CN113908480B - 一种灭火弹初速度测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种灭火弹初速度测量系统，属于灭火弹测试技术领域。所述系统包括压电传感器、电荷放大器、采集模块、计算机和测压软件。压电传感器将进入发射筒的气体压强转换为电荷信号，电荷放大器将电荷信号转换成和压强呈比例关系的电压信号，测压软件记录采集模块模拟输入端的电压信号，同时测压软件通过代入发射筒截面积、灭火弹体质量和压力作用时间等参数进行分析计算，得出弹体离筒初速。系统组成简单、功能强、能够全天候、无次数限制进行测量，解决初速雷达测初速成本高，高速摄像机测初速操作复杂、不易计算准确的限制。
Description
技术领域
本发明属于测试技术领域，涉及一种冷气弹射发射方式的远程精确灭火弹的初速度测量系统。
背景技术
基于安全发射模式的远程精确灭火弹(以下简称灭火弹)，主要采用高压冷气弹射的方式，使弹体以一定的初速度飞离发射筒，弹载计算机以过载信号为零点，等待一定的时间后，控制增速发动机点火工作，对灭火弹进行中远距离的精确投送。达到对森林火灾“扑小”、“扑早”、分层高效精准灭火的目的，改变了原有森林灭火的模式。冷气弹弹射发射方式属于国内首创，不仅满足了气瓶可快速更换,重复使用的要求,也提高了灭火弹在发射环节的安全性。
弹体初速是否达到设计值是灭火弹能否命中火点的重要前提。较为普遍的初速测试方式是采用初速雷达直接监测，或使用者高速摄像机采集视频图像进行间接推算。初速雷达可以准确的测得弹体出发射筒时的初速度，但初速雷达资金门槛高，在没有初速雷达设备的情况下无法进行测试；高速摄像机测初速时，需要在发射筒侧方位标识距离，根据弹体在一定的时间通过的距离，推算出弹体出发射筒时的初速，但是标识距离受试验条件环境影响较大，同时摄像机只适用于光线好的白天，不能满足全天候测试的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种灭火弹初速度测量系统，能够测量各种环境条件下灭火弹离开发射筒的初速度，然后根据测得的初速调整二级压力舱中气体的压强值，得到与设计初速匹配的二级压力舱气体压强值，提高灭火弹远程灭火精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明公开的一种灭火弹初速度测量系统，包括压电传感器、电荷放大器、采集模块、计算机和测压软件。压电传感器将进入发射筒的气体压强转换为电荷信号，电荷放大器将电荷信号转换成和压强呈比例关系的模拟电压信号，测压软件记录采集模块模拟输入端的模拟电压信号，同时测压软件通过代入发射筒截面积、灭火弹体质量和压力作用时间等参数进行分析计算，得出弹体离筒初速。
所述压电传感器通过螺纹孔安装在发射筒后部，压电感应端与发射筒腔体连通。发射时二级压力舱和发射筒瞬间连通，二级压力舱的高压气体快速进入到发射筒内，在发射筒内建立起压力，推动弹体向前运动。压电传感器将发射筒内变化的气体压强转换为电荷信号，送至电荷放大器输入端。
所述电荷放大器需要设置与传感器匹配的量程和灵敏度，将压电传感器传来的电荷信号转换成与发射筒内气体压强成比例关系的模拟电压信号，并将输出的模拟电压信号送至采集模块。
所述采集模块通过测压软件设置采样频率、采样时间，采集电荷放大器输出的模拟电压信号，转换成数字信号通过数据总线送至计算机。
所述计算机是测压软件运行平台。
所述测压软件包括数据采集、数据回显、光标读数、数据分析等模块。数据采集模块采集压强数据；数据回显模块打开已保存压强数据；光标读数模块读取压力作用起止时刻；数据分析模块计算得出弹体离筒初速。
其中数据采集模块包括设置测试参数，采集、保存压强数据。运行测压软件，设置好采样频率f和采样时间T参数后单击“数据采集”按钮，自动开始采集数据，采集时间等于采样时间T时停止采集，显示并保存压强数据。
