定装置固接在气炮的外壳或支撑结构上，完全覆盖泵管部分。
13、优选地，所述信号处理装置利用高精度的电容测量电路检测电容的变化，从而判断活塞的位置和速度。
14、优选地，所述活塞在泵管的首部和尾端之间运动时，中部的平行电极实时显示活塞的瞬时位置，随着活塞中部的移动电极位置的变化，移动电极与固定电极间的距离变化导致电容值进而作出相应调整。
15、优选地，所述发射管为二级轻气炮，所述二级轻气炮的泵管有内置改良活塞；所述活塞采用铁磁性材料，是良好的导体，所以在其中部放置平行电极的移动端，能够避免铁磁性料与泵管内壁的摩擦导致泵管磨损的问题，其中活塞的形状为圆柱状，活塞与泵管的内壁不接触，减小了由摩擦带来的能量损耗以及对轻气炮炮管的损伤，且活塞的直径小于泵管的内壁直径。
16、优选地，在所述泵管首端和末端都全覆盖电容式位移传感器。
17、优选地，所述活塞的中部为平行电极的另一个移动电极，由于改良后的活塞为导体，则可以将移动电极防止在活塞内；所述活塞整体，即尾部、中部、头部与所述泵管内部滑动配合；所述活塞尾部和火药室端口相连接。
18、第二方面，本技术还提供了一种监测轻气炮活塞位置和速度的方法，包括以下步骤：
19、步骤一、点燃轻气炮的火药室中的火药，产生高温高压气体，高温高压气体推动泵管内的活塞，从靠近火药室的一端向靠近高压段的一端移动，压缩泵管内的轻质气体；
20、步骤二、将位移传感器安装在泵管的外侧，将其移动电极部分与活塞中部的移动电极相对齐，对移动电极与传感器的固定电极之间的位移距离进行监测；
21、步骤三、利用信号处理装置将电容变化转换为电信号，并通过转换函数，将传感器输出的信号转换为活塞的位置，基于活塞的位置，经过计算得到活塞的平均速度；
22、步骤四、根据活塞从泵管首段移动到末端的过程中的传感器检测到的数据点，经过实时监测和高采样频率的数据采集，得到位移随时间变化的数据，并经过差分计算处理，得到活塞的瞬时速度。
23、优选地，信号处理装置测得的电容信号与活塞位置之间的关系通常是线性的，传感器输出的信号(v)与活塞位置(x)的关系可以表示为：[x(t)＝f(v(t))]其中(f)是从传感器信号到位移的转换函数。平均速度与位移计算公式为：瞬时速度则可以通过拟合位移时间图像得到。
24、优选地，对于所述精确速度的确定，通过上述的实时监测活塞位置的变化，获取活塞从泵管首段移动到末端的过程中的传感器检测到的数据点。同时，确保信号处理装置的数据采集系统具有足够高的采样频率，以捕捉活塞的快速运动。得到位移的随时间的变化数据
25、优选地，拟合位移点和时间的图象，对实时位置数据进行差分处理(计算位置变化量与时间间隔的比值)，计算公式为：进而得到活塞的瞬时速度。
26、本发明的有益效果为：
27、本发明能不改变轻气炮的密闭条件，同时不影响活塞的具体运动情况下确定活塞的精确位置和速度，提高了实验的安全性以及实验的准确性。同时，将活塞改为铁磁性材料，能够避免铁磁性材料与泵管内壁的摩擦导致泵管磨损的问题，使得实验效益最大化，显著提高了实验检测精度，对促进冲击波物理和地球行星科学领域的研究和教学具有重要意义。
28、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。