[发明专利]基于薄壁管膨胀吸能的冲击波能量无源测量传感器

说明书

本发明公开了一种基于薄壁管膨胀吸能的无源测量冲击波能量的传感器，目的是现有无源测量方法后处理程序繁琐、测量系统复杂等缺点。本发明由封装壳体、驱动杆件、薄壁管吸能构件、固壁止位板、活动螺栓、密封挡环组成，驱动杆件、薄壁管吸能构件、封装壳体同轴安装。驱动杆件在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形，驱动杆件在冲击波作用下对薄壁管吸能构件进行插入时，薄壁管吸能构件产生变形。测量驱动杆件的插入位移，利用变形位移量和吸收能量之间的关系实现冲击波能量的无源定量测量。本发明结构简单、无需供电、布设方便、成本低、可重复使用，对不同强度的冲击波均有高响应灵敏度，解决了恶劣环境下难以定量测试对冲击波能量的技术难题。

技术领域

本发明属于测量检测领域，具体涉及一种爆炸产生的冲击波参数测量的传感器，是一种利用材料弹塑性膨胀变形吸能特性对爆炸冲击波能量进行测量的无源传感器。

背景技术

测量炸药爆炸产生的冲击波的压力、冲量等参数的方法一般可以分为有源测量和无源测量这两种。其中，有源测量主要是依靠各种电学传感器，电学传感器测量技术已经相对成熟而且是现在最流行的测试方法，市场上已有各种各样的高精度冲击波电测传感器，但是在一些自然环境比较恶劣的条件下，比如沙漠、高原或者海岛等这些爆炸试验环境相对比较复杂的情况下，存在无法布置精密电测装置、或者成本非常高、或者布设难度很大等问题，这时采用电学传感器进行有源测量就具有很大的局限性；此外，炸药爆炸过程中产生的电磁干扰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，设计一种爆炸冲击波参数无源测量传感器，从而提高冲击波测量结果的可靠性和准确性，降低试验难度，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。

在现有无源测量方法中，测量冲击波压力参数的方法主要有采用霍普金森杆、自然效应物、等效靶板等方法。但是，霍普金森杆测量爆炸冲击波波阵面的压力存在系统过于复杂的缺点；自然效应物只能通过判断爆炸冲击波过后松木板断裂、玻璃破碎、小动物死亡等来定性测量冲击波的强度范围，属定性评价，且不适合大量用于进行爆炸毁伤威力场的评估；等效靶板法是通过测量靶板在爆炸试验后其变形或破坏程度来反推计算相应的超压和比冲量值，虽然等效靶板法具有布置快速、成本低且不受寄生效应干扰的优点，但是等效靶板法的缺点在于在实际实验中存在约束不够及其它方面因素(回弹、碰撞等)的影响使得实验结果与理想情况下的变形有差距，以及靶板需要定期保养维护、测量后处理程序比较繁琐等问题。

综上所述，现有测量方法至少存在如下技术问题：

1.现有电测有源传感器存在电磁干扰、成本昂贵、布线困难等难题，在相对恶劣的自然环境中无法准确地测得冲击波能量。

2.现有大多数无源测量方法精度不够，而高精度无源测量存在很多缺陷，例如测量后处理程序繁琐、测量系统复杂、需电测设备辅助测量等。

实际上，冲击波能量的无源测量可以通过某些变形性能较好材料的变形测量而获得，比如一些软质金属(例如铝、铜等)材料是比较理想的吸能材料。目前，不可逆变形的缓冲材料多为利用材料塑性变形吸收能量，常用的方法有：材料塌陷、材料切削、材料扩径等变形方法。其中，薄壁管膨胀吸能是材料扩径变形法的一种，此方法吸收冲击能量的方式为薄壁管扩径变形过程中的塑性变形耗能和摩擦发热耗能。现有的研究表明，经过合理的设计，薄壁管扩径变形结构的变形模式和压缩载荷均较为平稳可控，是一种性能优良的缓冲吸能元件。此外，在技术指标上，薄壁管在扩径变形过程中，在一定范围内内壁扩张产生的阻力是恒定的，其吸收的能量和薄壁管被扩径部分的长度基本成线性关系(或者确定的函数关系)，这样的能量-扩径位移对应特性，使其可以用于能量的定量测量。薄壁管外形一般为圆筒状，不同壁厚、不同材料的薄壁管结构可构成多种规格的不同能量-变形位移精确对应的吸能结构，对不同强度的冲击波均能实现比较精确的测量。同时，通过选择性能稳定、耐腐蚀的材料制作薄壁管吸能结构，可制作出结构稳定、性能可靠、可长期保存和使用的能量测量传感器装置。

发明内容