阅读说明：本技术 基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置及方法 (Impact wave energy and impulse integrated measuring device and method based on gradient foam ) 是由 梁民族 李翔宇 林玉亮 张克钒 卢芳云 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置及方法,目的是解决目前测量技术中线缆连接复杂、需要供电、不适合极端环境等问题。测量装置由外壳、梯度缓冲组件和定位环组成,外梯度缓冲组件填充在外壳内部,定位环固定在外壳的开口端。梯度缓冲组件在外壳内沿轴线方向自由运动。梯度缓冲组件由前端滑块、低密度泡沫层、第一隔板、中密度泡沫层、第二隔板、高密度泡沫层和止位板依次同轴无缝紧密粘接而成。测量方法是根据爆炸时前端滑块压缩梯度缓存组件产生的塑性变形量、低密度泡沫层、中密度泡沫层、高密度泡沫层的能量、冲量灵敏度系数分别计算得到爆炸冲击波能量和冲量。本发明可实现在恶劣环境下的爆炸场冲击波参数测量。(The invention discloses a device and a method for integrally measuring shock wave energy and impulse based on gradient foam, and aims to solve the problems that cable connection is complex, power supply is needed, and the device and the method are not suitable for extreme environments in the existing measuring technology. The measuring device consists of a shell, a gradient buffer component and a positioning ring, wherein the outer gradient buffer component is filled in the shell, and the positioning ring is fixed at the opening end of the shell. The gradient buffer assembly is free to move in the direction of the axis within the housing. The gradient buffering assembly is formed by sequentially coaxially, seamlessly and tightly bonding a front end sliding block, a low-density foam layer, a first partition plate, a medium-density foam layer, a second partition plate, a high-density foam layer and a stop plate. The measuring method is that the explosive shock wave energy and the impulse are respectively calculated according to the plastic deformation generated by the front-end sliding block compressing the gradient buffer assembly during explosion, the energy of the low-density foam layer, the medium-density foam layer and the high-density foam layer and the impulse sensitivity coefficient. The invention can realize the measurement of the blast wave parameters of the explosion field in severe environment.)

基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置及方法

技术领域

本发明属于一种测量装置，特别涉及一种***产生的冲击波能量和冲量一体化测量装置，更具体地，是涉及一种利用梯度泡沫材料压溃特性测量***冲击波能量和冲量的无源传感器装置。

背景技术

传感器在科学技术领域扮演着非常重要的角色，已广泛应用于自然科学和工程技术各个方面。传感器按测试信号的类型可以分为温度传感器、压力传感器、加速度传感器等，按照工作原理可以分为电学传感器、光电式传感器、半导体传感器等，按照是否使用线缆可以分为有线传感器和无线传感器，按照供电的方式可以分为有源传感器和无源传感器。

有线的传感器受到线缆相互连接的限制，信号远距离传送比较困难。若采用较多传感器，测试系统将会非常复杂，出现故障时检查非常困难。同时线缆很难承受高温，有线传感器不适合在在高温环境下工作。这些问题都限制了有线传感器在科学研究和工程技术中的应用，但是无线传感器能够非常好地避免这些问题。

有源传感器的传输距离很远，并且其测试的精度、准度以及灵敏性都比较高。但是有源传感器需要供电才能工作，因此在一些高温、高压、高速等特殊环境下很难更换或提供电源。在这方面无源传感器也能很好地避免，不仅不需要提供额外的供电，而且可以克服恶劣环境完成测试工作。

综上所述，无线无源的传感器，对于传感器技术乃至整个科学研究和工程技术领域至关重要。

***物在空气中***后，在极短时间内产生高温、高压的爆轰产物，爆轰产物以极高速度向周围空气膨胀，由于直接受到爆轰产物的作用，周围的空气介质被瞬时强烈压缩，周围空气介质的密度和压力骤然升高，从而形成***冲击波。冲击波是***对人员、设备等造成损伤和破坏的主要元素，冲击波能量和冲量的测量是评估***物毁伤效应的最重要方法之一。

