阅读说明：本技术 一种应用于弹道靶试验的10nm级微粒探测装置及方法 (10 nm-level particle detection device and method applied to ballistic target test ) 是由 龙耀 罗庆 罗锦阳 邹胜宇 陈鸿 黄洁 姜林 李文光 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种应用于弹道靶试验的10nm级微粒探测装置及方法,该装置包括：夹具,位于靶室内,所述夹具包括连接部和安装部,所述连接部具有轴向通孔,所述安装部包括第一安装板和第二安装板,所述第一安装板和所述第二安装板平行间隔设置,形成具有开口的光幕腔；至少一个激光器、与所述激光器数量相同的耦合透镜以及与所述耦合透镜数量相同的光电探测器。本发明方案采用在发射器出口设置夹具的方式,实现微粒探测装置的安装和定位,且不影响现有设备的正常运行,实现10nm级微粒的可靠探测,能够满足10nm级微粒碰撞试验测速与控制的需求。(The invention relates to a 10 nm-level particle detection device and a method applied to ballistic target tests, wherein the device comprises the following components: the fixture is positioned in the target chamber and comprises a connecting part and an installation part, wherein the connecting part is provided with an axial through hole, the installation part comprises a first installation plate and a second installation plate, and the first installation plate and the second installation plate are arranged in parallel at intervals to form a light curtain cavity with an opening; the device comprises at least one laser, the same number of coupling lenses as the lasers and the same number of photodetectors as the coupling lenses. The scheme of the invention adopts a mode of arranging the clamp at the outlet of the emitter, realizes the installation and the positioning of the particle detection device, does not influence the normal operation of the prior equipment, realizes the reliable detection of the 10 nm-level particles, and can meet the requirements of speed measurement and control of the 10 nm-level particle collision test.)

一种应用于弹道靶试验的10nm级微粒探测装置及方法

技术领域

本发明涉及超高速弹道靶试验技术领域，尤其涉及一种应用于弹道靶试验的10nm级微粒探测装置及方法。

背景技术

超高速弹道靶是高超声速空气动力学和超高速碰撞现象研究的重要地面风洞试验设备。弹道靶的试验原理为：以试验气体静止，试验模型在靶室中以高超声速自由飞行来进行气动试验。弹道靶系统一般由发射器、靶室真空系统和测速控制系统组成。

弹道靶系统的工作过程是：发射器将微粒与弹托组件发射至靶室，微粒与弹托组件在靶室内自由飞行，同时进行相关特性的试验测量。

随着超高速碰撞研究对象的拓展，在“空间碎片”等项目中，需要在弹道靶上开展10nm级微粒的超高速碰撞特性试验与研究，对10nm级微粒可靠准确探测是微粒速度精确测量和碰撞过程参数准确测量的基础。

目前，弹道靶试验中弹丸探测一般采用光幕靶，光幕垂直于靶室轴线，最小探测模型尺寸为0.5mm，不能满足10nm级微粒探测的任务需求，主要有以下方面的原因：一是光幕宽度不够，光幕靶的光幕宽50mm，微粒质量小，飞行到探测器时的散布大于光幕宽度，微粒不在探测范围内，若增大探测范围，须改动现在设备：配套加工专门的探测窗口和探测器，试验成本和周期不能满足要求；二是探测灵敏度不够，利用现有测量方式，10nm级微粒通过光幕产生的光减信号微弱，约为8.5mV,探测系统本底噪声通常为5-10mV，信号基本会淹没在噪声中无法识别；三是探测结果存在较大不确定度。

综上所述，可以看出在弹道靶试验中，利用现有探测设备及方法，不能实现10nm级微粒的探测。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于弹道靶试验的10nm级微粒探测装置，在弹道靶试验中能够实现10nm级微粒的有效探测。

为了实现上述目的，本发明提供了一种应用于弹道靶试验的10nm级微粒探测装置，包括：

夹具，位于靶室内，所述夹具包括连接部和安装部，所述连接部具有轴向通孔，所述安装部包括第一安装板和第二安装板，所述第一安装板和所述第二安装板平行间隔设置，形成具有开口的光幕腔，所述第一安装板和所述第二安装板的一端与所述连接部连接，且所述第一安装板和所述第二安装板平行于所述轴向通孔的轴向，所述轴向通孔与所述光幕腔连通，所述夹具通过轴向通孔同轴套设于所述发射器的出口通道，所述发射器的出口通道与所述光幕腔连通；

