阅读说明：本技术 一种燃烧转爆轰波阵面传播速度测试装置及方法 (Device and method for testing propagation speed of combustion-detonation wave front ) 是由 仪建华 王长健 王彦杰 张鹏 秦钊 赵凤起 姚二岗 许毅 孙志华 李海建 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明一种燃烧转爆轰波阵面传播速度测试装置及方法,该装置包括样品管、点火具、点火电源、高速摄像仪及便携式计算机等,样品管壁均匀分布一列相同尺寸的贯通微孔,通过高速拍摄点火燃烧后每个微孔喷焰的初始过程,记录每个微孔出现首帧火焰的时刻,利用相邻微孔之间的距离以及其出现首帧火焰的时间差,即可获得波阵面在样品管内传播时在特定区域的平均速度。该测试装置及方法有效地消除了电离探针测速方法中探针的个体差异引起计时不准确或时序混乱对测量结果的影响,具有响应快、测试精度高、操作方便的特点。(The invention relates to a device and a method for testing the propagation speed of a combustion-detonation wave front, wherein the device comprises a sample tube, an igniter, an ignition power supply, a high-speed camera, a portable computer and the like, a row of through micropores with the same size are uniformly distributed on the wall of the sample tube, the initial process of flame spraying of each micropore after ignition and combustion is shot at a high speed, the moment when the first frame of flame appears in each micropore is recorded, and the average speed of the wave front in a specific area during propagation in the sample tube can be obtained by utilizing the distance between adjacent micropores and the time difference when the first frame of flame appears. The testing device and the testing method effectively eliminate the influence of inaccurate timing or disordered time sequence on the measuring result caused by the individual difference of the probes in the ionization probe speed measuring method, and have the characteristics of quick response, high testing precision and convenient operation.)

一种燃烧转爆轰波阵面传播速度测试装置及方法

技术领域

本发明属于火***技术领域，具体涉及一种燃烧转爆轰波阵面传播速度测试装置及方法。

背景技术

火***燃烧转爆轰过程非常复杂，多阶段的剧烈的化学物理反应使得波阵面的传播速度在极短的时间内经历着量级的变化。

火***燃烧转爆轰过程中波阵面传播速度研究通常在金属质地样品管中进行，金属质地样品管强度大，管壁不易变形，容易实现由燃烧到爆轰的转变。电离探针测速方法是目前国内爆轰领域常用的测试手段，该方法原理是：火***燃烧或爆轰时会在波阵面产生一定的电离产物，当波阵面传播到同轴电离探针位置处会使探针导通产生电压脉冲信号，记录该电压脉冲到达的时刻，依据相邻探针间距和电压脉冲到达的时间差，计算出波阵面的传播速度。

对于电离探针测速方法，由于电离探针需要人工焊接，目前没有可遵循的操作规范，亦无法标定。探针的质量和响应时间会存在个体差异且不可避免，探针的个体差异引起计时不准确或时序混乱对测量结果的影响非常大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种燃烧转爆轰波阵面传播速度测试装置及方法，以解决如何消除电离探针测速方法中探针的个体差异引起计时不准确或时序混乱对测量结果的影响的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种燃烧转爆轰波阵面传播速度测试装置，该测试装置包括样品管、点火具、高速摄像仪、点火电源及便携式计算机；其中，样品管包括点火端堵头和底部堵头，样品管的管壁均匀分布一列相同孔径的贯通微孔；点火端堵头为中间轴向开通孔的螺栓形堵头，侧开环形凹槽，凹槽两侧均有螺纹，用于利用小型紧固螺栓将点火端堵头固定于样品管的头部；样品管的头部有多个沿轴对称布设的通孔，用于安装点火端堵头的多枚小型紧固螺栓；底部堵头为圆盘结构，焊接于样品管的底部；样品管内为测试样品；点火具为黑火药点火药包，点火药包内置电点火头，点火具放置于样品管的头部，点火导线由点火端堵头的轴向通孔穿出；高速摄像仪工作在可见光波段，具有外触发功能，用于记录样品管的图像；点火电源为点火具提供电流源，并为高速摄像仪输出同步触发信号；便携式计算机用于操控高速摄像仪，具有图像高速采集、数据处理及终端显示功能。

