专利名称：固体推进剂超声波动态燃速测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波脉冲回波法测量固体推进剂燃速测试系统，用于固体推进 剂动态燃速测量，属于测试仪器技术领域。
背景技术：
靶线法、声发射法等经典的固体推进剂静态燃速测量方法由于发展历史长，技术 成熟，并有详细的国家标准，因此被众多科研院所和生产单位所采用，是燃速测量的主要方 法。但是它们只能测量固体推进剂的平均燃速，无法精确测量固体推进剂试样在燃烧过程 中每一时刻的瞬时燃速以及燃烧过程中燃速的变化情况，即无法测量固体推进剂的动态燃 速。而且在测量过程中，制备、压延、包覆等环节都可能因为人为因素造成固体推进剂试样 中出现裂缝与气泡，严重时可能造成爆燃，导致测量数据无效。靶线法、声发射法等静态测 量方法用于数据处理的采样点少(靶线法仅有起靶和停靶两个计时点)，通常存在着测量精 度不高，重复性差，信号稳定性不好等缺点。为克服静态测试方法的不足，近些年国外出现了以高速摄影法为代表的光学测试 方法。这类方法虽然可以测量固体推进剂的动态燃速，但其应用范围有限，当固体推进剂燃 烧烟雾较大时由于难以准确区分燃烧面而无法进行精确测量。这类方法也无法测量由于固 体推进剂内部物理、化学结构上的不均勻(如胶块)或者缺陷(如裂缝、气泡等)对燃烧速度 所造成的影响。发动机法是将固体推进剂装填到全尺寸或缩比尺寸的固体火箭发动机中点火试 车，这种方法虽然可以得到全面、准确的内弹道性能参数，但是其测量存在成本高、效率低、 周期长、安全性低等不足之处。
发明内容
本发明目的是提供一种运用超声波探测技术对固体推进剂的动态燃速进行测试 的新型系统，该系统适用于多种固体推进剂的动态燃烧性能测试，可以测试固体推进剂的 静态燃速、动态燃速、燃速压强指数、燃速温度敏感系数等多项参数，克服了现有技术的不 足。本发明的实现过程如下
一种固体推进剂超声波动态燃速测量系统，包括燃烧室及配气单元、测试控制单元，其 特征在于
在燃烧室顶部或底部设置有超声波发射接收单元，该单元由超声波探头和耦合介质组 成，耦合介质为圆柱体，其两个端面分别与超声波探头的工作面和固体推进剂试样紧密接 触；所述的超声波探头选用纵波直探头，中心频率在2. 5 IOMHz之间。所述的测试控制单元用于控制燃烧室的初始温度和压强，并探测燃烧室的温度、 压强以及固体推进剂的实时燃烧参数，控制超声波探头发射固定频率的超声波，接收来自 固体推进剂燃烧表面的回波，实施数据采集、处理。对温度和压强的控制采用模糊PID控制技术，对信号的检测采用相关检测算法。所述的测试控制单元包括超声波收发电路、点火控制电路、数据采集卡、温度传感 器、压强传感器、数据采集处理程序。所述的数据采集处理程序用于实现对系统实时测控和数据分析处理，包括系统模 块、控制�？�、测量�？椤⑹荽砟？楹褪莨芾砟？椋�
所述的系统模块进行初始测试参数和测试数据采集参数的设定； 所述的控制�？榻醒骨靠刂�、温度控制和点火控制操作；
所述的测量�？橛糜诠烫逋平炼妓俚牟馐裕瓿裳骨坎裳�、温度采样、采样波形 显示、波形曲线绘制和数据保存；
所述的数据处理�？橥瓿缮秆∈�、滤波、动态燃速计算、压强指数计算、燃速温度敏 感系数和打印报告单；
所述的数据管理�？橛糜谑荽娲�、数据检索和检测结果导出。所述的燃烧室及配气单元用于提供固体推进剂试样燃烧的场所以及测试时所需 要的初始压强和初始温度环境，包括燃烧室、恒温槽、高压氮气瓶、缓冲氮气瓶以及相关的 阀门、管路、氮气增压泵；
所述的燃烧室有进气排气孔、紧急排气孔、点火器；恒温槽在燃烧室外部，用来保持燃 烧室温度；氮气缓冲瓶和高压氮气瓶用来给燃烧室提供初始压强；氮气增压装置用来给缓 冲氮气瓶和高压氮气瓶充压。超声波收发电路的发射周期为Ims ls，脉冲宽度最小lus，脉冲电压为100V 800V，其接收部分经限幅电路限幅之后用对数放大器对信号进行放大，着重对回波信号进 行放大。超声波收发电路产生发射周期为Ims ls，最小脉冲宽度为Ius的方波，方波经振 荡网络产生激励脉冲，由接收电路的对数放大器对信号进行对数放大。数据采集卡具有多路高速数据采集功能和多路开关量输入输出功能。本发明与现有技术相比具有如下优点
