杠杆留痕式爆炸空气冲击波入射角度测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于火炸药测试技术领域，具体涉及一种爆炸空气冲击波入射角度的测量装置及测量方法。

背景技术

在对爆炸产生的冲击波破坏力进行测量时，爆心位置是一个很重要的参数。目前，对于空中爆炸的爆心测量已有一定的研究，并已开发出一些爆心测量方法。比较实用的有，基于压力传感器的平面阵测量法，该方法通过测得的压力峰值和经验公式确定爆心位置，仅对于标准炸药球来说是可行的，对于非标的炸药爆炸可能产生很大的误差，且压力传感器本身测量精度有限，也会造成比较大的定位误差；基于高速摄影的光幕测量法，该方法只能测定摄影仪视野内的爆炸过程的爆心位置，可测角度范围有限，且仪器价格昂贵，试验中还存在被损坏的风险。

此外，目前的测量方法大多是针对静态爆炸的。为了真实反应动爆(包括意外爆炸)的爆心位置和毁伤威力，近年来动态爆炸试验开展得越来越多。而动态爆炸试验与静态爆炸试验相比，由于爆心位置不固定和起爆时刻未知等因素的影响，要准确确定其爆心和评估爆炸威力，比较通用的做法是大量布置以冲击波压力传感器为主的各种电测传感器，然后通过采集得到的数据反演爆心的位置和爆炸威力；当然也可以辅助利用高速摄影等光学手段进行拍摄，以帮助进行爆心定位；这些测量方法都属于有源测量系统(需要供电)，使用成本和难度均比较大。另外一种做法是布置相应的效应靶，如松木板、钢板、脚架等，通过这些效应物的变形和破坏情况，属于等效测量方法，通常精度非常有限，只能定性评价。

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、布设难度大等问题，尤其是在相对恶劣的自然环境中可能无法使用。

2.等效测量方法精度不够。

如何解决现有技术存在的上述缺陷或不足，提升静、动态爆炸入射冲击波的测向精度和便捷程度，并可进行精确的爆心定位，是本领域技术人员极为关注的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种杠杆留痕式空气冲击波入射角度测量装置及测量方法，并利用杠杆原理提高装置的精度，解决现有电测方法设备系统复杂、存在电磁干扰等难题。所提供的测量装置具有结构简单、成本低、抗电磁干扰能力强、布设快速、结果处理方便、测量精度高等特点，可用于标准试验场、野外试验场以及其他更恶劣自然场地的炸药爆炸冲击波入射角度的测量，为冲击波参数测量和爆心定位提供一种新的测量工具。

本发明利用杠杆原理记录冲击波加载后迎风球的运动方向和转动角度，从而实现空中爆炸冲击波入射角度的快速准确测量。

本发明主体为立方体状，由基座、五个盖板、五组杠杆式留痕装置、五个留痕层和两个安装支座组成，基座为实心立方体，定义立方体有安装支座的一端为本发明的底端，与其相对的一端为本发明的顶端，从底端到顶端的角度定义为z轴的正角度；按照右手坐标系的定义方法，即可确定x轴和y轴角度。定义每组杠杆式留痕装置中摇杆靠近迎风球的一端为摇杆的顶端，远离迎风球的一端为摇杆的底端。基座的底面焊接安装支座，用于和外界固定装置衔接，其他五个面各布置一组杠杆式留痕装置，每个面靠近四个角的位置挖有基座螺丝孔。基座有五个面的中心挖有留痕层固定面，留痕层固定面为半球形。盖板中间焊接有万向球形螺栓，通过螺纹使万向球形螺母拧紧在万向球形螺栓上，盖板的四个角部有盖板螺栓通孔，位置和基座螺丝孔一致。盖板上靠近迎风球的一面刻制有角度尺。五块盖板分别通过螺栓穿过盖板螺栓通孔、拧进基座螺丝孔，分别固定在基座五个面上，从而封装杠杆式留痕装置。每组杠杆式留痕装置均由迎风球、摇杆、万向球、留痕层固定面、留痕层组成。迎风球、摇杆和万向球按从顶部到底部的顺序装配，迎风球和万向球球心位于摇杆的轴线上，万向球处于摇杆中部。留痕层固定面为半球形，其球心位于摇杆的轴线，以万向球为分界线，万向球顶端连接的为摇杆的摇杆上半部分，万向球底端连接的为摇杆的摇杆下半部分，万向球和摇杆上半部分、摇杆下半部分紧密牢固连接。摇杆上半部分为一根圆柱形细长杆，长度为L

