基于薄壁管膨胀吸能的冲击波能量无源测量传感器的制作方法

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。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于薄壁管膨胀吸能的冲击波能量无源测量传感器，解决现有有源测量方法采用的电测有源传感器存在布线困难，电磁干扰等难题；弥补现有无源测量方法中，或测量后处理程序繁琐、或测量系统复杂、或需电测设备辅助测量的缺点。所提供的传感器具有结构简单、成本低、抗电磁干扰能力强、布设快速、后结果处理方便、测量精度高等特点，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。

本发明利用薄壁管吸能构件将冲击波能量定量转化为薄壁管吸能构件的嵌入位移，从而实现在爆炸场冲击波能量的快速定量无源测量。

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。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。驱动杆件、薄壁管吸能构件位于封装壳体内，且驱动杆件、薄壁管吸能构件、封装壳体同轴安装。驱动杆件紧贴薄壁管吸能构件的左端面。固壁止位板通过活动螺栓固定在封装壳体右端，对封装壳体右端面进行封装。密封挡环通过活动螺栓固定在封装壳体左端，以防止驱动杆件和薄壁管吸能构件从封装壳体左端滑出。

封装壳体用于装载和固定其他部件，为圆筒型。封装壳体外直径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；在封装壳体左端进行部分侧壁加厚，以固定驱动杆件，加厚部分内直径为d2满足0.7d1<d2<d1，壁厚为t2＝(d1-d2)/2，加厚部分轴向长度为l1满足0.3l1<l1<0.5l1。封装壳体侧壁上可加工阵列泄气孔，以帮助封装壳体内的气体顺利排出，尽量减少气体对驱动杆件运动的影响。封装壳体承载着驱动杆件和薄壁管吸能构件，且保证驱动杆件可在封装壳体内自由无摩擦滑动(摩擦系数μ<0.05)。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，基本原则是封装壳体受到冲击波作用时不产生塑性变形。当封装壳体采用金属材料这样的非透明材料时，可在侧壁沿轴向开一个通槽(为便于实施，通槽的左端可与标示线平齐)，通槽为长条形，长度l满足l2<l<l1，深度为封装壳体壁厚，宽度w满足0.01d1<w<0.1d1，通过长条形通槽可观察驱动杆件、薄壁管吸能构件、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(要求长度刻度尺左侧位于标示线以左或与标示线对齐，若与标示线对齐可方便读取)，长度刻度尺分度值小于1mm，长度刻度尺的长度满足l2<长度刻度尺(10)的长度<1.2l2。，用于直接读取驱动杆件位移，通过杆件位移即可换算当地冲击波能量值。若封装壳体采用透明材料时，则不需要开通槽，直接在封装壳体外侧壁沿轴向刻制或布置长度刻度尺即可。

驱动杆件用于将空气中当地冲击波能量转换为自身的动能，以圆柱形为宜，直径等于d2，长度为l2满足l1<l2<1.5l1，长度可依据实际测量需要进行调整；距离驱动杆件左端面l2处，在其外表面画上或刻上一个明显的标示线(例如图2中71处所对应的圆环)用于定位和读数，l2满足0.05l2<l2<0.2l2；驱动杆件两端面平行且与封装壳体中轴线垂直，可对驱动杆件右端侧面进行斜倒角加工(若薄壁管吸能构件左端加工了斜倒角，则驱动杆件右端侧面不加工斜倒角)，以确保驱动杆件能够均匀地插入薄壁管吸能构件；驱动杆件和封装壳体间无摩擦滑动装配(摩擦系数μ<0.05)。驱动杆件采用合金材料制成，材料满足驱动杆件在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形为原则，具体要求材料满足：屈服强度σ2>200mpa，密度ρ2>2.0g/cm³。

薄壁管吸能构件用于转换驱动杆件的动能，为圆筒型，外直径d3满足d2<d3<d1；薄壁管吸能构件左端可加工一定的斜倒角，斜倒角的左端面处薄壁管的内直径为d2，壁厚为t3＝(d3-d2)/2，在斜倒角的右端面处以及剩余部分的薄壁管的壁厚为t4满足0.0001m<t4<0.05m，内直径为d3＝d3-2t4，此种截面设计以确保薄壁管吸能构件整个横截面受到驱动杆件的均匀插入；薄壁管长度为l3＝l1-l2，斜倒角的轴向长度l3满足5t4<l3<20t4。薄壁管吸能构件采用变形性能比较好的材料制成，要求驱动杆件在冲击波作用下对薄壁管吸能构件进行插入时，薄壁管吸能构件可产生比较明显的膨胀变形，并使驱动杆件在其内有比较明显的插入位移；要求薄壁管吸能构件材料满足：屈服强度σ3<1000mpa，密度ρ3<10.0g/cm³。