***过程在一个高压、高温、高速的极端环境内进行，同时具有很大的破坏力。因此在冲击波的能量、冲量等参数测量时，有线传感器和有源传感器都存在一定的局限性。然而无线、无源传感器在***冲击波能量和冲量测量方面具有很大优势。国内外在传感器设计、校准以及数据处理等方面进行了大量的研究工作，但是也存在一些问题，例如***冲击波与测量装置之间的耦合机理不明，在实际测量过程中受到外界环境影响较大，同一次试验往往出现不符合冲击波传播规律的情况。因此，需要进一步开展***冲击波测量装置和测量方法的研究。

泡沫材料受到***冲击时发生逐层变形和压溃现象，同时吸收空气冲击波能量，在冲击波测量方面极具发展潜力。近几年，梯度泡沫材料由于可设计性强引起了学者们的广泛研究。梯度泡沫材料是指组成泡沫材料的密度沿厚度方向由一端向另一端逐渐增加(或降低)，从而使泡沫材料力学特性也逐渐增加(或降低)。梯度泡沫材料可设计性强，可以根据具体需求进行设计，可以应用在不同领域以满足特定需求。根据***载荷下梯度泡沫材料变形情况，可以精确计算出距离爆源一定距离处的冲量和能量。同时，梯度泡沫材料性能稳定可靠，成本低，部件加工、装配简单，在***冲击波能量和冲量测量方面具有很大优势，具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对目前有线或有源测量技术中线缆连接复杂、需要供电、不适合极端环境等问题，提供一种基于梯度泡沫的无线、无源的***冲击波能量和冲量一体化测量装置及方法。该测量装置及方法可以用于***靶场等恶劣实验环境的***冲击波能量和冲量的测量，为***冲击波参数测量和校对提供一种新的选择。本发明具有部件加工装配简单、成本低、抗干扰能力强、数据结果处理方便等特点。

本发明提供一种***冲击波能量和冲量无线无源一体化测量装置及方法，利用梯度泡沫材料受压逐层塑性变形机理，通过将压溃变形位移计算出所处位置的能量和冲量，从而实现在恶劣实验环境下的***场冲击波参数测量。

本发明整体呈圆柱状，由外壳、梯度缓冲组件和定位环组成。外壳、梯度缓冲组件和定位环同轴(中心轴OO’)装配，梯度缓冲组件填充在外壳内部，定位环通过活动螺栓固定在外壳的开口一端，以防止梯度缓冲组件从外壳开口处滑出。

外壳为带底圆筒，外直径为D₀，满足0.01m<D₀<0.3m，内直径为D₁，满足0.6D₀<D₁<0.9D₀，长度为L₀，满足0.01m<L₀<0.5m，底部厚度为L₁，满足0.05L₀<L₁<0.2L₀，侧壁厚度δ＝(D₀-D₁)/2。外壳材料为金属或者有机玻璃等，屈服强度σ₁满足σ₁>100MPa，密度ρ₁满足1g/cm³<ρ₁<9g/cm³。外壳用于承载和规范梯度缓冲组件在外壳内部自由滑动，外壳和梯度缓冲组件之间的摩擦系数μ<0.05。外壳的侧壁挖有观察窗，沿着外壳外侧壁轴向刻制有刻度尺，外壳开口的端面上有定位螺纹孔，外壳的底面中心挖有固定螺纹孔、辅助装卸孔。

外壳侧壁沿轴向开有观察窗，观察窗为一个长条形通槽，长度为q，满足0.6L<q<0.8L，宽度为p，满足0.01D₀<p<0.1D₀，深度和外壳的壁厚相同，等于δ。通过观察窗可观察梯度缓冲组件安装、变形以及移动情况。外壳外侧壁沿轴向刻制有刻度尺，刻度尺长度等于q，刻度尺分度值小于等于1mm，用于直接读梯度缓冲组件的变形量和位移，通过梯度缓冲组件变形量可以计算出对应的***冲击波能量和冲量。刻度尺一般刻在观察窗的长边上，便于测量和观察。