1、与现有的静态燃速测试设备相比，本系统可以在一次测试中测得固体推进剂静态燃 速、动态燃速、燃速压强指数和燃速温度敏感系数等参数，是静态测试设备测试效率的数十 倍。2、与高速摄影法相比，本系统普适性强，可以对多烟多残渣的固体推进剂开展测
试ο3、与发动机法相比，在成本方面，本系统单次测量只消耗少许人力和固体推进剂 试样；在测试周期方面，本系统操作简便快捷，可以随时测试，而发动机法测试则需较长的 准备时间。
图1为本发明固体推进剂超声波动态燃速测量系统结构示意图； 图2本发明燃烧室结构示意图3本发明超声波探头与耦合介质示意图； 图4本发明数据采集处理程序主要功能�？槭疽馔迹煌�5本发明数据采集处理程序工作流程简图。上图中，[1]高压氮气瓶[2]氮气缓冲瓶[3]高压气阀[4]缓冲气阀[5]排 气阀[6]进水阀[7]排水阀[8]燃烧室[9]温度控制装置[10]压强传感器[11] 燃烧室顶盖[12]温度传感器[13]超声波探头[14]超声波发射与接收电路[15]阀 门控制驱动电路[16]点火电路[17]控制柜[18]信号放大器[19]1/0控制卡[20] 数据采集卡[21]工控机[22]打印机[23]耦合介质[24]固体推进剂试样[25]恒 温槽[26]进气排气孔[27]点火器[28]紧急排气孔。
具体实施例方式
超声波固体推进剂动态燃速测量系统是基于超声波脉冲回波法测厚的基 本原理。测量时，超声波探头向固体推进剂试样中发射超声波脉冲，当发射波脉冲遇到推进 剂燃烧面时，因声阻突变返回回波脉冲。用仪器记录下回波与发射波脉冲并计算其时间差 (即超声波在推进剂中的渡越时间)，由于推进剂中的声速已知，由此时间差可以计算出固 体推进剂试样(未燃烧部分)的厚度。推进剂燃烧过程中，周期性地测量便可得到推进剂厚 度随时间变化的数据(亦即推进剂的动态燃速)，同时在每个周期内记录下燃烧室的温度和 压强便可计算出推进剂的压强指数和温度敏感系数。根据固体推进剂测试和超声波脉冲回波法的特点本系统由燃烧室及配气单元，超 声波发射接收单元和测试控制单元三大部分组成(图1)。燃烧室及配气单元为固体推进剂 试样燃烧提供所需的测试环境；超声波发射接收单元是测试系统的核心部分，完成超声波 探测和数据采集、传输等工作；测试控制单元用于完成系统控制、数据处理和人机交互等功 能。图1是本系统的结构示意图。高压氮气瓶[1]通过高压进气阀[3]与燃烧室[8] 的进/排气孔连接，用于给燃烧室[8]和氮气缓冲瓶[2]加压，高压进气阀[3]为电磁气 动阀。氮气缓冲瓶[2]通过缓冲气阀[4]与燃烧室[8]的进/排气孔连接，在测试时缓冲 气阀[4]打开，使氮气缓冲瓶[2]与燃烧室[8]相通，使燃烧室压强保持稳定。缓冲阀[4] 为电磁气动阀，受阀门控制信号控制用于连通氮气缓冲瓶与燃烧室，并给燃烧室和缓冲气 瓶充气加压。排气阀[5]通过管道与燃烧室进气口连接。温度控制装置[9]受阀门控制信 号控制将水加热(冷却)到设定的温度，其出水口通过进水阀[6]与燃烧室[8]底部的进 /排水口连接，进水阀[6]是电磁阀，受控于阀门控制驱动信号。压强传感器[10]安装在 进/排气口与燃烧室[8]连接的管道上，压强传感器[10]测得燃烧室的压强，并将压强信 号送给数据采集卡[20]。温度传感器[12]安装在燃烧室[8]内，它测得燃烧室的温度，并 将温度信号送给数据采集卡[20]。超声波探头[13]和超声波发射与接收电路[14]，共同 构成了超声波脉冲回波探测电路，并将测得的超声波信号送至信号放大器[18]进行放大。 信号放大器[18]的输出端通过电缆与计算机内的数据采集卡[20]接口连接，数据采集卡 [20]对压强信号、温度信号和超声波回波信号采样并将采样数据传送给工控机，由PC端软 件进行数据处理。控制柜[17]和工控机[21]构成了本发明的控制装置，控制柜[17]内装 有阀门控制驱动电路[15]和点火电路[16]，工控机[21]主板的PCI插槽上装有I/O控制 卡[19]和数据采集卡[20]。燃烧室顶盖[11]的铜电极通过电缆与控制柜点火电路[16] 连接。I/O控制卡[19]通过电缆与控制柜[17]连接用于控制阀门控制驱动电路[15]和点