至少一个激光器，安装在所述第一安装板，能够发射垂直于所述轴向通孔的轴线的激光；

与所述激光器数量相同的耦合透镜，所述耦合透镜安装在所述第二安装板，用于接收和聚焦相对应的所述激光器发出的光信号；

与所述耦合透镜数量相同的光电探测器，所述光电探测器位于所述靶室外，并通过光纤与对应的所述耦合透镜连接，用于接收相对应的所述耦合透镜经所述光纤传递的所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。

优选地，包括多个激光器，多个所述激光器平行间隔设置。

优选地，所述第一安装板设有激光器安装孔，所述激光器安装孔的轴线垂直于所述轴向通孔的轴线；所述激光器通过所述激光器安装孔可拆卸安装在所述第一安装板上。

优选地，所述第二安装板设有耦合透镜安装孔，所述耦合透镜安装孔的轴线垂直于所述轴向通孔的轴线；所述耦合透镜通过所述耦合透镜安装孔可拆卸安装在所述第二安装板上。

优选地，所述激光器安装孔与耦合透镜安装孔的轴线重合。

优选地，所述连接部至少设有两组固定螺纹孔，每组固定螺纹孔包括沿所述连接部的径向均匀设置的四个固定螺纹孔，且每个所述固定螺纹孔与所述轴向通孔连通，各组固定螺纹孔沿所述连接部的轴向间隔设置；

每个所述固定螺纹孔均对应有一个螺钉，所述螺钉穿过相对应的所述固定螺纹孔抵在所述发射器出口通道外侧，使所述夹具与所述发射器出口通道固定。

优选地，所述光纤的两端均为FC/PC接口，所述耦合透镜和所述光电探测器分别通过所述光纤两端的所述FC/PC接口与所述光纤连接。

优选地，所述耦合透镜和光电探测器均与所述激光器的波长参数匹配。

本发明还提供了一种应用于弹道靶试验的10nm级微粒探测方法，

提供一个与所述发射器的出口通道连通的光幕腔，所述光幕腔位于靶室内，且所述光幕腔相对的两侧具有与所述靶室相连通的轴向开口；

提供至少一个激光器，安装于所述光幕腔的一侧；

提供与所述激光器数量相同的耦合透镜，安装在所述光幕腔的另一侧；

提供与所述耦合透镜数量相同的光电探测器，安装在所述靶室外，所述光电探测器通过光纤与所述耦合透镜连接；

调试电压采集设备；

设置所述电压采集设备参数，包括采集时长、采样率和触发方式；

给所述激光器和光电探测器通电，所述激光器向所述光幕腔的另一侧发射激光，且所述激光的光路垂直于所述发射器的出口通道的轴向，形成光幕，所述耦合透镜接收和聚焦相对应的所述激光器发出的光信号并通过所述光纤传递到所述光电探测器，所述光电探测器接收所述光信号，并将所述光信号转换为电信号；所述电压采集设备采集所述电信号；

经所述发射器的出口通道飞出的10nm级微粒进入所述光幕腔并通过所述光幕，在所述10nm级微粒经过所述光幕时，所述光电探测器会检测到光减信号，根据所述电信号变化得到探测结果。

优选地，在试验前，检测激光光斑是否全部落在相对应的耦合透镜的有效区域内，若全部落在相对应的所述耦合透镜的有效区域内，则进行试验，否则则调整光路，直至所述激光光斑全部落在相对应的所述耦合透镜的有效区域内。

实施本发明的应用与弹道靶试验的10nm级微粒探测装置及方法，具有以下有益效果：

1、本发明采用在发射器出口设置夹具的方式，实现10nm级微粒探测装置的安装和定位，且不影响现有设备的正常运行，当微粒和弹托组件飞出发射器出口后(微粒在前，弹托组件在后)，光电探测器感知光信号的强弱变化来探测微粒信号；

2、本发明方案中，通过将夹具安装部设在靶室内，激光器和耦合透镜距离发射器出口较近，因此探测位置距离发射器的出口更近，微粒飞行散布范围较小，探测视场需求小，无需配套加工专用的探测窗口和探测器，无需改动现有设备，且探测成功率更高，能够有效减小测量结果的不确定度；