外壳开口端的端面沿环向均匀分布有n个定位螺纹孔，n为正偶数，一般为4。定位螺纹孔孔径为Φ，满足0.2δ<Φ<0.8δ，深度为ξ，满足0.03L₀<ξ<0.1L₀。

外壳底部中心挖有一个固定螺纹孔，固定螺纹孔外端面与外壳底部外端面平齐，固定螺纹孔孔径为D₂，满足0.2D₀<D₂<0.8D₀，深度为L₂，满足0.3L₁<L₂<0.8L₁。固定螺纹孔的主要作用是将本发明固定安装在支架上。

外壳底部中心还有一个辅助装卸孔，辅助装卸孔为圆形孔，与固定螺纹孔同轴。辅助装卸孔的内端面与外壳底部内端面平齐，辅助装卸孔的外端面与固定螺纹孔的内端面平齐，即辅助装卸孔与固定螺纹孔连通。辅助装卸孔孔径为D₃，满足0.1D₀<D₃<D₂，深度L₃＝L₁-L₂。辅助装卸孔的作用是辅助外壳内安装梯度缓冲组件和卸载变形后的梯度缓冲组件。辅助装卸孔与固定螺纹孔的外端面是指离外壳底部近的端面，内端面是指离外壳底部远的端面。

定位准星是位于外壳侧壁沿轴向(即与中心轴OO’同向)的一个长条形凸起，定位准星的一侧面与外壳开口端的端面齐平。定位准星沿外壳轴向的长度为k₀，满足0.03L₀<k₀<0.1L₀，沿外壳径向的高度为j₀，0.2δ<j₀<0.8δ，垂直于外壳径向的宽度为i₀，满足0.2j₀<i₀<0.5j₀。

定位照门是位于外壳侧壁与定位准星在同一条轴线上的长条形凸起，垂直于中心轴OO’的截面为凹字形，一个端面与外壳底面外表面平齐。定位照门沿外壳中心轴OO’方向的长度为u₀，满足0.03L₀<u₀<0.1L₀，沿外壳直径方向的高度为v₀，满足0.05D₀<v₀<0.2D₀，垂直于外壳直径方向的宽度为w₀，满足0.05D₀<w₀<0.2D₀。定位照门沿中心轴OO’方向挖有一个长条形凹槽，长条形凹槽宽为w₁，满足0.3w₀<w₁<0.7w₀，高为v₁，满足0.3v₀<v₁<0.7v₀。测量人员通过调整本发明的位置和方向使***物、定位准星、定位照门在一条直线上，完成***物瞄准操作，使***冲击波传播方向垂直于外壳开口一端的端面。

梯度缓冲组件为圆柱形，直径为d，满足0.98D₁<d<D₁，确保梯度缓冲组件整个横截面承受***冲击波的作用，长度l₀＝L₀-L₁，在外壳内沿中心轴OO’方向***。梯度缓冲组件由前端滑块、低密度泡沫层、第一隔板、中密度泡沫层、第二隔板、高密度泡沫层和止位板依次同轴(中心轴OO’)无缝紧密粘接而成。前端滑块位于外壳开口一侧，且端面与外壳开口一侧的端面齐平。