迎风球用于将空气中当地冲击波能量转换为自身的动能，以球型为宜，直径D

摇杆用于连接和固定迎风球，分为两截，为圆柱型。摇杆直径D

万向球对摇杆起到杠杆作用，迎风球摆动带动摇杆底部尖端刻画痕迹，为球形。万向球直径D

盖板用于固定和密封摇杆和基座、显示摇杆摆过的角度，其形状与基座匹配即可，外形为正方形薄板，盖板边长L

基座用于固定留痕层，为实心正方体，正方体有五个面挖有半球形留痕层固定面，底面焊接了安装支座，螺丝穿过安装支座的圆形通孔、配合螺母使用，可将基座固定在外部支架上。基座边长L

留痕层用于记录摇杆尖端摆过的痕迹，为半球壳形，留痕层的外表面和半球形留痕层固定面的内表面完全重合，采用普通胶水粘合。留痕层内径D

安装支座为长条形，挖有圆形通孔，长度L

采用本发明进行空气冲击波入射角度测量的过程是：

第一步，测量前准备：

1.1在冲击波入射角度测量开始前，确保万向球和盖板万向球形螺栓紧密接触、盖板与基座紧密接触；确保摇杆尖端穿过留痕层、恰好与留痕层固定面接触；确保留痕层外表面和基座留痕层固定面完整、紧密相贴、在测量中留痕层与基座不发生相互移动；确保基座留痕层固定面的球心位于摇杆的轴线上；

1.2确保迎风球、万向球均固结在摇杆上，测量过程中迎风球、摇杆、万向球三者的相对位置不发生变化。

1.3测量前，摇杆应垂直于盖板平面，将本发明整体牢固固定在外部支架上，外部支架为细长杆，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。

1.4检查万向球和盖板万向球形螺栓之间是否紧密接触、盖板和基座之间是否紧密接触、留痕层和基座留痕层固定面是否紧密接触，这些均可直接观察判断，摇杆尖端是否位于留痕层中可以直接观察判断。

第二步，进行测量：

2.1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，当冲击波到达迎风球表面时，冲击波加载迎风球，冲击波的能量传递给迎风球，并转化为迎风球的动能，迎风球通过摇杆带动尖端转动，摇杆尖端开始刻画留痕层。

2.2爆炸冲击前，摇杆垂直于盖板，经爆炸冲击后，五根摇杆分别转动了一定的角度，通常选取顶部摇杆(这里记为摇杆a)和侧面四根摇杆中相邻的两根摇杆(这里记为摇杆b和摇杆c)，采用这三根摇杆的转动轨迹即可以确定冲击波的入射角度。例如，冲击波入射后，这三根摇杆分别转动了一定角度；首先将摇杆a向x-y面进行投影，通过盖板上刻制的角度尺判读得到摇杆a在盖板上的投影和x轴正向夹角α

第三步，实验结束后，通过将活动螺栓卸下更换新的留痕层6，从而实现装置的再次利用。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明通过使用角度尺判读摇杆转动的角度，完成冲击波相对于该测点的入射角度的定量测量。

2.本发明的迎风球可360°转动，可测冲击波入射角度范围广，从而能够适用于爆炸近场、中场、远场冲击波不同入射角度的测量。

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(角度尺43仅是示意，不代表实物)。

图2是本发明受爆炸冲击前的I-I’方向透视图(为保证示意图简洁清晰，仅z-x面对应的盖板4上的万向球形螺栓41和万向球形螺母42画出，且万向球形螺母42处于拧松状态，其余四个盖板4上的万向球形螺栓41、万向球形螺母42均未画出；背面的两组摇杆装置未画出；所有的角度尺43均未画出)。

图3是本发明受爆炸冲击后的I-I’方向透视图(为保证示意图简洁清晰，所有盖板4上的万向球形螺栓41和万向球形螺母42未画出；背面的两组摇杆装置未画出；前面三个盖板4上的角度尺43仅画了两圈角度以示意，不代表实物)。

图4是本发明迎风球1和摇杆2沿图1中I-I’方向剖面图。

图5是本发明盖板4的结构示意图，图5(a)是本发明盖板4的三维示意图，图5(b)是万向球形螺母42的三维示意图，图5(c)是盖板4沿图1中I-I’方向的剖面图，图5(d)是图3左侧盖板4上的角度尺43展示图，图5(e)是图3右侧盖板4上的角度尺43展示图。

图6是本发明基座5的三维示意图。

附图标记说明：

1.迎风球，2.摇杆，21.摇杆上半部分，22.摇杆下半部分，23.摇杆尖端，3.万向球，4.盖板，41.万向球形螺栓，42.万向球形螺母，43.角度尺，44.盖板螺栓通孔，5.基座，51.留痕层固定面，52.基座螺丝孔，6.留痕层，7.安装支座。