固壁止位板用于固定和密封驱动杆件、薄壁管吸能构件，其形状与封装壳体匹配即可，当封装壳体为圆筒型时，其为圆形薄板，直径d4满足d1<d4<1.1d1，厚度t5满足0.1t1<t5<1.5t1。固壁止位板采用硬质合金制成，要求材料满足：屈服强度σ4>200mpa，密度ρ4>2.0g/cm³，基本原则是薄壁管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，用于限制薄壁管吸能构件在右侧的位移。固壁止位板上需开设阵列泄气孔，在整个底部均匀分布(确保与薄壁管对应的内部和外部均有泄气孔)，数量为10～100个，孔的总面积达到固壁止位板面积的20％～60％，以保证薄壁管内的空气以及薄壁管与封装壳体之间的空气均可顺利排出，不影响驱动杆件对薄壁管吸能构件的插入深度。固壁止位板通过活动螺栓进行固定和拆卸，从而能够重新装载新的薄壁管吸能构件，实现传感器的再次利用。

阵列泄气孔用于在驱动杆件插入薄壁管吸能构件时顺利、及时地排出封装壳体及薄壁管内部的气体，通常为圆形通孔，直径φ1满足0.02d4<φ1<0.2d4。固壁止位板上的阵列泄气孔均匀分布，数量为10～100个，孔的总面积达到固壁止位板面积的20％～60％，并确保与薄壁管对应的内部和外部均有足够的泄气孔；若封装壳体上也开设泄气孔，则阵列泄气孔可沿封装壳体环向和轴向均匀分布，环向分布数量为3～20个，轴向分布数量为5～50个，孔的总面积达到整个壳体面积的10％～30％。

密封挡环用于确保将驱动杆件、薄壁管吸能构件挡在封装壳体内，在运输和安装时保证驱动杆件不会从封装壳体从左端滑出，其形状与封装壳体匹配即可，当封装壳体为圆筒型时，其为圆环形，外直径d5满足d1<d5<1.2d1；内直径d2尺寸略小于驱动杆件直径，即内直径d2满足0.9d2<d2<d2；厚度t6满足0.1t1<t6<1.2t1。密封挡环采用硬质合金制成，要求材料满足：屈服强度σ5>100mpa，密度ρ5>1.0g/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。

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，确保驱动杆件和密封挡环紧密接触，驱动杆件、薄壁管吸能构件、固壁止位板紧密接触，均无间隙；并确保驱动杆件和薄壁管吸能构件同轴；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。

驱动杆件位于整个发明装置的左端，用于承受外部冲击波冲击载荷。驱动杆件和密封挡环之间是否紧密接触可以直接观察判断；驱动杆件与薄壁管吸能构件间的界面、薄壁管吸能构件与固壁止位板间的界面，通过封装壳体侧壁开的通槽(若是机玻璃制成，则可直接观察)观察三者是否紧密接触；并通过封装壳体上沿轴向刻制或布置的长度刻度尺，记录下驱动杆上标示线(例如图2中x1处所对应的浅圆环)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，当冲击波到达驱动杆件左侧表面时，对驱动杆件进行加载。冲击波的能量传递给驱动杆件，并转化为驱动杆件的动能，从而驱动杆件开始插入薄壁管吸能构件并压缩薄壁管吸能构件中的气体，气体通过底部固壁止位板上的阵列泄气孔排出，不影响驱动杆件的运动。

爆炸冲击前，驱动杆件上标示线在刻度尺上的位置为x1(如图2所示)，经爆炸冲击后，标示线运动到x2(如图4所示)，通过刻度尺判读得到x1和x2，驱动杆件插入薄壁管吸能构件产生的位移量为δx＝x2-x1(x1、x2和δx单位均为m)。判读时应确保驱动杆件与薄壁管吸能构件间的界面、薄壁管吸能构件与固壁止位板间的界面均紧密接触。通过气体驱动撞击技术已标定出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可计算得到薄壁管吸能构件的塑性变形能e＝k·δx，也即获得了驱动杆件的动能。由于驱动杆件不会产生塑性变形，因此驱动杆件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快速无源定量测量。