3、夹具的开口设计能够有效减弱发射器出口处推进气体产生的干扰信号，进而提高了探测灵敏度；

4、根据发射器的口径调整夹具尺寸，能够满足多种发射器的微粒探测需求，尤其是能够低成本快速实现10nm级微粒的可靠准确探测，满足10nm级微粒碰撞试验测速与控制的需求；

5、通过设置多组激光器、耦合透镜、光纤及探测器，能够实现微粒速度精确测量和碰撞过程参数准确测量等其他关于微粒的超高速碰撞特性试验与研究。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的应用于弹道靶试验的10nm级微粒探测装置的结构示意图；

图2是本发明中夹具的结构示意图。

图中：1：发射器；2：弹托组件；3：夹具；4：激光器；5：耦合透镜；6：光纤；7：光电探测器；8：固定螺纹孔；9：激光器安装孔；10：耦合透镜安装孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，为本发明实施例一提供的应用于弹道靶试验的10nm级微粒探测装置，该10nm级微粒探测装置设置在发射器1的出口处。本发明的10nm级微粒探测装置包括夹具3、激光器4、耦合透镜5和光电探测器7。

其中，夹具3用于连接发射器1，并且为该装置的部件提供安装基座。具体地，夹具3包括连接部和安装部，参照图2所示，夹具3的左部为连接部，该连接部具有轴向通孔，夹具3的右部为安装部，该安装部包括第一安装板和第二安装板，第一安装板和第二安装板平行间隔设置，形成具有开口的光幕腔。第一安装板和第二安装板的一端与连接部连接，并且第一安装板和第二安装板均平行于轴向通孔的轴向。连接部的轴向通孔与安装部的光幕腔连通，夹具3通过该轴向通孔同轴套设于发射器1的出口通道，发射器1的出口通道与光幕腔连通。由于发射器1出口处的推进气体喷射导致光信号不稳定，产生干扰信号。本发明夹具的开口设计能快速将推进气体扩散至自由空间，减小对光路的干扰，能够防止推进气体影响微粒的可靠探测，从而提高了探测灵敏度。

在一个优选的实施例中，连接部至少设有两组固定螺纹孔8，每组固定螺纹孔8包括沿连接部的径向均匀设置的四个固定螺纹孔8，且每个固定螺纹孔8与轴向通孔连通，各组固定螺纹孔8沿连接部的轴向间隔设置。其中，每个固定螺纹孔8均对应有一个螺钉，螺钉穿过相对应的固定螺纹孔8抵在发射器1出口通道外侧，用于将夹具3与发射器1出口通道固定。

在一个具体的实施例中，该固定螺纹孔8的数量可以为12个，如图2所示该固定螺纹孔8共包括三组，且每组固定螺纹孔8间隔设置。固定螺纹孔8的孔距可以根据试验条件及固定螺纹孔8的具体数量进行设定，例如孔距可以为20mm，图2中所示连接部的左端开口的尺寸根据试验设备的具体尺寸设定。使用时，利用螺钉通过固定螺纹孔8将夹具3与发射器1出口通道固定连接。

本发明装置中包括至少一个激光器4，以及与激光器4数量相同的耦合透镜5和与耦合透镜5数量相同的光电探测器7。

参照图1和2所示，夹具3的安装部位于靶室内，安装部用于安装激光器4和耦合透镜5。具体地，激光器4安设在第一安装板上，激光器4的轴线垂直于轴向通孔的轴线，能够发射垂直于轴向通孔的轴线的激光。同时，耦合透镜5安装在第二安装板，耦合透镜5的轴线与激光器4的轴线重合，用于接收和聚焦相对应的激光器4发出的光信号。

在一些优选的实施例中，安装部上设有预留的激光器安装孔9，激光器安装孔9的轴线与轴向通孔的轴线方向垂直，将激光器4可拆卸地连接在第一安装板上，例如，可以通过螺纹连接方式进行连接。该激光器安装孔9的孔径和螺纹尺寸根据激光器4的尺寸进行配做。本发明中，激光器4包括激光器本体和供电电源。激光器4的数量根据实际试验情况进行设定，例如为3个，可以适当增减数量，相应地激光器安装孔9的数量也做对应的增减。激光器4应为可见光波长，功率不大于5mW，用于为微粒探测装置提供光源。在一个优选的实施例中，本发明装置中激光器4可以采用半导体激光器，因半导体激光器的体积较小，功耗较小，成本较低，便于安装和调试，能够满足弹道靶试验中微粒探测的需求。