其中，所述数据回显模块包括打开测试已保存的压强数据。运行测压软件，单击“数据回显”按钮，弹出打开文件对话框，选择数据文件，回显数据压强曲线和测试参数。
其中，所述光标读数模块包括读取压力作用开始和结束时刻。运行测压软件，测试或者回显数据后单击“光标读数”按钮，将黄色光标和红色光标分别移动定位在压强曲线开始变化时刻和压强结束变化时刻，左侧显示压力作用开始时刻T1和结束时刻T2、时间差值和压强、压强差值。
其中，所述数据分析模块包括输入相关参数和分析计算。运行测压软件，测试或者回显数据后并读取压力作用开始时刻T1和结束时刻T2，在软件界面输入发射筒直径d和弹体重量m，单击“数据分析”按钮，根据动量定理分析计算出弹体的总冲量和离筒初速。
根据动量定理分析计算出弹体的总冲量和离筒初速，实现方法如下：
a、在软件界面输入发射筒直径d和弹体重量m；
b、首先根据圆面积公式S＝πd^2/4及压力公式F＝P·S，将测得压强P转换成压力F＝P·πd^2/4；
c、根据冲量公式I＝F·t，弹体在发射筒内受到的冲量为:压强开始时刻到压强结束时刻压力对时间的积分，即
简化为从开始时刻T1到结束时刻T2时间段内、高为采样间隔时间Δt的压力梯形面积之和,即弹体在发射筒内的冲量
其中梯形面积公式S＝(Pi+Pi+1)Δt/2，公式中S为T1到T2时间段内第i个梯形的压强面积，Pi为T1到T2时间段内第i个压强值，Pi+1为T1到T2时间段内第i+1个压强值，Δt为采样间隔时间，Δt＝1/f，n为T1到T2时间段内Δt的个数，i是变量，0≤i≤n；
d、根据动量定理公式Ft＝m·Δv和冲量公式I＝F·t，弹体动量的增量等于它所受外力的冲量，计算出弹体离筒初速
有益效果：
1、为解决初速雷达测初速资金门槛高，高速摄像机测初速操作复杂、不易计算准确的限制，本发明公开的一种灭火弹初速度测量系统，充分利用灭火弹冷气弹射发射方式可测压的优越性，通过测量发射筒内压强的方式，间接分析计算得出弹体离筒初速。
2、本发明公开的一种灭火弹初速度测量系统，根据测得的初速调整二级压力舱中气体的压强值，得到与设计初速匹配的二级压力舱气体压强值，提高灭火弹远程灭火精度。
3、本发明公开的一种灭火弹初速度测量系统，测压软件可保存、回显压强数据，便于系统性分析。
4、本发明公开的一种灭火弹初速度测量系统，组成简单、功能强、能够全天候、无次数限制进行测量。
附图说明
图1是本发明系统连接示意图；
图2是本发明测压软件流程图；
图3是本发明测压软件操作界面。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为了解决灭火弹研制过程中存在的初速测试问题，保证灭火弹发射时二次压力舱的压强值和弹体离筒初速相对应。本发明利用记录、分析计算灭火弹发射时高压气体从二次压力舱瞬间进入发射筒的压力，得到弹体离筒初速，为灭火弹的远程精确打击奠定基础。
如图1所示，本发明提供的一种灭火弹初速度测量系统，包括压电传感器、电荷放大器、采集模块、计算机和测压软件。压电传感器将进入发射筒的气体压强转换为电荷信号，电荷放大器将电荷信号转换成和压强呈比例关系的电压信号，测压软件记录采集模块模拟输入端的电压信号，同时测压软件通过代入发射筒截面积、灭火弹体质量和压力作用时间等参数进行分析计算，得出弹体离筒初速。
具体地，压电传感器通过螺纹孔安装在发射筒后部，压电感应端与发射筒腔体连通。灭火弹发射时二级压力舱和发射筒瞬间连通，二级压力舱的高压气体快速进入到发射筒内，在发射筒内建立起压力，推动弹体向前运动。压电传感器将发射筒内变化的气体压强转换为电荷信号，送至电荷放电器输入端。电荷放电器设置与传感器匹配的量程和灵敏度，将压电传感器传来的电荷信号转换成与发射筒内气体压强成比例关系的模拟电压信号，并将输出的模拟电压信号送至采集模块。
运行测压软件，设置采样频率、采样时间，采样时间应大于灭火弹发射过程时间。为保证测试数据的完整性，在灭火弹发射前5s单击“数据采集”按钮，开始采集压强数据，采集完毕后显示、保存压强数据。单击“光标读数”按钮，将测压软件界面右侧测试曲线上的黄色光标和红色光标分别移动定位在压强曲线开始变化时刻和结束变化时刻，界面左侧同时显示压力作用开始和结束时刻、时间差值和压强、压强差值。