实验结束后，通过将固壁止位板的活动螺栓卸下更换新的薄壁管吸能构件，从而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驱动杆件插入薄壁管吸能构件的位移量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，完成爆炸空气冲击波能量的定量测量。

2.本发明的薄壁管吸能构件可以采用不同材料、不同直径、不同壁厚等多种形式构成，使得薄壁管可以形成较为丰富的规格，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，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是本发明受爆炸冲击前的轴向剖视图(在薄壁管吸能构件3左端加工斜倒角31)。

图3是本发明受爆炸冲击前的轴向剖视图(在驱动杆件2右端侧面加工斜倒角31)

图4是本发明受爆炸冲击后的轴向剖视图。

图5是封装壳体1的三维示意图。

图6是固壁止位板4的三维示意图。

附图标记说明：

1.封装壳体，2.驱动杆件，3.薄壁管吸能构件，4.固壁止位板，5.阵列泄气孔，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为本发明总体结构示意图。如图1所示，本发明由封装壳体1、驱动杆件2、薄壁管吸能构件3、固壁止位板4、活动螺栓6、密封挡环7组成。定义本发明靠近爆炸点8的一端为左端，定义本发明远离爆炸点8的一端为右端。驱动杆件2、薄壁管吸能构件3位于封装壳体1内，固壁止位板4通过活动螺栓6固定在封装壳体1右端，并对封装壳体1右端面进行封装，密封挡环7通过活动螺栓6固定在封装壳体1左端。驱动杆件2、薄壁管吸能构件3、封装壳体1同轴安装。驱动杆件2的左端面紧贴密封挡环7的右端面，驱动杆件2的右端面紧贴薄壁管吸能构件3的左端面。

图2是本发明受爆炸冲击前的轴向剖视图。如图2所示，封装壳体1为圆筒型，外直径d1满足0.01m<d1<0.3m，壁厚t1满足0.001m<t1<0.1m，内直径d1满足d1＝d1-2t1，长度l1满足0.01m<l1<1m；封装壳体1左端部分侧壁加厚，加厚部分内直径为d2，满足0.7d1<d2<d1，加厚部分壁厚为t2，t2＝(d1-d2)/2，加厚部分轴向长度为l1，满足0.3l1<l1<0.5l1。封装壳体1同轴包裹装载驱动杆件2和薄壁管吸能构件3，且保证驱动杆件2与封装壳体1之间摩擦力可忽略(摩擦系数μ<0.05)。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，基本原则是封装壳体1受到冲击波作用时不产生塑性变形。如图5所示，封装壳体1采用金属等非透明材料时，封装壳体1侧壁沿轴向开有一个通槽9，通槽9为长条形，通槽9长度l满足l2<l<l1，通槽9深度为封装壳体壁厚，宽度w满足0.01d1<w<0.1d1，通过通槽9可观察驱动杆件2、薄壁管吸能构件3、固壁止位板4三者是否紧密接触。在封装壳体1外侧壁沿轴向紧挨通槽9刻制或布置长度刻度尺10，长度刻度尺10左侧位于标示线以左或与标示线对齐，长度刻度尺(10)的长度满足l2<长度刻度尺(10)的长度<1.2l2，长度刻度尺10分度值小于1mm。封装壳体1侧壁上挖有阵列泄气孔5。

驱动杆件2为圆柱形，直径d2满足0.7d1<d2<d1，长度l2满足l1<l2<0.5l1；驱动杆件2两端面平行且与封装壳体1中轴线垂直，以确保驱动杆件2能够均匀地插入薄壁管吸能构件3内。驱动杆件2左端画有或刻有一标示线71，标示线71是一圆环标记，距离驱动杆件2左端面的长度l2满足0.05l2<l2<0.2l2。爆炸冲击前，标示线71的位置即标示线71与密封挡环7的右端面的距离为x1，。驱动杆件2采用合金材料制成，要求材料满足：屈服强度σ2>200mpa(以其在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形为原则)，密度ρ2>2.0g/cm³。

