本發(fā)明涉及激光測速領(lǐng)域，特別是涉及一種基于激光反射式的空氣炮彈丸測速系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)階段國內(nèi)外普遍采用空氣炮實驗來模擬高速設(shè)備的發(fā)射、運動、碰撞等過程?？諝馀诟咚購椡璋l(fā)生碰撞前的速度的精密測量，是實驗重復(fù)性和獲得碰撞后相關(guān)參數(shù)和穩(wěn)定性能分析的保證，直接關(guān)系到實驗結(jié)果的可靠性。

在現(xiàn)有技術(shù)中廣泛采用接觸靶、線圈靶和光幕靶作為觸發(fā)計時信號的區(qū)截方法。

采用接觸靶方案，其特點是需要在彈道上固定一個真實存在的靶面，彈丸通過該靶面時產(chǎn)生信號，用示波器記錄跳變時刻，計算速度。該方案原理和結(jié)構(gòu)簡單，但測量精度和量程上存在不足。

采用線圈靶方案，其特點是使用螺線管線圈感應(yīng)其產(chǎn)生的磁信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，采集感應(yīng)信號出現(xiàn)的時間，計算速度。該方案系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，但在抗干擾性和穩(wěn)定性上有所欠缺。

采用光幕靶方案，其特點是借助于激光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)化為光幕。彈丸穿過時引起光通量變化，經(jīng)光敏元件檢測并轉(zhuǎn)換為電信號，放大整形轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，計算速度。該方案測量精度高，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性不高的缺點。

上述方法的共性都是定距離測時間，但是在機(jī)械設(shè)計和性能效率方面都有著不同程度的不足。經(jīng)過對測量速度范圍、穩(wěn)定性、抗干擾性等方面的綜合考慮，開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、高靈敏度、抗干擾性強(qiáng)、高量程等諸多優(yōu)異性能的空氣炮彈丸測速裝置十分必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種激光反射式空氣炮彈丸測速系統(tǒng)，能實現(xiàn)對實驗?zāi)繕?biāo)發(fā)生碰撞前速度值的精密測量，激光反射式空氣炮彈丸測速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸式、高靈敏度、抗干擾性強(qiáng)、高量程等諸多優(yōu)異性能。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

激光反射式空氣炮彈丸測速系統(tǒng)，包括光信號激發(fā)單元、光信號捕捉單元、光電轉(zhuǎn)換單元和數(shù)據(jù)處理單元；所述光信號激發(fā)單元的信號輸出端與光信號捕捉單元的信號輸入端連接，光信號捕捉單元的信號輸出端與光電轉(zhuǎn)換單元的信號輸入端連接，所述光電轉(zhuǎn)換單元的信號輸出端與數(shù)據(jù)處理單元的信號輸入端連接。

進(jìn)一步的，所述光信號激發(fā)單元包括空氣炮彈丸捕捉器、空氣炮彈丸和漫反射激光源，所述空氣炮彈丸捕捉器為直線非透明材質(zhì)管道，管道的內(nèi)徑與空氣炮彈丸最大直徑采用間隙配合，所述漫反射激光源在空氣炮彈丸捕捉器同軸心位置且與空氣炮彈丸捕捉器出口處維持等效無限遠(yuǎn)間距。

進(jìn)一步的，所述空氣炮彈丸捕捉器出口內(nèi)壁處設(shè)置兩個光纖探頭靶安裝孔。

進(jìn)一步的，所述光信號捕捉單元包括前光纖探頭靶和后光纖探頭靶，前光纖探頭靶和后光纖探頭靶分別內(nèi)嵌在空氣炮彈丸捕捉器管道內(nèi)壁設(shè)置的兩個光纖探頭靶安裝孔中，其中后光纖探頭靶靠近空氣炮彈丸捕捉器出口。

進(jìn)一步的，所述空氣炮彈丸作為測速目標(biāo)，空氣炮彈丸的彈頭表面經(jīng)過特殊涂層工藝處理，使空氣炮彈丸的彈頭表面具有增強(qiáng)漫反射光強(qiáng)的性能，所述空氣炮彈丸的彈頭表面特殊涂層在空氣炮彈丸軸線上的有效長度L₁、空氣炮彈丸彈頭表面特殊涂層的最大直徑處的直徑前光纖探頭靶測量點和后光纖探頭靶測量點相對于彈丸捕捉器的軸線距離L₂三者之間的關(guān)系滿足