5火电路[16]。工控机[21]运行数据处理软件，并连接有打印机[22]。控制柜[17]的面板 上安装有指示灯和手动按钮，便于观察系统状态和应急操作。燃烧室及配气单元是该系统的机械装置，由燃烧室、燃烧室药架、恒温槽、高压氮 气瓶、缓冲氮气瓶以及相关的阀门、管路等组成。燃烧室是一个密闭的容器，为固体推进剂 燃烧提供所要求的燃烧环境。燃烧室药架位于燃烧室顶部，用于固定超声波探头、耦合介质 和被测样品。燃烧室(图2)安装于恒温槽内，恒温槽用于对燃烧室温度的进行控制。燃烧 室内部通过高压气路管道与缓冲氮气瓶、高压氮气瓶以及排气管相连，缓冲氮气瓶、高压氮 气瓶以及排气管与燃烧室连通的管道上均安装有电磁气动阀控制气路的通断，排气孔与实 验室外连通，通过控制电磁气动阀和排气孔的通断来实现对燃烧室压强的控制。燃烧室内 部还设计有紧急排气孔，当燃烧室压强超过警戒值后，紧急排气孔会自动开启泄压。通过以 上设计，可以减少各种因素对温度和压强调节的干扰，提高测量精度。燃烧室内可放入一定 大小的石墨块，以控制测试时压强的变化范围。超声波发射接收单元包括超声波探头和耦合介质(图3)，超声波探头选用纵波直 探头(纵波在介质中传播距离远，方向性好，可以提高测量精度)，根据所测固体推进剂试样 的不同可以选择中心频率在2. 5MHz到IOMHz之间超声波探头。耦合介质位于超声波探头 和固体推进剂试样之间，增加超声波回波时间，保护超声波探头不受损坏，一般选取与固体 推进剂样品声阻抗相近的材料(如环氧树脂)。测试控制单元包括测试电路和数据采集处理程序。测试电路的模拟部分由超声波 探头激励电路和超声波回波信号检测电路组成。超声波探头激励电路是一个可控的高压脉 冲发生电路，通过单片机可以控制其发射周期(Ims Is)、脉冲宽度(最小Ius)和脉冲电 压(100V 800V)；超声波回波信号检测电路首先通过限幅电路将信号(主要针对发射波信 号)限定到安全范围内，之后经由对数放大器将信号(主要针对回波信号)放大至足够大，最 后经过滤波隔离将信号送至后端电路处理。本系统数字部分是一块PCI数据采集卡，该卡 采用ADC+FPGA+ SDRAM的解决方案。卡上设计有1个高速数据采集通道(30Msps、12-bit) 用于采集超声波回波信号；6个低速数据采集通道(lOKsps，16-bit)用于采集环境变量(温 度、压强等)；另有16个数字IO用于系统的控制。本系统设计采用了计算机测控技术和Windows操作系统，用Delphi语言编制测试 控制软件，能够同时控制调节多种测量参数。其主界面设置有各种控制按扭，使操作更方便 可靠。鉴于测试的高压环境，采用了试样检测、自动加压、互锁联锁功能来保证测试系统的 安全，软件主要模块功能和工作流程见图4和图5。本系统的数据采集处理处理程序，包括如下�？橄低衬？�、控制�？椤⒉饬磕？�、 数据处理�？楹褪莨芾砟？�。系统�？橹饕谐跏疾馐圆问筒馐允莶杉问� 设定，系统设置一般在测量之前进行，主要是对送检样品批次、型号、长度等相关信息的设 置，便于后期进行数据检索和固体推进剂性能的对比研究。控制�？橹饕醒骨靠刂�、温 度控制和点火控制操作，主要是对燃烧室温度和压强的控制，软件通过安装在燃烧室上的 温度传感器和压强传感器来实时监测燃烧室的温度和压强，然后通过恒温槽和电磁阀等动 作部件来调节燃烧室的温度和压强。为达到对燃烧室温度和压强快速平稳的控制，两个变 量的调节均采用�：齈ID控制技术。