薄壁管吸能构件3为圆筒型，外直径d3满足d2<d3<d1；薄壁管吸能构件3左端加工斜倒角，在斜倒角的左端面处，薄壁管吸能构件3内直径为d2，薄壁管吸能构件3壁厚为t3t3＝(d3-d2)/2；在斜倒角31右端处以及薄壁管吸能构件3剩余部分的壁厚为t4满足0.0001m<t4<0.05m，内直径为d3，满足d3＝d3-2t4，此种截面设计可以确保薄壁管吸能构件3整个横截面受到驱动杆件2的均匀作用；薄壁管吸能构件3长度l3＝l1-l2且l3>l2，斜倒角31的轴向长度l3满足5t4<l3<20t4。薄壁管吸能构件3采用变形性能较好的材料制成，要求驱动杆件2在冲击波作用下对薄壁管吸能构件3进行插入时，薄壁管吸能构件3可产生比较明显的膨胀变形，且驱动杆件2在薄壁管吸能构件3内的插入位移较为明显；薄壁管吸能构件3材料要求满足：屈服强度σ3<1000mpa，密度ρ3<10.0g/cm³。

如图2所示，当薄壁管吸能构件3的左端加工有斜倒角31时，驱动杆件2的右端不加工斜倒角。如图3所示，当薄壁管吸能构件3的左端未加工斜倒角时，驱动杆件2的右端加工有斜倒角31，此斜倒角31的尺寸与薄壁管吸能构件3加工的斜倒角形状、尺寸相同(即图2中的斜倒角31的轴向长度l3和图3中的斜倒角31的轴向长度l3相同，图2中的斜倒角31的竖向长度为(d2-d3)/2，图3中的斜倒角31的竖向长度也为(d2-d3)/2，因为只涉及简单的机械加工，不再赘述)。

固壁止位板4为圆形薄板，直径d4满足d1<d4<1.1d1，厚度t5满足0.1t1<t2<1.5t1。固壁止位板4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，基本原则是薄壁管吸能构件3变形时固壁止位板4不产生塑性变形。固壁止位板4通过活动螺栓6固定在封装壳体1的右端面，用于限制薄壁管吸能构件3在右侧的位移。如图6所示，固壁止位板4上挖有阵列泄气孔5，阵列泄气孔5均匀分布，以保证薄壁管吸能构件3内的空气以及薄壁管吸能构件3与封装壳体1之间的空气均可顺利排出，不影响驱动杆件2对薄壁管吸能构件3的插入深度。固壁止位板4通过活动螺栓6进行固定和拆卸，从而能够重新装载新的薄壁管吸能构件3，实现传感器的再次利用。

阵列泄气孔5为圆形通孔，加工在固壁止位板4和封装壳体1侧壁上，直径φ1满足0.02d4<φ1<0.2d4。加工在固壁止位板4上的阵列泄气孔5均匀分布，数量为10～100个，孔的总面积达到固壁止位板4面积的20％～60％；加工在封装壳体1侧壁上的阵列泄气孔5沿封装壳体1环向和轴向均匀分布，环向分布数量为3～20个，轴向分布数量为5～50个，孔的总面积达到整个壳体面积的10％～30％。

密封挡环7通过活动螺栓6固定在封装壳体1的左端面，用于确保将驱动杆件2、薄壁管吸能构件3挡在封装壳体1内，在运输和安装时保证驱动杆件2不会从封装壳体1的左端滑出。密封挡环7为圆环形，外直径d5满足d1<d5<1.2d1；内直径d2略小于驱动杆件2直径d2，内直径d2满足0.9d2<d2<d2；厚度t6满足0.1t1<t6<1.2t1。密封挡环7采用硬质合金制成，要求材料满足：屈服强度σ5>100mpa，密度ρ5>1.0g/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。

图4是本发明受爆炸冲击后的轴向剖视图。如图4所示，爆炸冲击后，标示线71的位置右移，即标示线71与密封挡环7的右端面的距离增大，通过刻度尺判读得到标示线71对应的刻度值x2，则驱动杆件2插入薄壁管吸能构件3产生的位移量为δx＝x2-x1。

通过将固壁止位板4的活动螺栓6卸下可以更换新的薄壁管吸能构件3，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(例如将驱动杆件2预压进薄壁管吸能构件3一定深度等)，这些都属于本发明专利的保护范围。