專利名稱:高速運動物體速度和形貌測試系統的制作方法
技術領域:
本發明涉及一種高速運動物體速度和形貌測試系統,主要用于高速運動物體的速度和形貌測試。
背景技術:
變加速運動物體速度的測試以及如何提高其測試精度,一直是測試人員努力探索的問題,特別是對那些運動速度快、工作時間短(工作時間僅有幾秒鐘)的測試對象,這一問題尤為突出。近年來,高速運動物體測試技術受到了極大的重視,有目的的獲得高速運動物體飛行中的屬性,最終將其轉化為實物并投入到實際應用中,意義重大。其中,以高速運動物體的速度和形貌作為研究對象,將一些高新技術應用于高速運動物體速度和形貌測量, 開發新的高速運動物體速度測量方法,提高測速精確度是一項長期研究的工作,是提高高速運動物體速度和形貌技術性能的一項基礎性工作,同時也是影響高速運動物體飛行技術發展的一個重要環節。高速運動物體速度和形貌測試的技術難點在于高速運動物體形貌及姿態的測試方法。例如爆炸成型彈丸或聚能射流在高速運動的過程中受自身特性和空氣阻力等干擾因素的影響,速度變化快且伴有形變的產生,因此彈丸運動過程中對速度和形貌的測量是彈丸發射系統的理論研究和性能鑒定的基本測試內容之一。目前,對高速運動物體速度和形貌測量常用的方法為X射線攝影法,即通過獲取高速運動物體的多幅圖像而后對其速度和形貌進行分析,但過高的使用成本和安全性問題使得該方法在應用中受到很多限制,急需開發低成本且安全的高速運動物體速度、形貌測試方法。本系統將速度測試置和形貌測試裝置有機的結合在一起,不僅可以有效的對高速運動物體速度和形貌進行測試,而且該系統具有結構簡單,成本低廉等特點,并且在具有破壞性的實驗過程中不需要對其做特別的防護。
發明內容
本發明是針對目前常用的高速運動物體速度和形貌測試方法存在試驗成本高、不易采集數據等缺點而提出的一種高速運動物體速度和形貌測試系統。本發明所述高速運動物體速度和形貌測試系統,主要由速度測試裝置、形貌測試裝置和數據處理系統組成。其中速度測試裝置主要用來測試通過其區間內的物體的平均速度;形貌測試裝置主要用來測試高速運動物體通過激光平行光幕時直徑隨時間的變化情況;數據處理系統對上述裝置所測結果進行運算處理,得出被測高速運動物體的速度和形貌。速度測試裝置是一種區間測速裝置,主要由啟動網靶、停止網靶、計時儀構成。若啟動網靶,停止網靶的靶距為S,所述的兩個引線接在計時儀的輸入回路上,當高速運動物體通過啟動網靶時,切斷啟動網靶的鍍鋅鐵絲網,送出一個電信號,使計時儀開始記錄時間;當通過停止網靶時,切斷停止網靶的鍍鋅鐵絲網,再次送出一個電信號,使計時儀停止記錄時間。這時計時儀記錄的時間為高速物體通過兩靶間距離S的時間差t。啟動網靶和停止網靶可是激光靶、錫箔靶等測速靶。啟動網靶和停止網靶是由兩個固定在木框上的單面鋸齒狀薄板和鍍鋅鐵絲組成。 兩個單面鋸齒狀薄板鋸齒朝外分別固定到木框相對的兩邊,然后用鍍鋅鐵絲在鋸齒狀薄板之間來回繞,繞到兩邊時就掛到鋸齒上,形成一個金屬網面。兩個單面鋸齒狀薄板鋸齒的間距小于高速運動物體橫截面尺寸的1/4,以保證物體頭部通過網靶時可以切斷鍍鋅鐵絲網。形貌測試裝置由一字紅光半導體激光器、菲涅爾透鏡、光電探測器和示波器構成。 由一字紅光半導體激光器所發的扇形激光通過一對菲涅爾透鏡形成激光平行光幕,激光平行光幕位于啟動網靶和停止網靶正中間。高速運動物體在飛行的過程中不是勻速運動,如果將激光平行光幕置于啟動網靶和停止網靶的正中間,當高速運動物體經過激光平行光幕所在位置時,其速度最接近高速運動物體的平均速度,因此,可以用高速運動物體通過激光平行光幕時的速度代替高速運動物體的平均速度。一字紅光半導體激光器發出的扇形激光通過菲涅爾透鏡形成平行光幕,平行光經過另一個菲涅爾透鏡匯聚到光電探測器上,最后經過示波器將光電探測器的電壓信號輸出。當有高速運動物體通過平行光幕時,將遮擋一部分平行光。高速運動物體在運動過程中直徑發生變化,通過激光平行光幕時遮擋的平行光的寬度相應不同,匯聚到光電探測器后, 光電探測器采集的能量也不同,其轉化成電信號在示波器上顯示為過靶波形。數據處理系統由數據處理軟件和計算機組成。數據處理軟件安裝在計算機上,基于Matlab編程實現。由速度測試裝置獲得的高速運動物體經過啟動網靶和停止網靶間距 S的時間t作為數據處理軟件的輸入,根據公式1可以計算出高速物體運動的平均速度。V = sjt(1)
根據形貌測試裝置中光電探測器輸出的電信號顯示出的過靶波形,經過優化,使光電探測器所測電壓變化量與被測物體的直徑成正比。將光電探測器的輸出作為數據處理軟件的輸入,則可以得到高速運動物體通過平行光幕時各個橫截面的直徑。將各直徑在Matlab 中重構,則獲得高速運動物體在平均速度運動時的三維形貌。被測高速運動物體的平均速度和三維形貌在計算機的顯示器中顯示。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1 高速運動物體速度和形貌測試裝置原理圖。圖2 高速運動物體速度測試裝置原理圖。圖3 單個網靶結構示意圖。圖4 高速運動物體形貌測試裝置原理圖。圖中高速運動物體(1),速度測試裝置(2),形貌測試裝置(3),物體運行軌道 (4),啟動網靶(5),停止網靶(6),計時儀(7),靶框(8),鍍鋅鐵絲網(9),信號線(10),靶座 (11),激光器(12),菲涅爾透鏡(13),光電探測器(14),示波器(15)。