测量模块主要用于固体推进剂动态燃速的测试，主要 进行压强采样、温度采样、采样波形显示、波形曲线绘制和数据保存的操作，用来测量固体推进剂中的声速和固体推进剂燃烧性能参数。对于不同种类甚至不同批次的固体推进剂， 需要首先测量超声波在耦合介质和在固体推进剂中声速速与压强的关系，若声速已知则直 接进行燃烧性能测试。数据处理模块主要进行筛选数据、动态燃速计算、压强指数计算、燃 速温度敏感系数和打印报告单等操作。固体推进剂试样多为高分子混合物，对超声波的散 射现象比较严重，因此超声波回波信号十分微弱，不利于直接检测，本软件采用相关检测算 法，实现了对回波信号的成功检测。数据管理�？橹饕惺荽娲ⅰ⑹菁焖骱图觳饨峁� 导出等操作，提供了一个检索测量数据的接口，操作人员可以按照一定的检索条件检索测 量记录，并将检索结果导出到文本文件或Excel文件，为固体推进剂性能的对比研究提供 了方便。参照图5，它是本发明数据采集处理程序工作流程简图，下面结合该流程简图和系 统的结构示意图说明其工作过程。在进行测试前，使用系统�？樯瓒ǜ髦植馐圆问械绱牌Ф即τ诠乇兆� 态。燃烧室顶盖[11]的铜电极上绑有点火丝，点火丝与试样顶端对齐，在两者接触点上涂 抹少量点火药。将燃烧室顶盖[11]插入燃烧室[8]并旋转使其密封好。通过软件控制�？椋� 首先由I/O控制卡[19]向阀门控制驱动电路[15]发出控制信号，阀门控制驱动电路[15] 向温度控制装置[9]发出控制信号，使其产生符合测试温度所需的水。由I/O控制卡[19] 向阀门控制驱动电路[15]发出控制信号，打开缓冲气阀[4]连通燃烧室和氮气缓冲瓶[2]。 此时压强传感器[10]感应燃烧室内压强经信号数据采集卡[20]传入工控机[21]。如果 燃烧室[8]内压强大于测试所需压强，则由I/O控制卡[19]向阀门控制驱动电路[15]发 出控制信号，短时间打开排气阀[5]对燃烧室[8]减压，直到燃烧室[8]内压强符合测试要 求。排气阀打开时间按照测量所需压强和实际压强之差按专门算法确定。如果燃烧室[8] 内压强小于测试所需压强，则由I/O控制卡[19]向阀门控制驱动电路[15]发出控制信号， 短时间打开高压进气阀[3]给燃烧室[8]和氮气缓冲瓶[2]加压。经工控机[21]内I/O 控制卡[19]发出控制信号控制高压进气阀[3]和排气阀[5]打开、闭合使燃烧室内压强符 合测试所需压强。在测试前关闭缓冲气阀W]。当操作人员控制工控机[21]发出点火命令时，I/O控制卡[19]向点火电路[16] 发出控制信号使点火电路通过电缆给燃烧室顶盖[11]的电极加以点火电流，从而使点火 丝发热点燃固体推进剂试样。此时超声波发射与接收电路[14]接收燃烧室[8]内的由于 超声波打到试样燃烧截面而产生的回波信号，并送入计算机内的数据采集卡[20]。同时温 度传感器[12]和压强传感器[10]分别将燃烧室[8]内的温度数据和压强数据送入计算机 内的数据采集卡[20]。最后数据采集卡[20]将采集到的信号转换成数字信号供计算机处 理。工控机[21]实时采集温度、压强、脉冲回波信号，并显示在软件界面上，同时将测试数 据存储在硬盘上。一次测试完成后，由工控机[21]自动检测燃烧室压强，并通过I/O控制卡[19]向 阀门控制驱动电路[15]发出控制信号，控制高压进气阀[3]和排气阀[5]，调节燃烧室[8] 和氮气缓冲瓶[2]内的压强达到测试所需压强。再由计算机发出点火信号点燃下一根试样 并记录测试数据。重复前述过程。反复此过程直至所有试样都测试完毕。每一次测试完成后，系统软件将采集到的温度、压强、脉冲回波信号保存在硬盘 上。当完成一组固体推进剂试样测试后，软件自动对测试数据进行筛�。蕹斐Ｊ荩⒓扑闳妓�、压强指数、温度敏感系数，并打印测试报告单。
权利要求