低密度泡沫层为圆柱形，直径等于d，厚度为l₁，满足0.2L₀<l₁<0.4L₀。低密度泡沫层材料为金属泡沫，密度ρ₂₁<0.4g/cm³。

中密度泡沫层为圆柱形，直径等于d，厚度为l₂，满足0.2L₀<l₂<0.4L₀。中密度泡沫层材料为金属泡沫，密度ρ₂₁<ρ₂₂<0.8g/cm³。

高密度泡沫层为圆柱形，直径等于d，厚度为l₃，满足0.2L₀<l₃<0.4L₀。高密度泡沫层材料为金属泡沫，密度ρ₂₂<ρ₂₃<1.2g/cm³。

前端滑块为圆柱形，直径等于d，厚度为t₁，满足0.05L₀<t₁<0.2L₀。前端滑块材料为金属，在***冲击波作用下不产生塑性变形，屈服强度σ₂₄>400MPa，密度ρ₂₄>7.0g/cm³。前端滑块位于外壳开口一端，靠近***冲击波，两端面与外壳的中心轴OO’垂直，用于将空气中***冲击波能量转换为自身的动能。

第一隔板和第二隔板均为圆形薄板，直径等于d，厚度为t₂，满足0.01L₀<t₂<0.05L₀，材料为金属或高聚物，屈服强度σ₂₅>100MPa，密度ρ₂₅>1.0g/cm³。第一隔板位于低密度泡沫层和中密度泡沫层之间，第二隔板位于中密度泡沫层和高密度泡沫层之间。

止位板为圆形薄板，直径等于d，厚度为t₃，满足0.01L₀<t₃<0.1L₀。止位板材料为金属，屈服强度σ₂₆>400MPa，密度ρ₂₆>7.0g/cm³。止位板位于外壳的底部，与底部内表面贴合，作用是确保高密度泡沫层不被压入辅助装卸孔内。

定位环为圆环形，外直径等于D₀，内直径为D₄，D₄略小于外壳内直径，满足0.9D₁<D₄<D₁。定位环厚度为t₀，满足0.05t₁<t₀<0.5t₁。定位环材料为金属，屈服强度σ₃>300MPa，密度ρ₃>7.0g/cm³。定位环上活动螺钉数等于n，这n个活动螺钉插在外壳开口端面的n个定位螺纹孔中，使得定位环固定在外壳开口端面上。定位环受到***冲击波作用时不产生明显塑性变形，将梯度缓冲组件固定在外壳内，使得梯度缓冲组件在运输和安装时不会从外壳开口一侧滑出。

采用本发明进行***场冲击波能量和冲量测量的方法包括以下步骤：

第一步，组装梯度缓冲组件，方法是：将前端滑块、低密度泡沫层、第一隔板、中密度泡沫层、第二隔板、高密度泡沫层和止位板依次同轴粘接，接触紧密、无缝隙。

第二步，将梯度缓冲组件放置于外壳内，前端滑块朝向外壳开口端。

第三步，将定位环安装在外壳开口端的端面，并用活动螺钉固定。

第四步，通过固定螺纹孔将本发明固定安装在支架上，前端滑块朝向***物，调整本发明的角度使***物、定位准星、定位照门在一条直线上，确保***冲击波传播方向垂直于前端滑块端面。

第五步，读取前端滑块在刻度尺上对应的位置，通过刻度尺记录下前端滑块和低密度泡沫层交界面的位置x₁。

第六步，***物发生***，***冲击波通过空气传播到前端滑块外表面，前端滑块承受冲击波载荷，冲击波的能量传递给前端滑块，并转化为前端滑块的动能。

第七步，具有一定速度的前端滑块压缩低密度泡沫层，低密度泡沫层发生压溃，若低密度泡沫层完全压实，中密度泡沫层开始发生压溃，若中密度泡沫层也完全压实，高密度泡沫层开始发生压溃。由于受到前端滑块的压缩，低密度泡沫层、中密度泡沫层、高密度泡沫层按顺序依次压实，低密度泡沫层未完全压实前，中密度泡沫层和高密度泡沫层不发生变形。同理，中密度泡沫层未完全压实前，高密度泡沫层不发生变形。

第八步，通过刻度尺记录前端滑块和低密度泡沫层交界面的位置x₂，并记录被完全压实的泡沫层数。前端滑块压缩梯度缓冲组件产生的塑性变形量Δx＝x₂-x₁(x₁、x₂和Δx单位均为m)。

