本發(fā)明涉及一種基于改進(jìn)的霍普金森桿的水下爆炸壓力測量裝置，屬于水下爆炸壓力傳感器設(shè)計領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

精確的水下爆炸壓力測量結(jié)果能為研究結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的動響應(yīng)和毀傷提供輸入載荷條件。而近場、接觸爆炸作用下壓力傳感器需求緊急程度越來越高。雖然得益于測量技術(shù)的不斷進(jìn)步和革新，目前自由場壓力測量技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是對于水下爆炸壁壓測量方面，國內(nèi)外還尚無一種有效的測量方法。

現(xiàn)在的測量方法存在以下幾個方面的問題：如今壁壓測量只針對中遠(yuǎn)場爆炸情形，對氣泡射流測量部分的原理還沒能解決；國外關(guān)于壁壓傳感器都是基于材料的壓阻、壓電特性而開發(fā)的。該類傳感器量程較小，熱穩(wěn)定性差，非線性較嚴(yán)重，不能應(yīng)用于伴隨有高溫的場合，同時在試驗中暴露了易失效、過早失效、記錄時間短等問題，還需改進(jìn)。在水下爆炸壓力測量中，一方面由于傳感器容易被雷管碎片和炸藥爆轟產(chǎn)物損壞；另一方面電氣石等敏感元件測壓范圍有限導(dǎo)致炸藥水下爆炸近距離壓力測量難以實現(xiàn)。因此，需要一種響應(yīng)速度快、量程大、性價比高、可重復(fù)使用的水下爆炸壓力傳感器。

因此，需要有一種新的、有效的水下爆炸壁壓測量傳感器，同時捕捉水下近場爆炸載荷壓力和氣泡射流壓力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種新的、有效的遭受極近場水下爆炸壁壓傳感器，同時捕捉水下爆炸載荷壓力和氣泡射流壓力，以解決目前測量技術(shù)所存在的局限而提供一種基于改進(jìn)的霍普金森桿的水下爆炸壓力測量裝置。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：包括內(nèi)表面設(shè)置有環(huán)肋的防護(hù)筒、由上至下設(shè)置在防護(hù)筒內(nèi)的吸能回收部分、沖擊載荷分離器部分和改進(jìn)的霍普金森桿測量元件，所述改進(jìn)的霍普金森桿測量元件包括與防護(hù)筒底部固連的底座、安裝在底座上的改進(jìn)的霍普金森桿、對稱貼在改進(jìn)的霍普金森桿上的應(yīng)變片；所述沖擊載荷分離器部分包括與防護(hù)筒內(nèi)對應(yīng)的環(huán)肋連接的一號十字式開孔支撐件、與一號十字式開孔支撐件固連的直線軸承固定基座、設(shè)置在直線軸承固定基座內(nèi)的下滾珠直線軸承、設(shè)置在直線軸承固定基座上端的直線軸承固定及激光測速基座、設(shè)置在的直線軸承固定及激光測速基座外表面的環(huán)形激光測速裝置基座、設(shè)置在環(huán)形激光測速裝置基座上的激光發(fā)射器和激光接收器、設(shè)置在直線軸承固定及激光測速基座內(nèi)的上滾珠直線軸承，所述直線軸承固定基座上還設(shè)置有單向彈簧擋板裝置基座，單向彈簧擋板裝置基座上安裝有單向彈簧擋板裝置，所述改進(jìn)的霍普金森桿的上端伸入至下滾珠直線軸承內(nèi)；所述吸能回收部分包括防護(hù)筒內(nèi)對應(yīng)的環(huán)肋連接的二號十字式開孔支撐件、與二號十字式開孔支撐件固連的限位圓柱套筒、設(shè)置在限位圓柱套筒內(nèi)的直線軸承、設(shè)置在直線軸承內(nèi)的飛片、設(shè)置在圓柱套筒內(nèi)頂端的阻尼橡膠墊，所述飛片的下端依次穿過上滾珠直線軸承、單向彈簧擋板裝置后伸入至下滾珠直線軸承內(nèi)并與改進(jìn)的霍普金森桿的上端接觸。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.所述單向彈簧擋板裝置包括安裝在單向彈簧擋板裝置基座上的兩個鉸接座、分別與兩個鉸接座鉸接的兩個擋板，兩個擋板的兩端之間分別設(shè)置有彈簧。