進(jìn)一步的，所述光電轉(zhuǎn)換單元包括兩個光電二極管和脈沖發(fā)生器，兩個光電二極管分別與前光纖探頭靶和后光纖探頭靶末端相連，兩個光電二極管的店電信號輸出端分別連接脈沖發(fā)生器兩端。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)處理單元包括包括計時儀、微處理器、存儲器和顯示器，數(shù)據(jù)處理單元以微處理器為中心，計時儀、存儲器和顯示器分別與微處理器相連。

有益效果：本發(fā)明的一種激光反射式空氣炮彈丸測速系統(tǒng)，包括光信號激發(fā)單元、光信號捕捉單元、光電轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理和儲存單元。能實現(xiàn)對實驗?zāi)繕?biāo)發(fā)生碰撞前速度值的精密測量。采用光纖探頭靶捕捉漫反射光源信號的方式在機(jī)械機(jī)構(gòu)和穩(wěn)定性上要優(yōu)于光幕靶方案，克服了接觸式測量法在量程和精度上的不足，在抗干擾性和穩(wěn)定性上也高于線圈靶方案。綜合所述：激光反射式空氣炮彈丸測速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸式、高靈敏度、抗干擾性強(qiáng)、高量程等諸多優(yōu)異性能。

附圖說明

圖1為本實用新型的原理結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為對光纖探頭靶安裝孔的位子限定示意圖；

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型作更進(jìn)一步的說明。

如附圖1所示一種激光反射式空氣炮彈丸測速系統(tǒng)，包括光信號激發(fā)單元1、光信號激發(fā)單元2、光電轉(zhuǎn)換單元3和數(shù)據(jù)處理單元4；所述光信號激發(fā)單元1的信號輸出端與光信號激發(fā)單元2的信號輸入端連接，光信號激發(fā)單元2的信號輸出端與光電轉(zhuǎn)換單元3的信號輸入端連接，所述光電轉(zhuǎn)換單元3的信號輸出端與數(shù)據(jù)處理單元4的信號輸入端連接。

光信號激發(fā)單元1包括空氣炮彈丸捕捉器5、空氣炮彈丸6和漫反射激光源10，所述空氣炮彈丸捕捉器5為直線非透明材質(zhì)管道，管道的內(nèi)徑與空氣炮彈丸6最大直徑采用間隙配合，所述漫反射激光源10在空氣炮彈丸捕捉器5同軸心位置且與空氣炮彈丸捕捉器5出口處維持等效無限遠(yuǎn)間距，等效無限遠(yuǎn)間距的具體數(shù)值的是指間距要遠(yuǎn)于空氣炮彈丸6飛出空氣炮彈丸捕捉器5之后的運動軌跡剛好與漫反射激光源10不相交時漫反射激光源10所在的位置。

空氣炮彈丸捕捉器5出口內(nèi)壁處設(shè)置兩個光纖探頭靶安裝孔，本實施案例中，兩個光纖探頭靶安裝孔的連線與空氣炮彈丸捕捉器5軸線平行。

光信號捕捉單元2包括前光纖探頭靶7和后光纖探頭靶8，前光纖探頭靶7和后光纖探頭靶8分別內(nèi)嵌在空氣炮彈丸捕捉器5管道內(nèi)壁設(shè)置的兩個光纖探頭靶安裝孔中，其中后光纖探頭靶8靠近空氣炮彈丸捕捉器5出口。

空氣炮彈丸6作為測速目標(biāo)，空氣炮彈丸6的彈頭表面經(jīng)過特殊涂層工藝處理，使空氣炮彈丸6的彈頭表面具有增強(qiáng)漫反射光強(qiáng)的性能。