第九步，通过霍普金森杆实验技术标定低密度泡沫层、中密度泡沫层、高密度泡沫层的能量灵敏度系数和冲量灵敏度系数，假设低密度泡沫层、中密度泡沫层、高密度泡沫层的能量灵敏度系数分别为α₁、α₂、α₃(单位为kg·m/s²)，低密度泡沫层、中密度泡沫层、高密度泡沫层的冲量灵敏度系数分别为β₁、β₂、β₃(单位为kg/s)。

第十步，根据位移量Δx和能量灵敏度系数、冲量灵敏度系数计算测试得到的能量和冲量，分成以下三种情况：

若0<Δx≤l₁，***冲击波能量E＝α₁·Δx，冲量I＝β₁·Δx；

若l₁<Δx≤l₁+l₂，***冲击波能量E＝α₁·l₁+α₂·(Δx-l₁)，冲量I＝β₁·l₁+β₂·(Δx-l₁)；

若l₁+l₂<Δx≤l₁+l₂+l₃，***冲击波能量E＝α₁l₁+α₂l₂+α₃·(Δx-l₁-l₂)，冲量I＝β₁l₁+β₂l₂+β₃·(Δx-l₁-l₂)。

第十一步，将***冲击波压溃变形的梯度缓冲组件通过将外壳底部的辅助装卸孔卸下，同时装入新的低密度泡沫层、中密度泡沫层、高密度泡沫层，实现测试结构的重复使用。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明测量方法是通过装置外壳上的刻度可读取梯度泡沫部件的塑性变形量，根据预设的泡沫材料参数计算出***冲击波在测量装置处的冲量和能量，该方法简单、可靠、实用性强，适合恶劣实验环境下的***冲击波参数测量。

2.本发明测量装置及方法基于梯度泡沫材料逐层压溃机理，由于逐层压溃过程具有较高灵敏度，该测量装置及方法可以实现不同强度***冲击波能量和冲量测量，从而适用于***冲击波的近场、中场、远场参数测量。

3.本发明的装置具有加工装配简单，成本低，无需供电，测试布设迅速，结果数据处理方便等特点。

附图说明

图1是本发明装置纵向中轴截面图；

图2是本发明装置外壳1结构图，图2(a)是外壳1纵向中轴截面图，图2(b)是外壳的后部斜视图，图2(c)是外壳1的前部斜视图，图2(d)是的图2(b)A圆圈处的局部放大视图，图2(e)是图2(b)B圆圈处的局部放大视图，图2(f)是图2(c)C圆圈处的局部放大视图；

图3是本发明装置梯度缓冲组件2纵向中轴截面图；

图4是本发明装置定位环3结构图，图4(a)是定位环3俯视图，图4(b)是定位环3的D-D截面视图。

图5是本发明装置受***冲击后的轴向剖视图。

附图标记说明：

1.外壳，11.观察窗，12.刻度尺，13.定位螺纹孔，14.固定螺纹孔，15.辅助装卸孔，16.定位准星，17.定位照门，2.梯度缓冲组件，21.低密度泡沫层，22.中密度泡沫层，23.高密度泡沫层，24.前端滑块，25.隔板，26.止位板，3.定位环

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明专利，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明纵向中轴截面图，如图1所示，本发明整体呈圆柱状，由外壳1、梯度缓冲组件2和定位环3组成。外壳1、梯度缓冲组件2和定位环3同轴(中心轴OO’)装配，梯度缓冲组件2填充在外壳1内部，定位环3通过活动螺栓固定在外壳1的开口一端，以防止梯度缓冲组件2从外壳1开口处滑出。

