一种轻气炮加载下靶板的多项物理量测量系统

技术领域

本发明属于力学试验和材料测试技术领域，具体涉及一种基于轻气炮驱动的弹头冲击加载下靶板的多项物理量测量装置。

背景技术

随着各类装备火力的不断增强，装甲结构的也需要同步发展进步。各类装甲材料的性能测试实验往往是在极高应变率下进行的，以此获得材料在高速冲击载荷下的力学性能。同时，对于高速冲击的仿真分析所需的材料参数，也需要这类实验提供关键的参数。因此，高速冲击实验的各项参数的准确快速测量是十分必要的。

在科研实验和工程实际应用中，弹丸冲击靶板是很常见的冲击加载工况，这类冲击工况往往需要测量弹丸冲击速度、样品内的压力、应力波传播速度、靶板关键点的应变、靶板整体位移场、靶板整体应变场、靶板自由面粒子速度等物理量，弹丸速度通过电刷探针测量，样品内的压力通过内置锰铜应力计测量，应变和位移场可通过激光干涉测试技术测量，但激光干涉测试技术的测量需要将探针布置在样品自由面，对实验环境有一定要求。目前缺少更加便捷的无接触远程测量装置和技术方案来实现靶板自由面粒子速度、靶板内应力波传播速度、靶板自由面应变的测量。

发明内容

为解决激光干涉测速技术的应用局限性，本发明提出一种基于高速摄影和散斑数字测试技术的测量装置，该测量装置能够便捷、高效、无接触的实现对轻气炮驱动的弹头冲击加载下的样品自由面粒子速度、靶板内应力波传播速度、靶板自由面应变的测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现：

一种基于轻气炮冲击加载条件下的便捷测量系统，包括靶板、高速摄像机、高速摄像机和高反射镜面，所述靶板包括第一、第二靶板，第一靶板的背弹面设有二氧化钛高反光率涂料(在可见-近红外波段的光谱反射率在80％以上)，用于测量自由面应变，第二靶板的背弹面设有散点图案，用于测量自由面粒子速度；所述靶板设于轻气炮炮口的下游，高功率可调光源(LED阵列光源1m距离处中心位置最大照度80000Lux)分别布置在靶板上下两测，光源入射方向和靶板背弹面呈一定夹角，高反射镜面(高于90％可见光反射率)和CCD高速摄像机(最高200000帧/秒拍摄帧率、最小1μs曝光时间、1280*800像素)设于靶板背弹面一侧，且靶板的几何中心成像于高速摄像机的几何中心。

作为优选，靶板设置于圆形靶板夹持装置上，该夹持装置的中轴线与轻气炮炮口的中轴线重合，高反射镜面的几何中心和夹持装置的几何中心在同一直线上，高反射镜面的镜面一侧平面与靶板自由面呈一定夹角。

作为优选，第一、第二靶板的迎弹面统一高于夹持装置的迎弹侧，第一靶板的数量为两个且高度有差别，第二靶板的数量为一个。

作为优选，高功率可调光源设于第一、第二靶板两侧，平行于夹持装置，光源入射角与所述靶板在平面上均呈45度。

作为优选，根据有高度差的靶板自由面响应的时间差计算出应力波传播速度，逐帧标定自由面粒子位置，并计算出自由面粒子飞行速度。

作为优选，根据第二靶板背弹面散斑图像计算得到靶板自由面的应变。

本发明还公开了一种基于轻气炮冲击加载条件下的便捷测量系统的实验方法，包括以下步骤：

步骤一，选择用于测量自由面粒子速度和应力波传播波速的靶板，靶板有高度差，并在靶板自由面涂上高反射率涂层，将靶板粘结至夹持装置；

步骤二，在靶板上下两侧布置好高功率光源，调节光源和靶板夹角为45°；

步骤三，在靶板左右两侧布置高速摄像机，CMOS垂直靶板自由面。

步骤四，开启高速摄像机和光源，记录数秒内靶板自由面实况，启动实验，弹丸击中靶板。

步骤五，更换为散斑图案的靶板，粘结至夹持装置；

步骤六，在靶板上下两侧布置好高功率光源，调节光源和靶板夹角为45°；

步骤七，布置高反射率镜面和高速摄像机，形成靶板、镜面和CMOS为90°角光路。

步骤八，开启高速摄像机和光源，记录数秒内靶板自由面实况，启动实验，弹丸击中靶板。

步骤九，根据有高度差的靶板自由面响应的时间差计算出应力波传播速度，根据逐帧标定自由面粒子位置，计算出自由面粒子飞行速度。使用数字散斑测量技术，导入散斑靶板的图像，计算的得到靶板自由面的应变。

本发明相对现有技术的有益效果是：

(1)实验范围广泛，可适用于各种材料的弹靶冲击试验；

(2)实验过程为无接触测量，更方便实验环境的布置；

(3)实验成本低，夹持装置结构简单，易于生产，涂料和反射镜面也是常见的实验用品，高速摄像技术发展成熟，使用成本低。

(4)采用高速摄影技术，不仅可以得到自由面粒子速度和应变等性能参数，还可以同时记录靶板在高速冲击加载下的破坏形式，有助于理论分析和仿真模拟。

附图说明

图1是本发明一个实施例的安装靶板的夹持装置的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的靶板自由面粒子速度和应力波波速的测量系统示意图；