在一些优选的实施例中，安装部上还设有预留的耦合透镜安装孔10，耦合透镜安装孔10的轴线与轴向通孔的轴线方向垂直，耦合透镜安装孔10和激光器安装孔9上下一一对应，且与激光器安装孔9的轴线完全重合，将耦合透镜5可拆卸地连接在第二安装板上。该耦合透镜安装孔10的孔径和螺纹尺寸根据耦合透镜5的尺寸进行配做。在本发明中，耦合透镜5的数量根据实际试验情况进行设定，且需与激光器4一一对应，例如与激光器4的数量同为3个，可以同时适当增减数量，相应地耦合透镜安装孔10的数量也做相应的增减。耦合透镜5应与激光器4的波长参数匹配，用于接收和聚焦光信号。

该装置还包括与耦合透镜数量5相同的光电探测器7，该光电探测器7位于靶室外，并通过光纤6与对应的一个耦合透镜5连接。在本发明中，光电探测器7的探测波长、功率范围需与激光器4匹配，用于接收相应的耦合透镜5经光纤6传递的光信号，并将光信号转化为电信号。光电探测器7包括探测器本体、供电电源和光线转接头。在本发明中，光纤6的数量与光电探测器7、耦合透镜5的数量一致，并可相应增减。光纤6与激光器4的波长参数匹配。在一个具体的实施例中，光纤6的两端均采用FC/PC接口，FC指圆型带螺纹，PC指微球面研磨抛光，耦合透镜5和光电探测器7分别通过光纤6两端的FC/PC接口与光纤6连接。光纤6的长度可以根据实际试验情况进行设定。光纤6穿过靶室时需保证真空密封正常，防止漏气。

现有技术中的光幕为平行线型光幕，能量较分散，而本发明中通过耦合透镜5接收和聚焦激光器4发出的激光，耦合透镜能够聚焦点状光幕，并汇聚于光纤6端头，光信号由光纤6传递至光电探测器7，因本发明中形成的光幕为点状光幕，能量集中，同等条件下产生的光信号更强，因此光电探测器7接收的光信号更清晰，能够有效提高探测灵敏度。

需要说明的是，上述装置用于弹道靶试验对10nm级微粒进行探测时，发射器和靶室可采用现有设备，此外，还需要提供电压采集设备，用于采集光电探测器7的电信号并显示，通过电信号的变化检测得到微粒探测结果。

上述激光器4、耦合透镜5和光电探测器7的数量可以同时为一个，此时该装置可以实现10nm级微粒的可靠准确探测，克服现有技术中因光幕宽度不够而造成微粒不在探测范围内的缺陷，且不影响原有设备的正常运行。

应该理解的是，本发明中提到的“上、下、左、右”等是参照附图所示的结构分布示意图，仅是方便描述，不作为具体限定。

本发明提供的10nm级微粒探测装置采用在发射器出口设置夹具的方式，实现微粒探测装置的安装和定位，且不影响现有设备的正常运行，当微粒和弹托组件飞出发射器出口后(微粒在前，弹托组件在后)，光电探测器感知光信号的强弱变化来探测微粒信号。本发明的微粒探测装置能够应用于超高速弹道靶试验，且尤其能够满足10nm级微粒探测的任务需求。

在现有技术中激光器和探测器成对配置为一站，多站沿靶室轴向布置，两站间距范围为0.4米至2米，即现有探测器距离发射器出口位置最近为0.4米。而采用本发明的装置，能够实现将探测位置前移至发射器出口处，因而探测位置距离发射器的出口更近，微粒飞行散布范围较小，探测视场需求小，无需再配套加工专用的探测窗口和探测器，降低了试验成本，且探测成功率更高，可有效减小测量结果的不确定度；夹具的开口设计可有效减弱发射器出口处推进气体产生的干扰信号，提高了探测灵敏度；同时，根据发射器的口径调整夹具尺寸，能满足多种发射器的微粒探测需求。

实施例二

本实施例二与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：

该装置包括多个激光器4，且多个激光器4沿轴向通孔的轴向平行间隔设置。例如，用于微粒测速时可以设置两个激光器4，相应的耦合透镜5和光电探测器7的数量也为两个。应该理解的是，用于微粒测速时还需根据试验需求提供计时器。本发明中上述激光器4、耦合透镜5和光电探测器7的数量可以做适当增减。具体数量可根据试验需求进行设置。当激光器4、耦合透镜5和光电探测器7的数量为多个时，该装置能够实现10nm级微粒速度测量和碰撞过程参数测量等试验与研究。