具體實施例方式
如圖1中所示高速運動物體速度和形貌測試系統,主要由速度測試裝置(2)、形
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貌測試裝置(3)、和數據處理系統組成。其中速度測試裝置(2)主要用來測試所通過的物體在其區間內的平均速度;形貌測試裝置(3)主要用來測試物體通過激光平行光幕時直徑隨時間的變化情況;數據處理系統將上述裝置所測結果進行分析運算,從而得出高速運動物體的速度和形貌。如圖2所示當高速運動物體(1)通過啟動網靶(5)時,切斷啟動網靶(5)的鍍鋅鐵絲網(9),送出一個電信號,啟動計時儀(7)開始記錄時間;通過停止網靶(6)時,切斷停止網靶(6)的鍍鋅鐵絲網(9),又送出一個電信號,使計時儀(7)停止記錄時間。這時計時儀(7)顯示的時間為高速運動物體(1)通過兩靶時的時間差t,且啟動網靶與停止網靶的靶距為S。如圖3所示單個網靶結構示意圖,它由靶框(8)、靶架(11)、鍍鋅鐵絲網(9)和信號線(10)組成。因為高速運動物體(1)在飛行時會產生一定的沖擊波,為了避免靶面抖動影響高速運動物體(1)速度的測試精度,故將啟動網靶(5)和停止網靶(6)固定在靶架(11) 上。測試時,將鍍鋅鐵絲網(9)上的引線接至計時儀(7)上,計時儀(7)記錄兩靶輸出信號的時間間隔t,并根據啟動網靶(5 )和停止網靶(6 )之間的距離s,將t和s輸入數據處理系統的數據處理軟件,由公式計算得出高速運動物體在兩靶之間運動的平均速度。如圖4中所示一字紅光半導體激光器(12)所發的扇形激光通過菲涅爾透鏡(13) 形成了激光平行光幕。在光幕的另一端使用同樣一個菲涅爾透鏡(13)將光幕匯聚到光電探測器(15)上。當有高速運動物體(1)通過時,將遮擋一部分平行光。由于高速運動物體 (1)直徑的變化,遮擋的平行光的寬度不同,匯聚到光電探測器(14)的能量也不同。根據光電探測器(15)輸出的電信號顯示出的過靶波形,經過優化,使光電探測器所測電壓變化量與被測物體的直徑成正比。將光電探測器(15)的輸出作為數據處理軟件的輸入,則可以得到高速運動物體通過平行光幕時各個橫截面的直徑。將各直徑在Matlab中重構,則獲得高速運動物體在平均速度運動時的三維形貌。最后被測高速運動物體的平均速度和三維形貌顯示在計算機的顯示器上。
權利要求
1.一種高速運動物體速度和形貌測試系統,其特征在于,該系統由速度測試裝置、形貌測試裝置和數據處理系統組成,將速度測試裝置獲得的時間信號和形貌測試裝置輸出的電壓變化信號輸入數據處理系統,經數據處理系統計算、重構后獲得并顯示高速運動物體的平均速度和三維形貌。
2.根據權利要求1所述的高速運動物體速度和形貌測試系統,其特征在于,速度測試裝置主要由啟動網靶、停止網靶和計時儀構成,其中啟動網靶和停止網靶按照一定的間距固定在支架上。
3.根據權利要求2所述的高速運動物體速度和形貌測試系統,其特征在于,所述啟動網靶和停止網靶是由兩個固定在木框上的單面鋸齒狀薄板和鍍鋅鐵絲組成,鋸齒狀薄板的間距小于所測物體直徑的1/4。
4.根據權利要求1所述的高速運動物體速度和形貌測試系統,其特征在于,形貌測試裝置由激光器、菲涅爾透鏡、光電探測器和示波器構成,由激光器和菲涅爾透鏡形成的激光平行光幕位于啟動網靶和停止網靶正中間。
5.根據權利要求1所述的高速運動物體速度和形貌測試系統,其特征在于,數據處理系統由計算機和數據處理軟件組成,速度測試裝置和形貌測試裝置測量的結果輸入數據處理系統,數據處理軟件對速度測試裝置所測量到的時間信號和形貌測試裝置采集到的電壓變化量進行計算和重構,得到高速運動物體的平均速度和三維形貌,并在計算機的顯示器上顯不。
全文摘要
本發明公開了一種高速運動物體速度和形貌測試系統。該系統由高速運動物體速度測試裝置、高速運動物體形貌測試裝置和數據處理系統三部分組成,其中高速運動物體速度測試裝置包括啟動網靶、停止網靶和計時儀;高速運動物體形貌測試裝置包括激光器、菲涅爾透鏡、光電探測器和示波器;數據處理系統由計算機和數據處理軟件組成,數據處理軟件計算高速運動物體的速度和形貌并在計算機的顯示器中顯示結果。本系統成本低廉、可靠性高,可以用于高技術、軍事及一般技術領域高速運動物體的速度和形貌測試。
文檔編號G01P3/66GK102539819SQ20121001394
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月17日 優先權日2012年1月17日
發明者周漢昌, 李仰軍, 王小燕, 王星河, 王高 申請人:中北大學