一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统及方法

1.本发明属于材料测试技术领域，涉及一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统及方法，特别应用于基于含能材料冲击点火的材料性能测试系统及方法。


背景技术：

2.随着国防技术的进步，各种先进战术导弹和火箭武器得到了飞速的发展。为提升火箭和导弹的射程，实现高价值武器发射平台远程打击，要求固体推进剂具有高能量特性，即高比冲、高密度。但随能量水平的提高，其本体的安全性相应有所降低，对于外界的刺激的响应程度也明显增强，机械撞击作为最常遇到的激源之一，对火箭和导弹的安全使用构成潜在危险，在机械场景下装药受到冲击挤压作用，发生燃烧爆炸甚至爆轰剧烈反应的可能性大大增加。在过去几十年中，由于意外激源引发的安全事故案例众多，造成的损失也非常惨痛。美国国家航空航天局进行了若干次发动机撞击试验，试验用发动机都是应用于战略导弹或运载器上的大型固体火箭发动机。国内对冲击载荷作用下固体火箭发动机安全性问题也非常重视，发动机研制及使用部分进行了大量理论分析和试验研究工作，采用落锤撞击、摩擦、冲击等各种试验手段测试固体推进剂机械感度特性，利用缩比实验发动机或者全尺寸发动机进行各种撞击试验。
3.然而，部件级/整机级试验方法研究发动机的机械感度特性的应用范围和试验测量结果都有一定的局限性，并且试验方法成本高，无法批量试验，所需要时间长，经济性差，不适合大范围使用。并且由于含能材料受机械刺激或冲击载荷下呈现复杂的响应过程，包括热点机制复杂，化学反应形式多样，反应速率和反应程度与损伤形态密切相关，难以获取规律与响应机理。因此，发展材料级的基于含能材料冲击点火的性能测试技术是十分必要且迫切的。
4.目前分离式霍普金森杆是研究含能材料高应变率动态性能试验的重要材料级试验设备，该装置由于该设备有许多突出的优点，如测量方法简单、涉及的应变范围广，其加载波形容易控制，可进行材料压缩、拉伸和扭转等多种加载形式的动态性能测试。然而对于机械刺激下含能材料力学损伤、点火反应及其成长熄灭机理的研究，经典的霍普金森杆试验测试技术无法满足测量要求，需要基于霍普金森杆开发新的测试系统。
5.因此即使目前分离式霍普金森杆广泛应用在各类材料测试上，但其动态冲击点火性能的性能获取仍是难点。所以从实际工程应用的角度出发，需要研制一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统来获取含能材料的冲击点火性能，精确测量含能材料在不同冲击条件下的点火反应及其产生的碎片云特性。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统及方法，基于霍普金森杆的冲击性能测试，实现含能材料的材料级力学损伤、点火、爆燃、成长熄灭及潜在的爆燃转爆轰数据的获取，表征含能材料在动态高
速冲击载荷作用下的变形破碎、局部点火特征、点火反应、其破碎后碎片云的三维结构、碎片的形状、粒径和空间位置分布，精确测量含能材料在不同冲击条件下的点火反应及其产生的碎片云特性。
7.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
8.本发明公开的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统，依次连接设置的脉冲激光器、空间滤波器、透镜、光路分束反射模块、试样、全息成像相机阵列、高速成像相机阵列、照明系统和分离式霍普金森杆。
9.光路分束反射模块包括第一分束器、第一反射镜、第二分束器、第二反射镜，共x个分束器和y个反射镜。
10.全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机、第二全息成像相机、第三全息成像相机，共n个全息成像相机，用于获取冲击过程的全息成像数据。
11.高速成像相机阵列模块包括k个高速成像相机，用于获取冲击过程的高速摄影数据与全息成像做对比。
12.霍普金森杆结构包括霍普金森撞击杆、霍普金森入射杆、试样，和霍普金森透射杆用于实现样品的冲击加载和数据获取。