实施例三

本发明实施例三提供了应用于弹道靶试验的10nm级微粒探测方法，包括：提供一个与发射器1的出口通道连通的光幕腔，光幕腔位于靶室内，且光幕腔相对的两侧具有与靶室相连通的轴向开口；

提供至少一个激光器4，安装于光幕腔的一侧；

提供与激光器4数量相同的耦合透镜5，安装在光幕腔的另一侧；

提供与耦合透镜5数量相同的光电探测器7，安装在靶室外，光电探测器7通过光纤6与耦合透镜5连接；

调试电压采集设备；

设置电压采集设备参数，包括采集时长、采样率和触发方式；

给激光器4和光电探测器7通电，激光器4向光幕腔的另一侧发射激光，且激光的光路垂直于发射器1的出口通道的轴向，形成光幕，耦合透镜5接收和聚焦相对应的激光器4发出的光信号并通过光纤6传递到光电探测器7，光电探测器7接收光信号，并将光信号转换为电信号；电压采集设备采集该电信号；

经发射器1的出口通道飞出的10nm级微粒进入光幕腔并通过光幕，在10nm级微粒经过光幕时，光电探测器会检测到光减信号，经电压采集设备得到探测结果。

在一些具体的实施例中，可以利用前述任一实施例提供的应用于弹道靶试验的10nm级微粒探测装置实现该方法。例如，利用夹具3安装部的第一安装板和第二安装板平行间隔设置，形成具有开口的光幕腔，夹具3通过轴向通孔同轴套设于发射器1的出口通道，发射器1的出口通道与光幕腔连通；提供至少一个激光器4，安装在第一安装板上，能够发射垂直于轴向通孔的轴向的激光；并提供与激光器4数量相同的耦合透镜5，安装在第二安装板上，能够接收和聚焦相对应的激光器4发出的光信号；还提供与耦合透镜5数量相同的光电探测器7，光电探测器7位于所述靶室外，并通过光纤6与对应的耦合透镜5连接，用于接收相对应的耦合透镜5经光纤6传递的光信号，并将光信号转换为电信号。

在一个优选的实施例中，在试验前，检测激光光斑是否全部落在相对应的耦合透镜5的有效区域内，若全部落在相对应的耦合透镜5的有效区域内，则进行试验，否则则调整光路，直至激光光斑全部落在相对应的耦合透镜5的有效区域内。

具体使用过程中，应确保夹具3轴向通孔的轴线与发射器1的水平中心线重合，且光纤6穿过靶室时应保证密封，防止漏气。此外，根据发射器1的口径调整夹具3的尺寸，能够满足多种不同发射器的微粒探测需求。

另一个实施例与上述实施例三基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：

提供多个激光器4，且多个激光器4沿轴向通孔的轴向平行间隔设置。例如，用于微粒测速时可以设置两个激光器4，相应的耦合透镜5和光电探测器7的数量也为两个。应该理解的是，用于微粒测速时还需提供计时器记录光电探测器7检测到光减信号的时间，用于计算微粒飞行速度。本发明中上述激光器4、耦合透镜5和光电探测器7的数量可以做适当增减。具体数量可根据试验需求进行设置。当激光器4、耦合透镜5和光电探测器7的数量为多个时，该装置能够实现10nm级微粒速度测量和碰撞过程参数测量等试验与研究。

应该理解地是，本发明的应用于弹道靶试验的10nm级微粒探测方法的原理与前面应用于弹道靶试验的10nm级微粒探测装置相同，因此对于微粒探测装置的实施例的具体阐述也适用于该微粒探测方法。

综上所述，在不影响现有设备正常运行的前提下，通过本发明方案在发射器出口处设置夹具的方式，能够实现10nm级微粒探测装置的安装和定位。本发明的方案中探测位置距离发射器的出口更近，微粒飞行散布范围更小，对探测视场的需求更小，能够有效减小测量结果的不确定度。通过夹具的开口设计，能够有效消减发射器出口处推进气体产生的干扰信号，从而提高探测灵敏度。通过调整夹具的尺寸用于配合不同的发射器的口径，能满足多种发射器的微粒探测需求，尤其是能够低成本快速实现10nm级微粒的可靠准确探测，满足10nm级微粒碰撞试验测速与控制的需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。