一種微型火工作動裝置的高精度動態(tài)推力測試系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】一種微型火工作動裝置的高精度動態(tài)推力測試系統(tǒng) 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種火工作動裝置輸出推力的測試系統(tǒng)，特別是一種微型火工作動裝 置的高精度動態(tài)推力測試系統(tǒng)，屬于火工品測試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 微型火工作動裝置具體積小、重量輕、功率大、作用迅速，能夠完成機械作動裝置 無法實現(xiàn)的特殊要求，被廣泛的應(yīng)用在引信安全系統(tǒng)解除保險機構(gòu)中。其中微型火工作動 裝置的輸出性能即推力性能是決定其能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的測量火工作動裝置推 力性能的方法有兩種：推動載荷重物法和壓力傳感器法。推動載荷重物法即在火工作動裝 置的活塞上方加載一定重量的載荷如砝碼，測試活塞將多大重量的載荷推起多高，測試中 不斷改變砝碼的重量，以確定火工作動裝置的做功能力范圍。該方法測試誤差大，受砝碼 重量大小影響大，且火工作動裝置中的活塞在推動載荷一瞬間就會相互分離，無法測得動 態(tài)推力-行程關(guān)系，對火工作動裝置藥量設(shè)計及懸臂梁強度設(shè)計的指導(dǎo)性差。而壓力傳感 器法是在距離活塞末端一定距離處放置一個壓力傳感器，當活塞運動到此處時，會撞擊到 壓力傳感器上并被記錄推力大小，以此來確定火工作動裝置的推力。該方法中的傳感器是 固定不動的，沒有隨著活塞的運動而運動，只能得到火工作動裝置在固定行程位置處的推 力-時間關(guān)系，而且因活塞的運動會產(chǎn)生一定的沖量沖擊振動，對測試結(jié)果有一定的影響。 顯然這些傳統(tǒng)測試方法都不能滿足對微型火工作動裝置輸出推力與-時間關(guān)系的測試要 求。并且目前國內(nèi)尚缺少火工作動裝置的推力測試方法的標準和規(guī)范，也急需制定一個能 夠?qū)崿F(xiàn)標準化測量的技術(shù)規(guī)范。
[0003] 1996年魯建存等人在《活塞作動器輸出參數(shù)的計算與試驗》中曾采用壓力傳感器 對活塞作動器的輸出推力-時間曲線進行了測試。其測試系統(tǒng)組成主要包括推力傳感器、 高速數(shù)據(jù)采集分析儀和微機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，但該方法也是基于傳統(tǒng)的壓力傳感器法來測試 的，實驗中需要固定傳感器不動，而火工作動裝置的活塞通過火藥氣體的推動加速運動撞 擊到傳感器上，這種方法有著明顯的弊端，當傳感器在受到活塞沖擊載荷作用時，要產(chǎn)生很 大的動應(yīng)力和動變形，在極短的時間內(nèi)，活塞的速度也會發(fā)生極大的變化，測得的推力并不 是真實的火藥作用下的活塞推力。2003年國防科技大學吳文杰在《火工品作動力動態(tài)測試 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)》中采用壓電式力傳感器和加速度傳感器，在特制的砝碼車上對活塞作動 器產(chǎn)生的推力進行了直接測試，其測試系統(tǒng)主要包括推力傳感器、測試臺架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 等。但是該系統(tǒng)中的砝碼負載還不能代表實際應(yīng)用情況，砝碼不同，測得的推力也不同，而 且砝碼車的尺寸和推力量級不適合微型火工作動裝置的推力-時間關(guān)系的測量。
[0004] 可以說，對于現(xiàn)有的推力測試方法僅是從定性或半定量的角度來判斷火工作動裝 置的做功性能，尚不能對火工作動裝置進行全面的性能評估。要想達到現(xiàn)代微機電系統(tǒng)的 技術(shù)要求，繼續(xù)簡單采用文獻中的現(xiàn)有技術(shù)或組合是很難實現(xiàn)的，還需要探索新的測試思 想才能解決上述的技術(shù)瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述測試方法的種種不足，提高微型火工作動裝置輸出威力的測量精 度，本發(fā)明提出用懸臂梁式應(yīng)變傳感器測量微型火工作動裝置的推力性能變化，設(shè)計一種 貼有應(yīng)變傳感器的懸臂梁組成的推力傳感器，配備合適的信號調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可 用于精確的測量微型火工作動器的推力-時間關(guān)系。