[发明专利]一种基于光学传感的冲量测试方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种冲量测试方法，尤其涉及一种基于光学传感的脉冲冲击载荷的测量方法和装置。

背景技术

冲量是衡量冲击载荷对容器等壳体结构力学效应的参数之一。传统的测试方法是测试冲击载荷的压力值，然后将压力值进行时间积分得到冲量。由于脉冲式冲击载荷具有时间短(ns～ms量级)、压力峰值高(MPa～GPa量级)的特点，受到压力传感器频率响应和精度的限制，准确测试压力值的时间历程曲线是非常困难的，传统的冲量测试方法受到了限制。

当前对于脉冲式冲击载荷的冲量测试主要有以下两种的方法：

(1)冲击摆法。

冲击摆是测量爆炸荷载下瞬态冲量的一种有效装置。该装置将所受到的冲量，转化为重力势能，摆动幅度可以直观地描述待测冲量的大小。由于对测量仪器频率响应和实验环境抗干扰能力要求较低，并且无需进行现场标定，所以冲击摆在冲量测量领域有着广泛的应用。

但冲击摆方法存在的问题是常用的冲击摆为典型的复摆模型，体积较大，设计、加工和数据处理复杂。另外，摆的质心难以准确测定，这对冲量测定的精度影响较大，特别是测量爆炸试验中的冲量时，遇到较大的困难。

(2)导轨法

该方法直接测试质量块(即受冲击物体)的运动速度，进而计算冲量。与冲击摆相比，该方法具有体积小的优点，但同时必须匹配相应的测速系统。常见的测速系统一般采用传统的电测技术实现，而脉冲式冲击载荷，比如化爆、X射线辐射源等，通常伴随有较强的电磁干扰，该电磁干扰容易耦合进入测试电路，从而影响测试信号的精度和可信度，甚至导致测试电路不能正常工作。

发明内容

本发明提供了一种基于光学传感的冲量测量方法和装置，将其应用到导轨冲量测量方法中，具有抗电磁干扰能力强、测试量程大、体积小、性能稳定等优点。

本发明的技术解决方案为：

一种基于光学传感的冲量测试方法，包括以下步骤：

1】沿被测冲量方向布置一只导轨，所述导轨上设置一只可沿冲量方向运动的质量块，所述质量块的侧面或顶面固定有直线光栅；所述直线光栅的条纹方向垂直于冲量方向；

2】质量块在冲量作用下，沿导轨运动；

3】测量直线光栅的反射光强-时间曲线，计算得到冲量参数。

上述测量直线光栅的反射光强-时间曲线，计算得到冲量参数的方法为：

1】取反射光强-时间曲线的正负峰值和中间点值为特征点，得出各个特征点对应的时间，根据各个特征点之间对应的距离，计算出冲击过程中各个时间段内质量块的速度；

2】根据速度-时间曲线，判读质量块受冲击后的平稳速度；

3】在激光等辐射源作用的情况下，测试实验前后质量块的质量，或者在化爆等实验中，测试实验前质量块的质量，再根据平稳速度，计算出该冲击源作用在质量块上的冲量值，再根据质量块作用面的面积，进一步计算出单位面积上质量块受到的冲量值。

一种基于光学传感的冲量测试装置，包括导轨和质量块，其特殊之处是，还包括固定在质量块侧面安装的直线光栅和固定在导轨上的直线光栅反射光强-时间测量装置；所述直线光栅的条纹方向垂直于冲量方向；所述直线光栅反射光强-时间测量装置包括光源、光纤探头、光电转换器、信号放大单元和信号记录单元；所述光纤探头用于将光源产生的光束垂直射向直线光栅并将直线光栅反射的光信号传送至光电转换器，所述光电转换器用于将反射的光信号转换成电信号输出，所述信号放大单元用于放大光电转换器输出的电信号，所述信号记录单元用于记录信号放大单元输出的电信号。

上述的光纤探头由单根输出光纤和多根接收光纤组成，其中输出光纤连接光源，多根接收光纤集为一束后连接光电转换器。

上述的光纤探头由光纤环行器和分别连接在光纤环行器的输出光纤、接收光纤、探测光纤组成，其中输出光纤的另一端连接光源，接收光纤的另一端连接光电转换器，探测光纤另一端输出光束至直线光栅并接收直线光栅的反射光信号。

上述的光纤探头由一进二出的光纤耦合器和分别连接在光纤耦合器出口的输出光纤、接收光纤和连接在光纤耦合器进口的探测光纤组成，其中输出光纤的另一端连接光源，接收光纤的另一端连接光电转换器，探测光纤的另一端输出光束至直线光栅并接收直线光栅的反射光信号。

上述光纤探头设置有用于输出光束整形的透镜组件。

上述的透镜组件为“L型”结构。

上述的直线光栅反射光强-时间测量装置还包括设置在光源和光纤探头之间的光衰减器。