2.防護(hù)筒內(nèi)還設(shè)置有三號十字式開孔支撐件和四號十字式開孔支撐件，且三號十字式開孔支撐件和四號十字式開孔支撐件位于一號十字式開孔支撐件下方，改進(jìn)的霍普金森桿的上端依次穿過三號十字式開孔支撐件和四號十字式開孔支撐件后伸入至下滾珠直線軸承內(nèi)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：①為了放大水下爆炸沖擊波壓力和氣泡射流壓力信號，本發(fā)明采用了以改進(jìn)的霍普金森桿801為基礎(chǔ)的測量元件。②充分應(yīng)用應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)中的傳遞規(guī)律，設(shè)置沖擊波載荷分離裝置8將改進(jìn)的霍普金森桿801中的水下爆炸沖擊波壓力脈沖全部轉(zhuǎn)移至飛片907中，實現(xiàn)沖擊波載荷和氣泡射流載荷的時空分離。③利用吸能回收裝置9吸收全部陷入飛片907中全部水下爆炸沖擊波壓力脈沖動能，并為飛片907提供運動軌道，對飛片907進(jìn)行回收。④本發(fā)明基于霍普金森桿的水下爆炸壓力傳感器能夠直接測量水下爆炸沖擊波壓力和氣泡射流壓力，且以改進(jìn)的霍普金森桿801為基礎(chǔ)的測量元件量程大，便于加工，成本低廉，可以廣泛應(yīng)用于水下爆炸壓力測量領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的水下爆炸壁壓測量裝置的軸側(cè)視圖；

圖2a是根據(jù)圖1的示意性截面圖；圖2b是根據(jù)圖2a的橫剖圖；

圖3a為圖2a中細(xì)節(jié)7的示意性分解放大圖；圖3b為圖2b中細(xì)節(jié)7的放大橫剖圖；

圖4a為圖2a中細(xì)節(jié)8的示意性分解放大圖；圖4b是圖4a細(xì)節(jié)V的放大補充圖；圖4c為圖2b中細(xì)節(jié)8的放大橫剖圖；

圖5a為圖2a中細(xì)節(jié)9的示意性分解放大圖；圖5b為圖2b中細(xì)節(jié)9的放大橫剖圖；

圖6為試驗裝置總體示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

結(jié)合圖1～6，一種基于改進(jìn)的霍普金森桿水下爆炸壓力測量裝置，其試驗使用環(huán)境、具體結(jié)構(gòu)和測量過程及測量方法如下：

1.試驗使用環(huán)境

本發(fā)明的使用環(huán)境如圖6所示，除了本發(fā)明主體-水下爆炸壓力測量裝置1，試驗輔助系統(tǒng)包括光源5、水泥澆筑底座2、高速攝影機4、小型水箱3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6。

通過螺栓連接的方式將水下爆炸壓力測量裝置1固定在水泥澆筑底座2上，水泥澆筑底座2具有造價低、結(jié)構(gòu)牢固等特點，為水下爆炸壓力測量裝置1提供支撐。

小型水箱3四周側(cè)面開有兩對長圓形的采光窗口以及觀察窗口，窗口由外到內(nèi)依次是長圓形透明樹脂板、密封墊片，最后通過螺栓連接的方式將采光窗口以及觀察窗口固定在小型水箱3上。

本試驗的光源5采用高頻光源，光源5設(shè)置在距小型水箱采光窗口0.5米附近，其高度與拍攝物體對齊。

高速攝影機4設(shè)置在距小型水箱觀察窗口1米附近，高速攝影機4的鏡頭高度調(diào)至與拍攝物體對齊。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6(包括電腦)可安置在距小型水箱5～6米處，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與高速攝影機、應(yīng)變儀706和激光接收器810通過數(shù)據(jù)線相連，在遠(yuǎn)程控制高速攝影機4、應(yīng)變儀706和激光接收器810的觸發(fā)和關(guān)閉。