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 按照本發(fā)明的測量思路，設(shè)計一個火工作動裝置的推力特性測試系統(tǒng)，其組成主 要包括被測火工作動裝置、火工作動裝置固定夾具、懸臂梁、應(yīng)變傳感器、懸臂梁固定夾具、 信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、發(fā)火控制箱及電源，其中應(yīng)變傳感器通過粘結(jié)劑貼在距離懸臂 梁頂端一定距離處，火工作動裝置、火工作動裝置固定裝置、懸臂梁、懸臂梁固定夾具通過 螺栓連接在一起，并且火工作動裝置中活塞的頂端緊貼著懸臂梁并與懸臂梁頂部平齊。當 火工作動裝置的活塞開始運動時，推動懸臂梁發(fā)生彎曲變形，應(yīng)變傳感器開始采集應(yīng)變信 號并傳送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0008] 所述懸臂梁材料選自鈹青銅、黃銅、鋼中的至少一種，懸臂梁長度為6~10mm，寬 度為1~I. 5_，厚度為0· 5~2. 0_。
[0009] 所述應(yīng)變傳感器寬度小于懸臂梁寬度的一半，以減小應(yīng)變測量的邊界效應(yīng)。
[0010] 所述應(yīng)變傳感器的柵長和柵寬均小于1_，靈敏系數(shù)不小于2. 08,適用于活塞直 徑為0· 5~1.0 mm的推力裝置的動態(tài)推力測量。
[0011] 所述應(yīng)變傳感器在懸臂梁正反兩面各粘貼一個，同步測量兩面變形應(yīng)變，以消除 懸臂梁兩側(cè)彎曲的曲率半徑不同所造成的應(yīng)變量誤差，提高測量精度。
[0012] 所述微型火工作動裝置固定夾具可以同時安裝5個以上的微型火工作動裝置，以 提高測量效率和測量條件一致性，微型火工作動裝置通過通孔裝入夾具，在夾具垂直方向 開有螺紋孔，用螺釘固定。
[0013] 當外界給定微火工作動裝置預(yù)定的激勵能量后，發(fā)火件點火，引燃做功藥劑釋放 高溫高壓氣體推動活塞軸向運動，同時懸臂梁在活塞的推力作用下發(fā)生彎曲變形，應(yīng)變片 感應(yīng)懸臂梁發(fā)生彎曲的應(yīng)變變化信號通過信號調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換并放大信號后傳輸給動態(tài)分析 儀實時儲存，再通過應(yīng)力-應(yīng)變標定關(guān)系換算得出微型火工作動裝置動態(tài)的推力-時間關(guān) 系。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：此種方法能夠同時動態(tài)測量微型火工作動裝置的推力-時 間關(guān)系，應(yīng)變傳感器的懸臂梁可以采用MEMS安保機構(gòu)的原配零件，可不改變被測物體的推 力-時間關(guān)系，測量的火工作動器和懸臂梁安保機構(gòu)的動態(tài)推力-行程關(guān)系，正是對應(yīng)于 MEMS安保機構(gòu)在實際發(fā)火作用過程中出現(xiàn)的推力-時間關(guān)系，測量結(jié)果可直接用于火工作 動器動態(tài)推力評價及火工作動器和懸臂梁安保機構(gòu)的推力-時間性能評價。測量系統(tǒng)引入 誤差小，且結(jié)構(gòu)簡單，一次安裝可同時測量多個微型作動裝置的推力，可提高安裝效率和測 量一致性。
【附圖說明】
[0015] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0016] 圖1是懸臂梁式應(yīng)變傳感器的工作原理示意圖。圖中應(yīng)變傳感器安裝在距離懸臂 梁固定端i處，懸臂梁長度為1，F(xiàn)為給懸臂梁在端點B處施加的推力，ω為懸臂梁在力F 的作用下產(chǎn)生的位移，Θ為懸臂梁變形產(chǎn)生的彎曲角度。
[0017] 圖2是懸臂梁結(jié)構(gòu)尺寸圖。
[0018] 圖3是測試裝置的裝配示意圖。
[0019] 圖4是基于本發(fā)明設(shè)計的火工作動裝置的作動特性測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖5是火工作動裝置活塞的典型推力一時間曲線。
【具體實施方式】