进一步地，点火端堵头和底部堵头材质均为优质碳素钢。

进一步地，测试样品为粉末、粒状片状或柱状火***试样。

进一步地，测试样品采用自由装填或浇铸方式装药。

进一步地，高速摄像仪最大帧频不小于2×10⁵帧/秒，最大帧频和最大分辨率条件下存储时间不小于0.1s。

此外，本发明还提出一种燃烧转爆轰波阵面传播速度测试方法，采用上述测试装置，该测试方法包括：

S1、测试准备，包括：

a)架设高速摄像仪，连接便携式计算机；开机调试高速摄像仪的放置位置及镜头参数，使得高速摄像仪能够拍摄到样品管的全身；固定高速摄像仪的位置和镜头参数；

b)以样品管的头部作为标记各个微孔位置的点，依次测量并记录所有相邻微孔之间的距离△x_i＝x_i+1－x_i，其中x_i为第i个微孔的位置，i＝1,2，…，N-1，N为微孔数量；将样品管装入测试样品，将点火导线通过点火端堵头轴向通孔穿出，安装点火端堵头；将样品管水平放置于支撑台及见证板上，并保证贯通微孔垂直朝上；

c)连接点火电源的触发信号输出端信号线与高速摄像仪的外触发端口；连接点火电源的输出端线缆与点火导线；

S2、数据测试，包括：

d)设置高速摄像仪的快门、帧频、分辨率；

e)高速摄像仪拍摄一帧图像，在图像中依次标注样品管上每个微孔的编号及位置坐标，完成后将该图像作为基准图像，并保存；

f)启动点火电源对测试样品进行点火，并同步触发高速摄像仪进行图像采集；

g)图像采集结束后，将采集到的图像以图像序列形式存储到便携式计算机上；

S3、数据处理，包括：

i)在测试图像序列中，利用基准图像对各微孔位置进行定位，寻找各微孔上方出现火焰的首帧图像，并记录该时刻t_i，其中i＝1，2，……，N，N为微孔数量；

j)以启动点火电源的时间作为时刻，依次对相邻微孔出现火焰的首帧时刻进行差值计算，得到相邻微孔之间波阵面的传播时间△t_i＝t_i+1－t_i，其中t_i为第i个微孔出现首帧火焰的时刻，i＝1,2，…，N-1，N为微孔数量；

k)第i和第i+1个微孔之间波阵面的平均传播速度可表示为：D＝△x_i/△t_i。

进一步地，在步骤d)中，快门时间0.5×10^-5秒，帧频2×10⁵帧/秒，横向分辨率设置保证拍全样品管即可，纵向分辨率设置为最高。

(三)有益效果

本发明提出的燃烧转爆轰波阵面传播速度测试装置及方法，装置包括样品管、点火具、点火电源、高速摄像仪及便携式计算机等，样品管壁均匀分布一列相同尺寸的贯通微孔，通过高速拍摄点火燃烧后每个微孔喷焰的初始过程，记录每个微孔出现首帧火焰的时刻，利用相邻微孔之间的距离以及其出现首帧火焰的时间差，即可获得波阵面在样品管内传播时在特定区域的平均速度。该测试装置及方法有效地消除了电离探针测速方法中探针的个体差异引起计时不准确或时序混乱对测量结果的影响，具有响应快、测试精度高、操作方便的特点。

本发明的优点具体体现在：

(1)采用高速摄像仪记录每个微孔出现首帧火焰的时刻，利用相邻微孔之间的距离以及其出现首帧火焰的时间差获得波阵面在特定区域的传播速度。本发明有效地消除了电离探针测速方法中探针的个体差异引起计时不准确或时序混乱对测量结果的影响，具有响应快、测试精度高、操作方便的特点；