图2(a)是外壳1纵向中轴截面图，如图2(a)所示，外壳1为带底圆筒，外直径为D₀，满足0.01m<D₀<0.3m，内直径为D₁，满足0.6D₀<D₁<0.9D₀，长度为L₀，满足0.01m<L₀<0.5m，底部厚度为L₁，满足0.05L₀<L₁<0.2L₀，侧壁厚度δ＝(D₀-D₁)/2。外壳1材料为金属或者有机玻璃等，屈服强度σ₁满足σ₁>100MPa，密度ρ₁满足1g/cm³<ρ₁<9g/cm³。外壳1用于承载和规范梯度缓冲组件2在外壳1内部自由滑动，外壳1和梯度缓冲组件2之间的摩擦系数μ<0.05。外壳1的侧壁挖有观察窗11，沿着外壳1外侧壁轴向刻制有刻度尺12，外壳1开口的端面上有定位螺纹孔13，外壳1的底面中心挖有固定螺纹孔14、辅助装卸孔15。

图2(c)是外壳1的前部斜视图，如图2(c)所示，外壳1侧壁沿轴向开有观察窗11，观察窗11为一个长条形通槽，长度为q，满足0.6L<q<0.8L，宽度为p，满足0.01D₀<p<0.1D₀，深度和外壳1的壁厚相同，等于δ。通过观察窗11可观察梯度缓冲组件2安装、变形以及移动情况。如图2(c)和图2(f)所示，外壳1外侧壁沿轴向刻制有刻度尺12，刻度尺12长度等于q，刻度尺分度值小于等于1mm，用于直接读梯度缓冲组件2的变形量和位移，通过梯度缓冲组件2变形量可以计算出对应的***冲击波能量和冲量。刻度尺12一般刻在观察窗11的长边上，便于测量和观察。

如图2(c)所示，外壳1开口端的端面沿环向均匀分布有n个定位螺纹孔13，n为正偶数，一般为4。定位螺纹孔13孔径为Φ，满足0.2δ<Φ<0.8δ，深度为ξ(如图2(a)所示)，满足0.03L₀<ξ<0.1L₀。

图2(b)是外壳的后部斜视图，如图2(b)所示，外壳1底部中心挖有一个固定螺纹孔14，固定螺纹孔14外端面与外壳1底部外端面平齐，固定螺纹孔14孔径为D₂，满足0.2D₀<D₂<0.8D₀，深度为L₂(如图2(a)所示)，满足0.3L₁<L₂<0.8L₁。固定螺纹孔14的主要作用是将本发明固定安装在支架上。

如图2(a)所示，外壳1底部中心还有一个辅助装卸孔15，辅助装卸孔15为圆形孔，与固定螺纹孔14同轴。辅助装卸孔15的内端面与外壳1底部内端面平齐，辅助装卸孔15的外端面与固定螺纹孔14的内端面平齐，即辅助装卸孔15与固定螺纹孔14连通。辅助装卸孔15孔径为D₃，满足0.1D₀<D₃<D₂，深度L₃＝L₁-L₂。辅助装卸孔15的作用是辅助外壳1内安装梯度缓冲组件2和卸载变形后的梯度缓冲组件2。辅助装卸孔15与固定螺纹孔14的外端面是指离外壳1底部近的端面，内端面是指离外壳1底部远的端面。

如图2(b)所示，定位准星16是位于外壳1侧壁沿轴向(即与中心轴OO’同向)的一个长条形凸起，定位准星16的一侧面与外壳1开口端的端面齐平。定位准星16沿外壳1轴向的长度如图2(e)所示，为k₀，满足0.03L₀<k₀<0.1L₀，沿外壳1径向的高度为j₀，0.2δ<j₀<0.8δ，垂直于外壳1径向的宽度为i₀，满足0.2j₀<i₀<0.5j₀。