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，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，图2是本发明受爆炸冲击前的I-I方向透视图。如图1和图2所示，本发明主体为立方体状，由基座5、五个盖板4、五组杠杆式留痕装置、五个留痕层6和两个安装支座7组成。基座5为实心立方体，定义立方体有安装支座7的一端为本发明的底端，与其相对的一端为本发明的顶端，从底端到顶端的方向定义为z轴的正方向；按照右手坐标系的定义方法，即可确定x轴和y轴方向。定义每组杠杆式留痕装置中摇杆2靠近迎风球1的一端为摇杆2的顶端，远离迎风球1的一端为摇杆2的底端。基座5的底面焊接安装支座7，用于和外界固定装置衔接，其他五个面各布置一组杠杆式留痕装置，每个面靠近四个角的位置挖有基座螺丝孔52。基座5有五个面中心挖有留痕层固定面51，留痕层固定面51为半球形。盖板4中间焊接有万向球形螺栓41，通过螺纹使万向球形螺母42拧紧在万向球形螺栓41上，盖板4的四个角部有盖板螺栓通孔44，位置和基座螺丝孔52一致。盖板4靠近迎风球1的一面刻制有角度尺43。五块盖板4分别通过螺栓穿过盖板螺栓通孔44、拧进基座螺丝孔52，分别固定在基座5五个面上，从而封装杠杆式留痕装置。每组杠杆式留痕装置均由迎风球1、摇杆2、万向球3、留痕层固定面51、留痕层6组成。迎风球1、摇杆2和万向球3按从顶部到底部的顺序装配，迎风球1和万向球3球心位于摇杆2的轴线上，万向球3处于摇杆2中部。留痕层固定面51为半球形，其球心位于摇杆2的轴线，以万向球3为分界线，万向球3顶端连接的为摇杆2的摇杆上半部分21，万向球3底端连接的为摇杆2的摇杆下半部分22，万向球3和摇杆上半部分21、摇杆下半部分22紧密牢固连接。摇杆上半部分21为一根圆柱形细长杆，长度为L

图2是本发明受爆炸冲击前的轴向透视图。如图2和图4所示，迎风球1为球形，直径D

如图2和图4所示，摇杆2分为两截，为圆柱型。摇杆2直径D

如图2所示和图5(a)所示，万向球3为球形，直径D

如图2及图5(a)所示，盖板4为正方形薄板，盖板4边长L

如图2及图6所示，基座5为实心正方体，正方体有五个面挖有半球形留痕层固定面51，底面焊接了安装支座7，采用螺丝穿过安装支座7的圆形通孔、配合螺母使用，可将基座5固定在外部支架上。基座5边长L

如图2所示，留痕层6为半球壳形，留痕层6的外表面和半球形留痕层固定面51的内表面完全重合，采用普通胶水粘合，留痕层6内径D

如图6所示，安装支座7是挖有圆形通孔的长条形，长度L

采用本发明进行空气冲击波入射角度测量的过程是：

第一步，测量前准备：

1.1在冲击波入射角度测量开始前，确保万向球3和盖板万向球形螺栓41紧密接触、盖板4与基座5紧密接触；确保摇杆尖端23穿过留痕层6、恰好与留痕层固定面51接触；确保留痕层6外表面和基座留痕层固定面51完整、紧密相贴、在测量中留痕层6与基座5不发生相互移动；确保基座留痕层固定面51的球心位于摇杆2的轴线上；

1.2确保迎风球1、万向球3均固结在摇杆2上，测量过程中迎风球1、摇杆2、万向球3三者的相对位置不发生变化。

1.3测量前，摇杆2应垂直于盖板4平面，将本发明整体牢固固定在外部支架上，外部支架为细长杆，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。

1.4检查万向球3和盖板万向球形螺栓41之间是否紧密接触、盖板4和基座5之间是否紧密接触、留痕层6和基座留痕层固定面51是否紧密接触，这些均可直接观察判断，摇杆尖端23是否位于留痕层6中可以直接观察判断。

第二步，进行测量：

2.1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，当冲击波到达迎风球1表面时，冲击波加载迎风球1，冲击波的能量传递给迎风球1，并转化为迎风球1的动能，迎风球1通过摇杆2带动尖端23转动，摇杆尖端23开始刻画留痕层6。

2.2爆炸冲击前，摇杆2垂直于盖板4，经爆炸冲击后，五根摇杆2分别转动了一定的角度，如图3所示，通常选取顶部摇杆2(这里记为摇杆a)和侧面四根摇杆2中相邻的两根摇杆2(这里记为摇杆b和摇杆c)，采用这三根摇杆2的转动轨迹即可以确定冲击波的入射角度。例如，冲击波入射后，这三根摇杆2分别转动了一定角度；首先将摇杆a向x-y面进行投影，通过盖板4上刻制的角度尺43判读得到摇杆a在盖板4上的投影和x轴正向夹角α

第三步，实验结束后，通过将活动螺栓卸下更换新的留痕层6，从而实现装置的再次利用。

将固定盖板4的螺栓拧下可以更换新的留痕层6，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，这些都属于本发明专利的保护范围。