[0021] 在圖1中，應(yīng)變傳感器安裝在距離懸臂梁固定端i處，火工作動裝置的活塞產(chǎn)生的 推力F作用于懸臂梁的B處，從而導(dǎo)致懸臂梁發(fā)生彎曲，應(yīng)變片感應(yīng)應(yīng)力變化信號ε i，經(jīng)信 號處理器處理并記錄。在得到應(yīng)變信號ε,_后，通過下面的公式計算得到推力F。
【主權(quán)項】
1. 一種微型火工作動裝置的高精度動態(tài)推力測試系統(tǒng)，其特征是：它采用懸臂梁式應(yīng) 變傳感器測量火工作動裝置的推力特性，對應(yīng)的動態(tài)推力測試系統(tǒng)組成包括被測火工作動 裝置、火工作動裝置固定夾具、懸臂梁、應(yīng)變傳感器、懸臂梁固定夾具、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)、發(fā)火控制箱及電源，當微型火工作動裝置的活塞開始運動并接觸到懸臂梁時，推動 懸臂梁發(fā)生彎曲變形，應(yīng)變傳感器感應(yīng)懸臂梁發(fā)生彎曲的應(yīng)變大小并輸出變化信號，再經(jīng) 過信號調(diào)理器轉(zhuǎn)換放大后傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再由提前得到的應(yīng)力-應(yīng)變標定曲線換算 可以獲得微型火工作動裝置動態(tài)的推力-時間關(guān)系。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型火工作動裝置的高精度動態(tài)推力測試系統(tǒng)，其特征是： 所述懸臂梁材料選自鈹青銅、黃銅、鋼中的至少一種，懸臂梁長度為6~10mm，寬度為1~ I. 5mm，厚度為 0· 5 ~2. 0mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型火工作動裝置的高精度動態(tài)推力測試系統(tǒng)，其特征是： 所述應(yīng)變傳感器寬度小于懸臂梁寬度的一半，以減小應(yīng)變測量的邊界效應(yīng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型火工作動裝置的高精度動態(tài)推力測試系統(tǒng)，其特征是： 所述應(yīng)變傳感器的柵長和柵寬均小于1_，靈敏系數(shù)不小于2. 08,適用于活塞直徑為0. 5~ 1.0 mm的推力裝置的高瞬態(tài)推力測量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型火工作動裝置的高精度動態(tài)推力測試系統(tǒng)，其特征是： 所述應(yīng)變傳感器在懸臂梁正反兩面各粘貼一個，同步測量兩面變形應(yīng)變，以消除懸臂梁兩 側(cè)彎曲的曲率半徑不同所造成的應(yīng)變量誤差，提高測量精度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型火工作動裝置的高精度動態(tài)推力測試系統(tǒng)，其特征是： 所述微型火工作動裝置固定夾具可以同時安裝5個以上的微型火工作動裝置，以提高測量 效率和測量條件一致性，在夾具垂直方向開有螺紋孔，微型火工作動裝置通過通孔裝入夾 具后用螺釘固定并使懸臂梁頂端對正微型火工作動裝置。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微型火工作動裝置的高精度動態(tài)推力測試系統(tǒng)，其組成包括微型火工作動裝置、合適強度的小尺寸懸臂梁、小尺寸應(yīng)變傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)字采集系統(tǒng)和微型火工作動裝置固定夾具等組成。相比傳統(tǒng)的測量方法，本發(fā)明一次可以同時測量多個微型火工作動裝置的運動特性，且一次推力測量可獲得全行程的推力-時間關(guān)系，對被測樣品的推動干擾影響小，具有測量系統(tǒng)安全穩(wěn)定、測量精度高等特點。依據(jù)本發(fā)明的測試系統(tǒng)工作原理在精確測量火工作動裝置的推力、位移等運動特性測試方法方面具有很好的推廣應(yīng)用前景。
【IPC分類】G01L5-00, G01L1-04, G01L1-06
【公開號】CN104634495
【申請?zhí)枴緾N201510067978
【發(fā)明人】嚴楠, 鮑丙亮, 張靜偉, 張良, 高光澤, 王剛, 李朝振, 蔣俊, 程俊, 鄭飛
【申請人】北京理工大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月9日