如图2(b)所示，定位照门17是位于外壳1侧壁与定位准星16在同一条轴线上的长条形凸起，如图2(d)所示，垂直于中心轴OO’的截面为凹字形，一个端面与外壳1底面外表面平齐。定位照门17沿外壳1中心轴OO’方向的长度为u₀，满足0.03L₀<u₀<0.1L₀，沿外壳1直径方向的高度为v₀，满足0.05D₀<v₀<0.2D₀，垂直于外壳1直径方向的宽度为w₀，满足0.05D₀<w₀<0.2D₀。定位照门17沿中心轴OO’方向挖有一个长条形凹槽171，长条形凹槽171宽为w₁，满足0.3w₀<w₁<0.7w₀，高为v₁，满足0.3v₀<v₁<0.7v₀。测量人员通过调整本发明的位置和方向使***物、定位准星16、定位照门17在一条直线上，完成***物瞄准操作，使***冲击波传播方向垂直于外壳1开口一端的端面。

图3是本发明梯度缓冲组件2纵向中轴截面图；如图3所示，梯度缓冲组件2为圆柱形，直径为d，满足0.98D₁<d<D₁，确保梯度缓冲组件2整个横截面承受***冲击波的作用，长度l₀＝L₀-L₁，在外壳1内沿中心轴OO’方向***。梯度缓冲组件2由前端滑块24、低密度泡沫层21、第一隔板251、中密度泡沫层22、第二隔板252、高密度泡沫层23和止位板26依次同轴(中心轴OO’)无缝紧密粘接而成。前端滑块24位于外壳1开口一侧，且端面与外壳1开口一侧的端面齐平。

低密度泡沫层21为圆柱形，直径等于d，厚度为l₁，满足0.2L₀<l₁<0.4L₀。低密度泡沫层21材料为金属泡沫，密度ρ₂₁<0.4g/cm³。

中密度泡沫层22为圆柱形，直径等于d，厚度为l₂，满足0.2L₀<l₂<0.4L₀。中密度泡沫层22材料为金属泡沫，密度ρ₂₁<ρ₂₂<0.8g/cm³。

高密度泡沫层23为圆柱形，直径等于d，厚度为l₃，满足0.2L₀<l₃<0.4L₀。高密度泡沫层23材料为金属泡沫，密度ρ₂₂<ρ₂₃<1.2g/cm³。

前端滑块24为圆柱形，直径等于d，厚度为t₁，满足0.05L₀<t₁<0.2L₀。前端滑块24材料为金属，在***冲击波作用下不产生塑性变形，屈服强度σ₂₄>400MPa，密度ρ₂₄>7.0g/cm³。前端滑块24位于外壳1开口一端，靠近***冲击波，两端面与外壳1的中心轴OO’垂直，用于将空气中***冲击波能量转换为自身的动能。

第一隔板251和第二隔板252均为圆形薄板，直径等于d，厚度为t₂，满足0.01L₀<t₂<0.05L₀，材料为金属或高聚物，屈服强度σ₂₅>100MPa，密度ρ₂₅>1.0g/cm³。第一隔板251位于低密度泡沫层21和中密度泡沫层22之间，第二隔板252位于中密度泡沫层22和高密度泡沫层23之间。

止位板26为圆形薄板，直径等于d，厚度为t₃，满足0.01L₀<t₃<0.1L₀。止位板26材料为金属，屈服强度σ₂₆>400MPa，密度ρ₂₆>7.0g/cm³。止位板26位于外壳1的底部，与底部内表面贴合，作用是确保高密度泡沫层23不被压入辅助装卸孔15内。

图4是本发明定位环3结构图，图4(a)是定位环3俯视图，如图4(a)所示，定位环3为圆环形，外直径等于D₀，内直径为D₄，D₄略小于外壳1内直径，满足0.9D₁<D₄<D₁。图4(b)是定位环3的D-D截面视图，如图4(b)所示，定位环3厚度为t₀，满足0.05t₁<t₀<0.5t₁。定位环3材料为金属，屈服强度σ₃>300MPa，密度ρ₃>7.0g/cm³。定位环3上活动螺钉数等于n，这n个活动螺钉插在外壳1开口端面的n个定位螺纹孔13中，使得定位环3固定在外壳1开口端面上。定位环3受到***冲击波作用时不产生明显塑性变形，将梯度缓冲组件2固定在外壳1内，使得梯度缓冲组件2在运输和安装时不会从外壳1开口一侧滑出。

