專利名稱：高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試系統(tǒng)，主要用于高速運(yùn)動(dòng)物體的速度和形貌測試。
背景技術(shù)：
變加速運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度快、工作時(shí)間短(工作時(shí)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(yùn)動(dòng)物體測試技術(shù)受到了極大的重視，有目的的獲得高速運(yùn)動(dòng)物體飛行中的屬性，最終將其轉(zhuǎn)化為實(shí)物并投入到實(shí)際應(yīng)用中，意義重大。其中，以高速運(yùn)動(dòng)物體的速度和形貌作為研究對象，將一些高新技術(shù)應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測量， 開發(fā)新的高速運(yùn)動(dòng)物體速度測量方法，提高測速精確度是一項(xiàng)長期研究的工作，是提高高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌技術(shù)性能的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，同時(shí)也是影響高速運(yùn)動(dòng)物體飛行技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試的技術(shù)難點(diǎn)在于高速運(yùn)動(dòng)物體形貌及姿態(tài)的測試方法。例如爆炸成型彈丸或聚能射流在高速運(yùn)動(dòng)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(chǎn)生，因此彈丸運(yùn)動(dòng)過程中對速度和形貌的測量是彈丸發(fā)射系統(tǒng)的理論研究和性能鑒定的基本測試內(nèi)容之一。目前，對高速運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)物體的多幅圖像而后對其速度和形貌進(jìn)行分析，但過高的使用成本和安全性問題使得該方法在應(yīng)用中受到很多限制，急需開發(fā)低成本且安全的高速運(yùn)動(dòng)物體速度、形貌測試方法。本系統(tǒng)將速度測試置和形貌測試裝置有機(jī)的結(jié)合在一起，不僅可以有效的對高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌進(jìn)行測試，而且該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉等特點(diǎn)，并且在具有破壞性的實(shí)驗(yàn)過程中不需要對其做特別的防護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對目前常用的高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試方法存在試驗(yàn)成本高、不易采集數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)而提出的一種高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試系統(tǒng)。本發(fā)明所述高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試系統(tǒng)，主要由速度測試裝置、形貌測試裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。其中速度測試裝置主要用來測試通過其區(qū)間內(nèi)的物體的平均速度；形貌測試裝置主要用來測試高速運(yùn)動(dòng)物體通過激光平行光幕時(shí)直徑隨時(shí)間的變化情況；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對上述裝置所測結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算處理，得出被測高速運(yùn)動(dòng)物體的速度和形貌。速度測試裝置是一種區(qū)間測速裝置，主要由啟動(dòng)網(wǎng)靶、停止網(wǎng)靶、計(jì)時(shí)儀構(gòu)成。若啟動(dòng)網(wǎng)靶，停止網(wǎng)靶的靶距為S，所述的兩個(gè)引線接在計(jì)時(shí)儀的輸入回路上，當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)物體通過啟動(dòng)網(wǎng)靶時(shí)，切斷啟動(dòng)網(wǎng)靶的鍍鋅鐵絲網(wǎng)，送出一個(gè)電信號，使計(jì)時(shí)儀開始記錄時(shí)間；當(dāng)通過停止網(wǎng)靶時(shí)，切斷停止網(wǎng)靶的鍍鋅鐵絲網(wǎng)，再次送出一個(gè)電信號，使計(jì)時(shí)儀停止記錄時(shí)間。這時(shí)計(jì)時(shí)儀記錄的時(shí)間為高速物體通過兩靶間距離S的時(shí)間差t。啟動(dòng)網(wǎng)靶和停止網(wǎng)靶可是激光靶、錫箔靶等測速靶。啟動(dòng)網(wǎng)靶和停止網(wǎng)靶是由兩個(gè)固定在木框上的單面鋸齒狀薄板和鍍鋅鐵絲組成。 兩個(gè)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(shí)就掛到鋸齒上，形成一個(gè)金屬網(wǎng)面。兩個(gè)單面鋸齒狀薄板鋸齒的間距小于高速運(yùn)動(dòng)物體橫截面尺寸的1/4，以保證物體頭部通過網(wǎng)靶時(shí)可以切斷鍍鋅鐵絲網(wǎng)。