2.水下爆炸壓力測量裝置

該壓力測量裝置主體由上到下依次由吸能回收裝置9、沖擊波載荷分離器裝置8和改進(jìn)的霍普金森桿測量元件7組成，吸能回收裝置用于吸收全部陷入飛片907中全部水下爆炸沖擊波壓力脈沖動能，沖擊波載荷分離裝置用于將改進(jìn)的霍普金森桿801中的水下爆炸沖擊波壓力脈沖全部轉(zhuǎn)移至飛片907中，實現(xiàn)沖擊波載荷分離，改進(jìn)的霍普金森桿測量元件用于放大水下爆炸沖擊波壓力和氣泡射流壓力信號，并輔助所述沖擊波載荷分離裝置實現(xiàn)沖擊波載荷分離，最終實現(xiàn)時空分離的水下極近場爆炸的沖擊波壓力和氣泡射流壓力的測量。

吸能回收裝置9由二號十字式開孔支撐件902、限位圓柱套筒903、阻尼橡膠墊904、滾珠直線軸承905、直線軸承壓板906和飛片907組成。在直線軸承壓板906底部采用螺紋連接方式將滾珠直線軸承905裝配于限位圓柱套筒903的內(nèi)部；吸能橡膠墊904裝配在限位圓柱套筒903內(nèi)孔的端部；限位圓柱套筒903通過螺栓連接方式裝配在二號十字式開孔支撐件902上；二號十字式開孔支撐件902通過螺栓方式安裝在防護(hù)筒901的內(nèi)置環(huán)肋上。

當(dāng)透射沖擊波脈沖從飛片907的自由端反射時，飛片907帶著陷入其中的透射沖擊波脈沖的全部動量飛離，滾珠直線軸承905可控制飛片907的運動軌跡，而聯(lián)合阻尼橡膠墊904的限位圓柱套筒903可以將飛片907的動能轉(zhuǎn)化至阻尼橡膠墊904中進(jìn)而控制飛片907的最終位移。

沖擊波載荷分離器裝置8由改進(jìn)的霍普金森桿801、上下直線軸承壓板813、802、上下滾珠直線軸承812、803、一號十字式開孔支撐件804、直線軸承固定基座805、單向彈簧擋板裝置基座806、單向彈簧擋板裝置807、直線軸承固定及激光測速基座808、激光發(fā)射器809，激光接收器810、環(huán)形激光測速裝置基座811、飛片907組成。其裝配順序為：在直線軸承壓板802底部采用螺紋連接方式將一對滾珠直線軸承803裝配于直線軸承固定基座805和直線軸承固定及激光測速基座808的內(nèi)部；通過螺栓連接方式將單向彈簧擋板裝置807和單向彈簧擋板裝置基座806裝配在一起(如圖4b所示)；再將單向彈簧擋板裝置基座806通過螺紋連接方式進(jìn)行裝配(如圖4c所示)；通過螺紋連接方式將激光發(fā)射器809和激光接收器810裝配在環(huán)形激光測速裝置基座811上，在將裝配體整體螺紋安裝固定在直線軸承固定及激光測速基座808上；直線軸承固定基座805和直線軸承固定及激光測速基座808通過螺栓連接；將連接完整的基座螺栓連接在一號十字式開孔支撐件804上。

當(dāng)沖擊波載荷分離器裝置8處于操作狀態(tài)中時，水下爆炸沖擊波以縱波的形式在改進(jìn)的霍普金森桿801以一定的速度沿著軸向進(jìn)行傳播，而初始狀態(tài)的飛片907與改進(jìn)的霍普金森桿801端部涂以機油相連接，沖擊波脈沖波經(jīng)過改進(jìn)的霍普金森桿801和飛片907的接觸端面透射入飛片907中，而當(dāng)沖擊波脈沖在飛片的自由端反射為拉伸脈沖波，并當(dāng)接觸端部出現(xiàn)凈拉力時，飛片907將帶著陷入其中的動量沿著滾珠直線軸承803的軸向方向飛離。飛片907的長度要求總大于沖擊波脈沖長度的一半，沖擊波脈沖的動量將全部陷入飛片907中，因此當(dāng)飛片907飛離時，改進(jìn)的霍普金森桿801將保持靜止。飛片907的動量可由激光發(fā)射器809和激光接收器810組成的測速計來測得，而單向彈簧擋板裝置807可以控制飛片907的運動方向，實現(xiàn)沖擊波載荷的分離，為之后的氣泡射流載荷測量做好準(zhǔn)備。