或者运行测压软件，单击“数据回显”按钮，在弹出的打开文件对话框中选择以保存的压强数据文件，回显数据压强曲线和测试参数。单击“光标读数”按钮，将测压软件界面右侧测试曲线上的黄色光标和红色光标分别移动定位在压强曲线开始变化时刻和结束变化时刻，界面左侧同时显示压力作用开始和结束时刻、时间差值和压强、压强差值。在软件界面输入发射筒直径和弹体重量参数，单击“数据分析”按钮，应用动量定理分析计算出弹体的总冲量和离筒初速。
本发明公开的一种灭火弹初速度测量系统的工作方法如下：
基于安全发射模式的灭火弹主要采用高压冷气弹射的方式使弹体以一定的初速飞离发射筒，取代发射药或者起飞发动机提供灭火弹惯性飞行初始动能。高压冷气弹射发射的过程中不存在高温高压燃气，适合采用压电传感器测压方式的灭火弹初速测量系统。压电传感器通过螺纹孔安装在发射筒后部，压电感应端与发射筒腔体连通，且依靠自身铜垫圈保证发射筒的密封。高压气体存储在二级压力舱中，灭火弹击发后二级压力舱和发射筒瞬间连通，二级压强舱的高压气体快速进入到发射筒内，在发射筒内建立起压力，推动弹体向前运动。压电传感器将发射筒内变化的气体压强转换为电荷信号，送至电荷放电器转换成与发射筒内气体压强成比例关系的模拟电压信号，测压软件采集、保存采集模块模拟端的模拟电压信号，通过代入已知的发射筒直径d、弹体重量m、压力作用开始时刻T1和结束时刻T2等参数，应用动量定理分析计算出弹体的总冲量和离筒初速。
根据动量定理分析计算出弹体的总冲量和离筒初速，实现方法如下：
a、在软件界面输入发射筒直径d和弹体重量m；
b、首先根据圆面积公式S＝πd^2/4及压力公式F＝P·S，将测得压强P转换成压力F＝P·πd^2/4；
c、根据冲量公式I＝F·t，弹体在发射筒内受到的冲量为:压强开始时刻到压强结束时刻压力对时间的积分，即
可简化为从开始时刻T1到结束时刻T2时间段内、高为采样间隔时间Δt的压力梯形面积之和,即弹体在发射筒内的冲量
其中梯形面积公式S＝(Pi+Pi+1)Δt/2，公式中S为T1到T2时间段内第i个梯形的压强面积，Pi为T1到T2时间段内第i个压强值，Pi+1为T1到T2时间段内第i+1个压强值，Δt为采样间隔时间，Δt＝1/f，n为T1到T2时间段内Δt的个数，i是变量，0≤i≤n；d、根据动量定理公式Ft＝mΔv和冲量公式I＝Ft，弹体动量的增量等于它所受外力的冲量，计算出弹体离筒初速
基于上述测量系统，本发明的初速测试方法，包括以下过程：
首先，运行测压软件，设置采样频率和采样时间，向二级压力舱中存储一定压强的高压气体。
接下来开始采集数据。
发射灭火弹，灭火弹击发后，二级压力舱和发射筒瞬间连通，二级压力舱的高压气体快速进入到发射筒内，在发射筒内建立起压力，推动弹体向前运动。测压软件采集依次通过压电传感器、电荷放大器后、送至采集模块模拟输入端口变化的压强模拟电压信号。
采集完成后保存数据。
最后通过查找压力作用开始时刻和结束时刻，再输入发射筒直径、弹体质量参数，根据动量定理物体的增量等于它所受合外力的冲量，分析计算出弹体离筒的初速度。
通过大量的模拟弹发射以及灭火弹实弹发射初速测试，与高速摄像机初速测试进行比较，本灭火弹初速测量系统测试初速准确、可靠，是调整二级压力舱中气体的压强值的重要依据，实现灭火弹的中远距离精确投送目标。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：
(1)充分利用灭火弹高压冷气弹射发射的方式，间接测量弹体离筒初速。
(2)系统组成模块化设计，性价比高、维护升级简单易行。
(3)系统环境适应能力强，能满足全天候的测试。