图3是本发明一个实施例的靶板自由面应变的测量系统示意图；

图4是本发明一个实施例的测量系统示意图的俯视图；

图5是本发明一个实施例的数字图像处理示意图。

图6是本发明一个实施例的散斑数字图像处理示意图。

上述附图中涉及的部件名称及标号如下：

靶板夹持装置1、靶板2、聚氨酯3、高功率可调光源4、高速摄像机5、靶板夹持装置1-1、靶板2-1、聚氨酯3-1、高功率可调光源4-1、高速摄像机5-1、高反射镜面6、靶板夹持装置3-1、靶板3-2、自由面粒子7、散斑测量点8。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明：

如图1至图4所示，一种基于轻气炮冲击加载条件下的便捷测量系统，该系统包括靶板夹持装置1、聚氨酯3、二氧化钛高反光率涂料(在可见-近红外波段的光谱反射率在80％以上)、高功率可调光源4(LED阵列光源1m距离处中心位置最大照度80000Lux)、高反射率镜面6(高于90％可见光反射率)和高速摄像机7(最高200000帧/秒拍摄帧率、最小1μs曝光时间、1280*800像素)。

首先准备有高度差的靶板实验件2(高度差不小于5mm，可清晰在摄像机中观察)，实验件分为两部分：第一部分在准备测量自由面粒子速度的靶板2背弹面涂上高反光率涂层；第二部分在准备测量自由面应变的靶板2-1背弹面上用高反射率涂料喷洒出于数字散斑测量的散点图案。

为保证实验测量的精度，靶板2自由面粒子速度和靶板2内应力波传播速度同时测量，靶板2自由面应变单独测量。

进行靶板2自由面粒子速度和靶板内应力波传播速度测量实验时，所述靶板2夹持装置1固定在轻气炮炮口一侧，夹持装置1的中轴线和炮口中轴线重合。将有高度差和高反光率涂层的靶板通过聚氨酯3粘结至夹持装置1上，且夹持装置1、靶板2三者的几何中心位于同一水平线上。两靶板厚度均大于夹持装置，靶板2的迎弹面统一高于夹持装置1的迎弹侧1mm。

将两台高功率光源4分别布置在靶板2上下两测，光源4入射方向和靶板2背弹面有45°夹角。

将两台高摄像机5分别布置于靶板2左右两侧，摄像机5的CMOS垂直于靶板2的背弹面。

进行靶板2-1自由面应变测量实验时，所述靶板夹持装置1-1固定在轻气炮炮口一侧，夹持装置1-1的中轴线和炮口中轴线重合。将高反光率涂料以散斑的形式涂在靶板2-1的自由面，靶板2-1通过聚氨酯3-1粘结至夹持装置1-1上，靶板2-1的迎弹面统一高于夹持装置1-1的迎弹侧1mm。高反射镜面6固定在背弹面一侧，高反射镜面6的几何中心和夹持装置1-1的几何中心在同一直线上，高反射镜面6的镜面一侧平面与靶板2-1自由面设置45°夹角。

将两台高功率光源4-1分别布置在靶板2-1上下两测，光源4-1入射方向和靶板2-1背弹面有45°夹角。

将高速摄像机5-1布置于靶板2-1背弹面一侧，靶板2-1、镜面6和摄像机5-1CMOS形成90°角光路，保证靶板2-1的几何中心成像于摄像机5-1CMOS的几何中心。

一种基于轻气炮冲击加载条件下的便捷测量系统的实验方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一，选择用于测量自由面粒子速度和应力波传播波速的靶板2，靶板2有高度差，并在靶板2自由面涂上高反射率涂层，将靶板2粘结至夹持装置1。

步骤二，在靶板2上下两侧布置好高功率光源4，调节光源4和靶板2夹角为45°。

步骤三，在靶板2左右两侧布置高速摄像机5，CMOS垂直靶板2背弹面。

步骤四，开启高速摄像机5和光源，记录数秒内靶板2自由面实况，启动实验，弹丸击中靶板2。

步骤五，更换为散斑图案的靶板2-1，粘结至夹持装置1-1。

步骤六，在靶板2-1上下两侧布置好高功率光源4-1，调节光源4-1和靶板2-1夹角为45°。

步骤七，布置高反射率镜面6和高速摄像机5-1，形成靶板2-1、镜面6和摄像机5-1CMOS为90°角光路。

步骤八，开启高速摄像机5-1和光源4-1，记录数秒内靶板2-1自由面实况，启动实验，弹丸击中靶板2-1。

步骤九，实验结束后，在高反射涂层和高功率光源得共同作用下，可通过高速摄像机采集到带有高反射涂层得粒子飞出靶板背弹面的图像。得到的数字图像如图5所示，记较薄靶板飞出粒子时间为t

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。