改進(jìn)的霍普金森桿測量元件7由六角螺母701、平墊圈702、底座703、改進(jìn)的霍普金森桿801、應(yīng)變片706組成。其裝配順序為：采用螺紋連接方式將底座703裝配在防護(hù)筒901上；將應(yīng)變片706對稱貼在改進(jìn)的霍普金森桿801上；最后將改進(jìn)的霍普金森桿801自下而上穿過底座703，并且利用六角螺母701和平墊圈702將改進(jìn)的霍普金森桿801固定連接在底座703上。

試驗時，當(dāng)水下爆炸沖擊波作用在改進(jìn)的霍普金森桿801時，透射沖擊波脈沖以縱波的形式進(jìn)行傳播。隨后觸發(fā)沖擊波載荷分離器裝置8，當(dāng)飛片907飛離時，改進(jìn)的霍普金森桿801將保持靜止，為后面測量射流載荷做好準(zhǔn)備。當(dāng)水下爆炸射流載荷作用在改進(jìn)的霍普金森桿801時，透射射流載荷脈沖以縱波的形式進(jìn)行傳播，射流載荷脈沖在改進(jìn)的霍普金森桿801的上方自由端反射為拉伸脈沖波，并當(dāng)改進(jìn)的霍普金森桿801底部出現(xiàn)凈拉力時，改進(jìn)的霍普金森桿801將帶著陷入其中的動量飛離底座703(并通過撞擊底座703最終耗盡能量)。

該水下爆炸壓力測量裝置滿足測量和強度要求：為使得脈沖波在測量元件的傳播過程屬于彈性范圍之內(nèi)，根據(jù)沖擊波傳遞規(guī)律以及測量元件的固有材料屬性，對測量元件的材料及長度進(jìn)行選定。改進(jìn)的霍普金森桿和飛片均要處于彈性狀態(tài)下，且接觸端面處的改進(jìn)的霍普金森桿和飛片需要具有相同的直徑和材質(zhì)，即彈性模量E、波速c和波阻抗ρc均相同。改進(jìn)的霍普金森桿和飛片的材料為40Cr。

3.試驗過程及數(shù)據(jù)測量

本發(fā)明所述水下近場爆炸壓力測量系統(tǒng)的試驗過程及數(shù)據(jù)測量，如下所述：

1)根據(jù)圖1～5對水下爆炸壓力測量裝置1進(jìn)行裝配。按照圖6所示布置試驗環(huán)境，將水下爆炸壓力測量裝置1固定在水泥澆筑底座2上，并檢查水下爆炸壓力測量裝置1的水密性；利用LED高頻光源5對水下光測環(huán)境進(jìn)行補光，以保證拍攝效果；高速攝像機4放置在拍攝物體的前視角，高速攝影機4的鏡頭高度調(diào)至與拍攝物體對齊；通過布置數(shù)據(jù)線將高速攝影機4、應(yīng)變儀706和激光接收器810與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6相連，并檢查相應(yīng)的信號連接傳遞狀態(tài)。

2)按照工況選擇藥包質(zhì)量、爆距和水深，藥柱放置在水下爆炸壓力測量裝置的正下方某一水深處；啟動光源6和高速攝影機4，并調(diào)節(jié)光源6的亮度、位置以及角度，使得高速攝影機4中的畫面清晰；調(diào)節(jié)高速攝影機4的拍攝參數(shù)、位置和角度，使得視角能夠清晰捕捉包含藥包爆炸后產(chǎn)生氣泡最大半徑以及輔助壁面的影像。

3)檢測遠(yuǎn)程爆源觸發(fā)、高速攝影機數(shù)據(jù)采集觸發(fā)、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集觸發(fā)和激光測速數(shù)據(jù)采集觸發(fā)是否同步。

4)遠(yuǎn)程同步觸發(fā)爆源、高速攝影機數(shù)據(jù)采集、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集和激光測速數(shù)據(jù)采集，藥柱瞬間引爆并向外輻射沖擊波脈沖壓力，隨后伴隨水下爆炸氣泡的膨脹、坍塌，氣泡受到壁面吸引后產(chǎn)生氣泡射流。藥柱引爆瞬間的同時，高速攝像機4會捕捉到整個爆轟過程。同時觸發(fā)的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集和激光測速儀將會分別記錄沖擊波載荷和氣泡射流載荷的電壓信號以及飛片907的速度。