采用本发明进行***场冲击波能量和冲量测量的方法包括以下步骤：

第一步，组装梯度缓冲组件2，方法是：将前端滑块24、低密度泡沫层21、第一隔板251、中密度泡沫层22、第二隔板252、高密度泡沫层23和止位板26依次同轴粘接，接触紧密、无缝隙。

第二步，将梯度缓冲组件2放置于外壳1内，前端滑块24朝向外壳1开口端。

第三步，将定位环3安装在外壳1开口端的端面，并用活动螺钉固定。

第四步，通过固定螺纹孔14将本发明固定安装在支架上，前端滑块24朝向***物，调整本发明的角度使***物、定位准星16、定位照门17在一条直线上，确保***冲击波传播方向垂直于前端滑块24端面。

第五步，读取前端滑块24在刻度尺12上对应的位置，通过刻度尺12记录下前端滑块24和低密度泡沫层21交界面的位置x₁(如图1所示)。

第六步，***物发生***，***冲击波通过空气传播到前端滑块24外表面，前端滑块24承受冲击波载荷，冲击波的能量传递给前端滑块24，并转化为前端滑块24的动能。

第七步，具有一定速度的前端滑块24压缩低密度泡沫层21，低密度泡沫层21发生压溃，若低密度泡沫层21完全压实，中密度泡沫层22开始发生压溃，若中密度泡沫层22也完全压实，高密度泡沫层23开始发生压溃。由于受到前端滑块24的压缩，低密度泡沫层21、中密度泡沫层22、高密度泡沫层23按顺序依次压实，低密度泡沫层21未完全压实前，中密度泡沫层22和高密度泡沫层23不发生变形。同理，中密度泡沫层22未完全压实前，高密度泡沫层23不发生变形。

第八步，通过刻度尺12记录前端滑块24和低密度泡沫层21交界面的位置x₂(如图5所示)，并记录被完全压实的泡沫层数。前端滑块24压缩梯度缓冲组件2产生的塑性变形量Δx＝x₂-x₁(x₁、x₂和Δx单位均为m)。

第九步，通过霍普金森杆实验技术标定低密度泡沫层21、中密度泡沫层22、高密度泡沫层23的能量灵敏度系数和冲量灵敏度系数，假设低密度泡沫层21、中密度泡沫层22、高密度泡沫层23的能量灵敏度系数分别为α₁、α₂、α₃(单位为kg·m/s²)，低密度泡沫层21、中密度泡沫层22、高密度泡沫层23的冲量灵敏度系数分别为β₁、β₂、β₃(单位为kg/s)。

第十步，根据位移量Δx和能量灵敏度系数、冲量灵敏度系数计算测试得到的能量和冲量，分成以下三种情况：

若0<Δx≤l₁，***冲击波能量E＝α₁·Δx，冲量I＝β₁·Δx；

若l₁<Δx≤l₁+l₂，***冲击波能量E＝α₁·l₁+α₂·(Δx-l₁)，冲量I＝β₁·l₁+β₂·(Δx-l₁)；

若l₁+l₂<Δx≤l₁+l₂+l₃，***冲击波能量E＝α₁l₁+α₂l₂+α₃·(Δx-l₁-l₂)，冲量I＝β₁l₁+β₂l₂+β₃·(Δx-l₁-l₂)。

第十一步，将***冲击波压溃变形的梯度缓冲组件2通过将外壳1底部的辅助装卸孔15卸下，同时装入新的低密度泡沫层21、中密度泡沫层22、高密度泡沫层23，实现测试结构的重复使用。