(4)测压软件可保存、回显压强数据，便于系统性分析。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种灭火弹初速度测量系统，其特征在于：包括压电传感器、电荷放大器、采集模块、计算机和测压软件；压电传感器将进入发射筒的气体压强转换为电荷信号，电荷放大器将电荷信号转换成和压强呈比例关系的模拟电压信号，测压软件记录采集模块模拟输入端的模拟电压信号，同时测压软件通过代入发射筒截面积、灭火弹体质量和压力作用时间等参数进行分析计算，得出弹体离筒初速：
所述测压软件包括数据采集、数据回显、光标读数、数据分析等模块；数据采集模块采集压强数据；数据回显模块打开已保存压强数据；光标读数模块读取压力作用起止时刻；数据分析模块计算得出弹体离筒初速；
其中数据采集模块包括设置测试参数，采集、保存压强数据；运行测压软件，设置好采样频率f和采样时间T参数后单击“数据采集”按钮，自动开始采集数据，采集时间等于采样时间T时停止采集，显示并保存压强数据；
其中，所述数据回显模块包括打开测试已保存的压强数据；运行测压软件，单击“数据回显”按钮，弹出打开文件对话框，选择数据文件，回显数据压强曲线和测试参数；
其中，所述光标读数模块包括读取压力作用开始和结束时刻；运行测压软件，测试或者回显数据后单击“光标读数”按钮，将黄色光标和红色光标分别移动定位在压强曲线开始变化时刻和压强结束变化时刻，左侧显示压力作用开始时刻T1和结束时刻T2、时间差值和压强、压强差值；
其中，所述数据分析模块包括输入相关参数和分析计算；运行测压软件，测试或者回显数据后并读取压力作用开始时刻T1和结束时刻T2，在软件界面输入发射筒直径d和弹体重量m，单击“数据分析”按钮，根据动量定理分析计算出弹体的总冲量和离筒初速。
2.如权利要求1所述的一种灭火弹初速度测量系统，其特征在于：所述压电传感器通过螺纹孔安装在发射筒后部，压电感应端与发射筒腔体连通；发射时二级压力舱和发射筒瞬间连通，二级压力舱的高压气体快速进入到发射筒内，在发射筒内建立起压力，推动弹体向前运动；压电传感器将发射筒内变化的气体压强转换为电荷信号，送至电荷放大器输入端。
3.如权利要求1所述的一种灭火弹初速度测量系统，其特征在于：所述电荷放大器需要设置与传感器匹配的量程和灵敏度，将压电传感器传来的电荷信号转换成与发射筒内气体压强成比例关系的模拟电压信号，并将输出的模拟电压信号送至采集模块。
4.如权利要求1所述的一种灭火弹初速度测量系统，其特征在于：所述采集模块通过测压软件设置采样频率、采样时间，采集电荷放大器输出的模拟电压信号，转换成数字信号通过数据总线送至计算机。
5.如权利要求1所述的一种灭火弹初速度测量系统，其特征在于：所述计算机是测压软件运行平台。
6.如权利要求1所述的一种灭火弹初速度测量系统，其特征在于：根据动量定理分析计算出弹体的总冲量和离筒初速，实现方法如下，
a、在软件界面输入发射筒直径d和弹体重量m；
b、首先根据圆面积公式S＝πd^2/4及压力公式F＝P·S，将测得压强P转换成压力F＝P·πd^2/4；
c、根据冲量公式I＝F·t，弹体在发射筒内受到的冲量为:压强开始时刻到压强结束时刻压力对时间的积分，即
简化为从开始时刻T1到结束时刻T2时间段内、高为采样间隔时间Δt的压力梯形面积之和,即弹体在发射筒内的冲量
其中梯形面积公式S＝(Pi+Pi+1)Δt/2，公式中S为T1到T2时间段内第i个梯形的压强面积，Pi为T1到T2时间段内第i个压强值，Pi+1为T1到T2时间段内第i+1个压强值，Δt为采样间隔时间，Δt＝1/f，n为T1到T2时间段内Δt的个数，i是变量，0≤i≤n；
d、根据动量定理公式Ft＝m·Δv和冲量公式I＝F·t，弹体动量的增量等于它所受外力的冲量，计算出弹体离筒初速
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| CN113908480A (zh) | 2022-01-11 |
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