形貌測試裝置由一字紅光半導(dǎo)體激光器、菲涅爾透鏡、光電探測器和示波器構(gòu)成。 由一字紅光半導(dǎo)體激光器所發(fā)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(dòng)網(wǎng)靶和停止網(wǎng)靶正中間。高速運(yùn)動(dòng)物體在飛行的過程中不是勻速運(yùn)動(dòng)，如果將激光平行光幕置于啟動(dòng)網(wǎng)靶和停止網(wǎng)靶的正中間，當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)物體經(jīng)過激光平行光幕所在位置時(shí)，其速度最接近高速運(yùn)動(dòng)物體的平均速度，因此，可以用高速運(yùn)動(dòng)物體通過激光平行光幕時(shí)的速度代替高速運(yùn)動(dòng)物體的平均速度。一字紅光半導(dǎo)體激光器發(fā)出的扇形激光通過菲涅爾透鏡形成平行光幕，平行光經(jīng)過另一個(gè)菲涅爾透鏡匯聚到光電探測器上，最后經(jīng)過示波器將光電探測器的電壓信號輸出。當(dāng)有高速運(yùn)動(dòng)物體通過平行光幕時(shí)，將遮擋一部分平行光。高速運(yùn)動(dòng)物體在運(yùn)動(dòng)過程中直徑發(fā)生變化，通過激光平行光幕時(shí)遮擋的平行光的寬度相應(yīng)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(zhuǎn)化成電信號在示波器上顯示為過靶波形。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理軟件和計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)處理軟件安裝在計(jì)算機(jī)上，基于Matlab編程實(shí)現(xiàn)。由速度測試裝置獲得的高速運(yùn)動(dòng)物體經(jīng)過啟動(dòng)網(wǎng)靶和停止網(wǎng)靶間距 S的時(shí)間t作為數(shù)據(jù)處理軟件的輸入，根據(jù)公式1可以計(jì)算出高速物體運(yùn)動(dòng)的平均速度。V = sjt(1)
根據(jù)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(jīng)過優(yōu)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(shù)據(jù)處理軟件的輸入，則可以得到高速運(yùn)動(dòng)物體通過平行光幕時(shí)各個(gè)橫截面的直徑。將各直徑在Matlab 中重構(gòu)，則獲得高速運(yùn)動(dòng)物體在平均速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的三維形貌。被測高速運(yùn)動(dòng)物體的平均速度和三維形貌在計(jì)算機(jī)的顯示器中顯示。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1 高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試裝置原理圖。圖2 高速運(yùn)動(dòng)物體速度測試裝置原理圖。圖3 單個(gè)網(wǎng)靶結(jié)構(gòu)示意圖。圖4 高速運(yùn)動(dòng)物體形貌測試裝置原理圖。圖中高速運(yùn)動(dòng)物體(1)，速度測試裝置(2)，形貌測試裝置(3)，物體運(yùn)行軌道 (4)，啟動(dòng)網(wǎng)靶(5)，停止網(wǎng)靶(6)，計(jì)時(shí)儀(7)，靶框(8)，鍍鋅鐵絲網(wǎng)(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(shí)施例方式
如圖1中所示高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試系統(tǒng)，主要由速度測試裝置(2)、形
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貌測試裝置(3)、和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)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(qū)間內(nèi)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(shí)直徑隨時(shí)間的變化情況；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將上述裝置所測結(jié)果進(jìn)行分析運(yùn)算，從而得出高速運(yùn)動(dòng)物體的速度和形貌。如圖2所示當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)物體(1)通過啟動(dòng)網(wǎng)靶(5)時(shí)，切斷啟動(dòng)網(wǎng)靶(5)的鍍鋅鐵絲網(wǎng)(9)，送出一個(gè)電信號，啟動(dòng)計(jì)時(shí)儀(7)開始記錄時(shí)間；通過停止網(wǎng)靶(6)時(shí)，切斷停止網(wǎng)靶(6)的鍍鋅鐵絲網(wǎng)(9)，又送出一個(gè)電信號，使計(jì)時(shí)儀(7)停止記錄時(shí)間。這時(shí)計(jì)時(shí)儀(7)顯示的時(shí)間為高速運(yùn)動(dòng)物體(1)通過兩靶時(shí)的時(shí)間差t，且啟動(dòng)網(wǎng)靶與停止網(wǎng)靶的靶距為S。如圖3所示單個(gè)網(wǎng)靶結(jié)構(gòu)示意圖，它由靶框(8)、靶架(11)、鍍鋅鐵絲網(wǎng)(9)和信號線(10)組成。