(2)与探针孔径相比，本发明微孔要小很多(前者通常为Φ2.5mm，后者为Φ1.0mm)。微孔对样品管结构强度及样品管内压强的影响较小。

附图说明

图1为本发明实施例测试装置中样品管及装药结构示意图；

图2为本发明实施例测试装置现场布置示意图。

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。

本实施例提出一种燃烧转爆轰波阵面传播速度测试装置，如图1和2所示，该测试装置主要包括样品管2、点火具6、高速摄像仪11、点火电源13及便携式计算机12。其中，样品管2包括点火端堵头1和底部堵头5，材质均为优质碳素钢，样品管2管身长度1200mm，内径40mm，壁厚9mm；样品管2的管壁均匀分布一列孔径均为1mm的贯通微孔3，贯通微孔3的数量为10个；点火端堵头1为中间轴向开一直径2mm通孔的螺栓形堵头，侧开宽度9mm、深度1.5mm的环形凹槽，凹槽两侧均有15.5mm高度的螺纹，用于利用小型紧固螺栓7将点火端堵头1固定于样品管2的头部；样品管2的头部有4个沿轴对称布设的M8mm通孔，用于安装点火端堵头1的4枚小型紧固螺栓7，通孔距样品管2的管身头部边缘20mm；底部堵头5为一直径100mm、厚10mm的圆盘，焊接于样品管2的底部；样品管2内的测试样品4为粒状火***试样，采用自由装填方式装药。

点火具6为黑火药点火药包，黑火药3g，符合GJB1056A，点火药包内置电点火头，点火电流5A。点火具6包扎好放置于样品管2的头部，点火导线8由点火端堵头1的轴向通孔穿出。

高速摄像仪11，工作在可见光波段，最大帧频不小于2×10⁵帧/秒，最大帧频和最大分辨率条件下存储时间不小于0.1s，且具有外触发功能。

点火电源13为点火具6提供电流源，电流输出5A，并为高速摄像仪11输出同步触发信号。

便携式计算机12，用于操控高速摄像仪11，具有图像高速采集、数据处理及终端显示功能。

测试现场布置，包括：样品管2装入测试样品4及点火具6后水平放置于支撑台9及见证板上，贯通微孔3垂直朝上；高速摄像仪11布设于安全防护隔板10后，安全防护隔板10的窗口安装防弹玻璃；点火电源13及便携式计算机12布设于安全区域。

采用上述燃烧转爆轰波阵面传播速度测试装置的测试方法，包括测试准备、数据测试、数据处理及结果表述。其中：

S1、测试准备，包括：

a)架设高速摄像仪11，连接便携式计算机12；开机调试其放置位置及镜头参数，使得其能够拍摄到样品管2的全身；固定高速摄像仪11的位置和镜头参数；

b)以样品管2的头部作为标记各个微孔位置的0点，依次测量并记录所有相邻微孔之间的距离△x_i＝x_i+1－x_i，其中x_i为第i个微孔的位置，i＝1,2，…，N-1，N为微孔数量；将样品管2装入测试样品4，将点火导线8通过点火端堵头1轴向通孔穿出，安装点火端堵头1；将样品管2水平放置于支撑台9及见证板上，并保证贯通微孔3垂直朝上；

c)连接点火电源13的触发信号输出端信号线与高速摄像仪11的外触发端口；连接点火电源13的输出端线缆与点火导线8；

S2、数据测试，包括：

d)设置高速摄像仪11的快门、帧频、分辨率等参数，其中快门时间0.5×10^-5秒，帧频2×10⁵帧/秒，横向分辨率设置保证拍全样品管即可，纵向分辨率设置为最高；

e)高速摄像仪11拍摄一帧图像，在图像中依次标注样品管2上每个微孔的编号及位置坐标，完成后将该图像作为基准图像，并保存；

f)启动点火电源13对测试样品4进行点火，并同步触发高速摄像仪11进行图像采集；

g)图像采集结束后，将采集到的图像以图像序列形式存储到便携式计算机12上；

S3、数据处理，包括：

i)在测试图像序列中，利用基准图像对各微孔位置进行定位，寻找各微孔上方出现火焰的首帧图像，并记录该时刻t_i，其中i＝1，2，……，N，N为微孔数量；

j)以启动点火电源13的时间作为0时刻，依次对相邻微孔出现火焰的首帧时刻进行差值计算，得到相邻微孔之间波阵面的传播时间△t_i＝t_i+1－t_i，其中t_i为第i个微孔出现首帧火焰的时刻，i＝1,2，…，N-1，N为微孔数量；

k)第i和第i+1个微孔之间波阵面的平均传播速度可表示为：D＝△x_i/△t_i；

S4、结果表述，包括：

利用样品管2进行燃烧转爆轰试验时，第i和第i+1个微孔之间波阵面的平均传播速度可表示为：D＝△x_i/△t_i，其中：△x_i＝x_i+1－x_i，x_i为第i个微孔的位置，△t_i＝t_i+1－t_i，t_i为第i个微孔出现首帧火焰的时刻，i＝1,2，…，N-1，N为微孔数量。

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。