如附圖1和2所示，前光纖探頭靶7測量點和后光纖探頭靶8測量點相對于彈丸捕捉器5的軸線距離L₂無限接近零時，空氣炮彈丸6的瞬間速度測量值最為精確，但為了保證空氣炮彈丸6有足夠的漫反射強(qiáng)度，空氣炮彈丸6彈頭表面強(qiáng)化涂層需要保證一定的軸向長度L₁，通過大量實驗表明，當(dāng)空氣炮彈丸6的彈頭表面的特殊涂層的軸線長度L₁和特殊涂層最大直徑處的直徑不變的情況下，L₂如果小于一定數(shù)值會造成系統(tǒng)誤差突變，所以為了最大限度消除系統(tǒng)誤差，L₂的值需要對其進(jìn)行范圍限定，本發(fā)明通過理論推導(dǎo)并結(jié)合大量實驗對L₂的值進(jìn)行如下限定：所述空氣炮彈丸6的彈頭表面特殊涂層在空氣炮彈丸6軸線上的有效長度L₁、空氣炮彈丸6彈頭表面特殊涂層的最大直徑處的直徑前光纖探頭靶7測量點和后光纖探頭靶8測量點相對于彈丸捕捉器的軸線距離L₂三者之間的關(guān)系滿足

如附圖1和2所示，后光纖探頭靶8測量點與空氣炮彈丸捕捉器5出口端面的垂直距離L₃無限接近零時，所得到的空氣炮彈丸6離開空氣炮彈丸捕捉器5時的初速度最真實，但是隨著L₃的變小，光電二極管受環(huán)境光源的干擾會越大，直接影響實驗的有效實施，為了最大限度消除干擾和最大限度保證測量值的真實性，L₃的值需要對其進(jìn)行范圍限定，本發(fā)明通過理論推導(dǎo)并結(jié)合大量實驗對L₃的值進(jìn)行如下限定：空氣炮彈丸捕捉器5管道內(nèi)的后光纖探頭靶8測量點與空氣炮彈丸捕捉器5出口端面相對于彈丸捕捉器的軸線距離L₃和空氣炮彈丸捕捉器5內(nèi)壁直徑之間滿足

光電轉(zhuǎn)換單元3包括兩個光電二極管9和脈沖發(fā)生器，兩個光電二極管9分別與前光纖探頭靶7和后光纖探頭靶8末端相連，兩個光電二極管9的電信號輸出端分別連接脈沖發(fā)生器兩端。

數(shù)據(jù)處理單元4包括包括計時儀、微處理器、存儲器和顯示器，數(shù)據(jù)處理單元4以微處理器為中心，計時儀、存儲器和顯示器分別與微處理器相連。

激光反射式空氣炮彈丸測速系統(tǒng)的速度測量方法，包括以下步驟：

步驟1：確定光信號激發(fā)單元2中前光纖探頭靶7測量點和后光纖探頭靶8測量點的相對于彈丸捕捉器的軸線距離，同時漫反射激光源將平行于空氣炮彈丸運動方向的光連續(xù)地導(dǎo)入彈丸捕捉器的彈丸出口管道使平行光能垂直射入彈丸捕捉器內(nèi)部。

步驟2：空氣炮彈丸捕捉器5入口捕捉到空氣炮彈丸，空氣炮彈丸沿著空氣炮彈丸捕捉器5彈道高速運動，投射在空氣炮彈丸6彈頭表面的光在空氣炮彈丸彈頭處激發(fā)漫反射；

步驟3：空氣炮彈丸途徑前光纖探頭靶7時，前光纖探頭靶7捕捉漫反射光信號，并觸發(fā)光電二極管9，發(fā)光電二極管9將電信號傳送給脈沖發(fā)生器，隨即脈沖發(fā)生器給計時儀開始信號；

步驟4：空氣炮彈丸途徑后光纖探頭靶8時，后光纖探頭靶8捕捉漫反射光信號，并觸發(fā)光電二極管9，發(fā)光電二極管9將電信號傳送給脈沖發(fā)生器，隨即脈沖發(fā)生器給計時儀結(jié)束信號；

步驟5：計時儀將時間差數(shù)據(jù)傳送給微處理器，微處理器用前光纖探頭靶7測量點和后光纖探頭靶8測量點的相對于彈丸捕捉器的軸線距離除以兩通道時間差可計算彈丸出口平均速度，最后微處理器將得出的數(shù)據(jù)傳送給顯示器和存儲器。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護(hù)范圍。