因?yàn)楦咚龠\(yùn)動(dòng)物體(1)在飛行時(shí)會產(chǎn)生一定的沖擊波，為了避免靶面抖動(dòng)影響高速運(yùn)動(dòng)物體(1)速度的測試精度，故將啟動(dòng)網(wǎng)靶(5)和停止網(wǎng)靶(6)固定在靶架(11) 上。測試時(shí)，將鍍鋅鐵絲網(wǎng)(9)上的引線接至計(jì)時(shí)儀(7)上，計(jì)時(shí)儀(7)記錄兩靶輸出信號的時(shí)間間隔t，并根據(jù)啟動(dòng)網(wǎng)靶(5 )和停止網(wǎng)靶(6 )之間的距離s，將t和s輸入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件，由公式計(jì)算得出高速運(yùn)動(dòng)物體在兩靶之間運(yùn)動(dòng)的平均速度。如圖4中所示一字紅光半導(dǎo)體激光器(12)所發(fā)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(gè)菲涅爾透鏡(13)將光幕匯聚到光電探測器(15)上。當(dāng)有高速運(yùn)動(dòng)物體(1)通過時(shí)，將遮擋一部分平行光。由于高速運(yùn)動(dòng)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(jù)光電探測器(15)輸出的電信號顯示出的過靶波形，經(jīng)過優(yōu)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(shù)據(jù)處理軟件的輸入，則可以得到高速運(yùn)動(dòng)物體通過平行光幕時(shí)各個(gè)橫截面的直徑。將各直徑在Matlab中重構(gòu)，則獲得高速運(yùn)動(dòng)物體在平均速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的三維形貌。最后被測高速運(yùn)動(dòng)物體的平均速度和三維形貌顯示在計(jì)算機(jī)的顯示器上。
權(quán)利要求
1.一種高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由速度測試裝置、形貌測試裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，將速度測試裝置獲得的時(shí)間信號和形貌測試裝置輸出的電壓變化信號輸入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算、重構(gòu)后獲得并顯示高速運(yùn)動(dòng)物體的平均速度和三維形貌。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試系統(tǒng)，其特征在于，速度測試裝置主要由啟動(dòng)網(wǎng)靶、停止網(wǎng)靶和計(jì)時(shí)儀構(gòu)成，其中啟動(dòng)網(wǎng)靶和停止網(wǎng)靶按照一定的間距固定在支架上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試系統(tǒng)，其特征在于，所述啟動(dòng)網(wǎng)靶和停止網(wǎng)靶是由兩個(gè)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(jù)權(quán)利要求1所述的高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試系統(tǒng)，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(gòu)成，由激光器和菲涅爾透鏡形成的激光平行光幕位于啟動(dòng)網(wǎng)靶和停止網(wǎng)靶正中間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件組成，速度測試裝置和形貌測試裝置測量的結(jié)果輸入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理軟件對速度測試裝置所測量到的時(shí)間信號和形貌測試裝置采集到的電壓變化量進(jìn)行計(jì)算和重構(gòu)，得到高速運(yùn)動(dòng)物體的平均速度和三維形貌，并在計(jì)算機(jī)的顯示器上顯不。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速運(yùn)動(dòng)物體速度和形貌測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高速運(yùn)動(dòng)物體速度測試裝置、高速運(yùn)動(dòng)物體形貌測試裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分組成，其中高速運(yùn)動(dòng)物體速度測試裝置包括啟動(dòng)網(wǎng)靶、停止網(wǎng)靶和計(jì)時(shí)儀；高速運(yùn)動(dòng)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(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件組成，數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算高速運(yùn)動(dòng)物體的速度和形貌并在計(jì)算機(jī)的顯示器中顯示結(jié)果。本系統(tǒng)成本低廉、可靠性高，可以用于高技術(shù)、軍事及一般技術(shù)領(lǐng)域高速運(yùn)動(dòng)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(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者周漢昌, 李仰軍, 王小燕, 王星河, 王高 申請人:中北大學(xué)