固体推进剂超声波动态燃速测试系统技术方案

本发明专利技术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。

Ultrasonic dynamic burning rate test system of solid propellant

The invention discloses a solid propellant burning rate of ultrasonic dynamic measurement system, which comprises a combustion chamber and the gas distribution unit, test control unit in the combustion chamber is arranged at the top or bottom of the ultrasonic transmitting and receiving unit, the unit is composed of the ultrasonic probe and the coupling medium composition, coupling medium for the cylinder, the two end respectively with ultrasonic probe the working surface and solid propellant samples close contact; test the control unit for the initial room temperature and pressure control of combustion, and the combustion chamber temperature and pressure detection and solid propellant combustion parameters real-time control, probe to emit ultrasonic wave with fixed frequency, receiving echo from the combustion surface of solid propellant, the implementation of data acquisition processing. The system can measure the static burning rate, the dynamic burning rate, the burning rate pressure index and the burning rate temperature sensitivity coefficient of the solid propellant in one test. It is several times the testing efficiency of the static test equipment.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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、控制模块、测量模块、数据处理模块和数据管理模块；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； 所述的控制模块进行压强控制、温度控制和点火控制操作；所述的测量模块用于固体推进剂动态燃速的测试，完成压强采样、温度采样、采样波形 显示、波形曲线绘制和数据保存；所述的数据处理模块完成筛选数据、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。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。本专利技术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。附图说明图1为本专利技术固体推进剂超声波动态燃速测量系统结构示意图； 图2本专利技术燃烧室结构示意图3本专利技术超声波探头与耦合介质示意图； 图4本专利技术数据采集处理程序主要功能模块示意图；图5本专利技术数据采集处理程序工作流程简图。上图中，高压氮气瓶氮气缓冲瓶高压气阀缓冲气阀排 气阀进水阀排水阀燃烧室温度控制装置压强传感器 燃烧室顶盖温度传感器超声波探头超声波发射与接收电路阀 门控制驱动电路点火电路控制柜信号放大器1/0控制卡 数据采集卡工控机打印机耦合介质固体推进剂试样恒 温槽进气排气孔点火器紧急排气孔。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。高压氮气瓶通过高压进气阀与燃烧室 的进/排气孔连接，用于给燃烧室和氮气缓冲瓶加压，高压进气阀为电磁气 动阀。氮气缓冲瓶通过缓冲气阀与燃烧室的进/排气孔连接，在测试时缓冲 气阀打开，使氮气缓冲瓶与燃烧室相通，使燃烧室压强保持稳定。缓冲阀 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。排气阀通过管道与燃烧室进气口连接。温度控制装置受阀门控制信 号控制将水加热(冷却)到设定的温度，其出水口通过进水阀与燃烧室底部的进 /排水口连接，进水阀是电磁阀，受控于阀门控制驱动信号。压强传感器安装在 进/排气口与燃烧室连接的管道上，压强传感器测得燃烧室的压强，并将压强信 号送给数据采集卡。温度传感器安装在燃烧室内，它测得燃烧室的温度，并 将温度信号送给数据采集卡。超声波探头和超声波发射与接收电路，共同 构成了超声波脉冲回波本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘科祥，裴庆，樊学忠，赵凤起，高红旭，蔡德芳，安亭，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，西安近代化学研究所，
类型：发明
国别省市：87