1.一种固体推进剂超声波动态燃速测量系统，包括燃烧室及配气单元、测试控制单元， 其特征在于在燃烧室顶部或底部设置有超声波发射接收单元，该单元由超声波探头和耦 合介质组成，耦合介质为圆柱体，其两个端面分别与超声波探头的工作面和固体推进剂试 样紧密接触；所述的测试控制单元用于控制燃烧室的初始温度和压强，并探测燃烧室的温度、压强 以及固体推进剂的实时燃烧参数，控制超声波探头发射固定频率的超声波，接收来自固体 推进剂燃烧表面的回波，实施数据采集、处理。
2.根据权利要求1所述的固体推进剂超声波动态燃速测量系统，其特征在于所述的 测试控制单元包括超声波收发电路、点火控制电路、数据采集卡、温度传感器、压强传感器、 数据采集处理程序。
3.根据权利要求2所述的固体推进剂超声波动态燃速测量系统，其特征在于所述的 数据采集处理程序用于实现对系统实时测控和数据分析处理，包括系统�？�、控制�？椤⒉� 量�？�、数据处理�？楹褪莨芾砟？椋凰龅南低衬？榻谐跏疾馐圆问筒馐允莶杉问纳瓒ǎ凰龅目刂颇？榻醒骨靠刂�、温度控制和点火控制操作；所述的测量�？橛糜诠烫逋平炼妓俚牟馐裕瓿裳骨坎裳�、温度采样、采样波形 显示、波形曲线绘制和数据保存；所述的数据处理�？橥瓿缮秆∈�、滤波、动态燃速计算、压强指数计算、燃速温度敏 感系数和打印报告单；所述的数据管理模块用于数据存储、数据检索和检测结果导出。
4.根据权利要求2所述的固体推进剂超声波动态燃速测量系统，其特征在于所述的 燃烧室及配气单元用于提供固体推进剂试样燃烧的场所以及测试时所需要的初始压强和 初始温度环境，包括燃烧室、恒温槽、高压氮气瓶、氮气缓冲瓶以及相关的阀门、管路、氮气 增压泵；所述的燃烧室有进气排气孔、紧急排气孔、点火器；恒温槽在燃烧室外部，用来保持燃 烧室温度；缓冲氮气瓶和高压氮气瓶用来给燃烧室提供初始压强；氮气增压装置用来给缓 冲氮气瓶和高压氮气瓶充压。
5.根据权利要求1所述的固体推进剂超声波动态燃速测量系统，其特征在于所述的 超声波探头选用纵波直探头，中心频率在2. 5 IOMHz之间。
6.根据权利要求1所述的固体推进剂超声波动态燃速测量系统，其特征在于对温度 和压强的控制采用�：齈ID控制技术，对信号的检测采用相关检测算法。
7.根据权利要求2所述的固体推进剂超声波动态燃速测量系统，其特征在于超声波 收发电路的发射周期为Ims ls，脉冲宽度最小lus，脉冲电压为100V 800V，其接收部分 经限幅电路限幅之后用对数放大器对信号进行放大，着重对回波信号进行放大。
8.根据权利要求2所述的固体火箭推进剂超声波动态燃速测量系统，其特征在于超 声波收发电路产生发射周期为Ims ls，最小脉冲宽度为Ius的方波，方波经振荡网络产生 激励脉冲，由接收电路的对数放大器对信号进行对数放大。
9.根据权利要求2所述的固体火箭推进剂超声波动态燃速测量系统，其特征在于数 据采集卡具有多路高速数据采集功能和多路开关量输入输出功能。
全文摘要
本发明公开了一种固体推进剂超声波动态燃速测量系统，其包括燃烧室及配气单元、测试控制单元，在燃烧室顶部或底部设置有超声波发射接收单元，该单元由超声波探头和耦合介质组成，耦合介质为圆柱体，其两个端面分别与超声波探头的工作面和固体推进剂试样紧密接触；所述的测试控制单元用于控制燃烧室的初始温度和压强，并探测燃烧室的温度、压强以及固体推进剂的实时燃烧参数，控制超声波探头发射固定频率的超声波，接收来自固体推进剂燃烧表面的回波，实施数据采集、处理。本系统可以在一次测试中测得固体推进剂静态燃速、动态燃速、燃速压强指数和燃速温度敏感系数等参数，是静态测试设备测试效率的数十倍。
文档编号G01N29/04GK102095800SQ20111003979
公开日2011年6月15日 申请日期2011年2月17日 优先权日2011年2月17日
发明者刘科祥, 安亭, 樊学忠, 蔡德芳, 裴庆, 赵凤起, 高红旭 申请人:西安电子科技大学, 西安近代化学研究所
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