13.所述脉冲激光器朝向所述试样发出激光束，所述空间滤波器将所述脉冲激光器发出的光束变圆，所述透镜将经过所述空间滤波器滤波后的激光束准直形成直径一定的平面波，所述光路分束反射模块将经过所述透镜的平面波信号分为多路平面波信号，其中继续传输的平面波信号传播至所述试样发生反应的区域，颗粒散射光与直透光干涉形成全息图，未改变传播方向的平面波传播至所述第一全息成像相机，传播方向改变的平面波信号经过所述光路分束反射模块传播至所述试样发生反应的区域，继续传播至第二全息成像相机、第三全息成像相机在内的多个全息成像相机；所述霍普金森杆系统以一定气压发射后，所述霍普金森撞击杆撞击霍普金森入射杆，所述霍普金森入射杆撞击所述试样，所述试样与所述霍普金森透射杆，在所述试样撞击过程中发生变形、破碎、点火及破碎后产生碎片云。所述照明系统为所述高速成像相机提供高帧率光源视野，所述高速成像相机捕获所述试样反应过程的宏观数据信息。
14.为了精确捕捉含能材料点火，破碎及燃烧波/冲击波传播过程，需要对含能材料特性进行针对性设备属性设置。以高能推进剂为例，冲击波和碎片的传播速度在200m/s～400m/s左右，为了减少高速运动引起的图像模糊以及捕捉冲击波成长过程，采用高帧率全息成像相机和高速成像相机，曝光时间为1us避免高速运动颗粒拖拖影形成。进一步优选的，所述第一全息成像相机、第二全息成像相机、第三全息成像相机及所述高速成像相机全画幅帧率大于13986帧/秒，并且通过同步器进行同步记录。
15.一种冲击过程中产生的碎片云尺寸和位置的成像诊断方法，根据所述的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统实现，包括以下步骤：
16.第一步，对全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机、第二全息成像相机、第三全息成像相机获取的全息图进行预处理操作，获取高质量的去背景和去噪的碎片云全息图，为后续的冲击波强度信息、碎片云三维信息处理提供基础，方便后续碎片云识别。标定碎片云背景全息图时，根据拍摄得到的一系列冲击过程碎片云全息图使用时间平均的方法得到背景全息图i
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[0017][0018]
通过背景相减法从碎片云全息图去除背景全息图，得到去背景和去噪的碎片云全息图i
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(2)
[0020]
第二步，通过角谱法对碎片云全息图进行三维重建，基于参考光的共轭光照射全息图传播一段距离z后得到重建碎片云光场，根据积分重建碎片云光场的复振幅，离散的角谱传递函数为：
[0021][0022]
最后得到碎片云全息图的角谱重建结果：
[0023][0024]
第三步，获得碎片云的三维碎片云光场后，对碎片云进行识别，将碎片从背景中分离出来，得到碎片的尺寸和三维位置等信息。根据上述步骤最终获取碎片云的尺寸和三维位置等信息。
[0025]
作为一种优选：所述试样为含能材料包括，炸药、发射药和火箭推进剂，试样的长径比大于1。
[0026]
作为一种优选：所述高速成像相机和照明系统可根据试验研究需求灵活架设位置；
[0027]
所述照明系统包括但不限于高速摄影补光灯。
[0028]
作为一种优选：所述全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机、第二全息成像相机、第三全息成像相机，根据试验精度增加或减少相机数量；
[0029]
所述全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机、第二全息成像相机、第三全息成像相机，根据含能材料反应烈度在镜头前加设防护设置可包括但不限于uv镜。
[0030]
作为一种优选：所述全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机、第二全息成像相机、第三全息成像相机及所述高速成像相机可通过同步器进行同步记录。
[0031]
有益效果：
[0032]
1、本发明公开的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统，不同装置之间灵活配合，包括一组同步操作的全息成像相机阵列模块、一组高速成像相机模块和分离式霍普金森杆结构，该系统无需专用的大范围试验外场，就能针对含能材料的不同测试需求进行快速、准确的测量，具备高实用性，大大降低了测试成本，不需要进行部件级/整机级的试验即可获取到含能材料的冲击性能参数。
[0033]
2、本发明公开的的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统，集成了动态力学性能测试和冲击点火试验功能。在频繁得试验测试中，获取非侵入性和高分辨率的含能材料反应行为数据，如剧烈反应产生的冲击波、火焰波等丰富信息，克服了传统实验方法的局限性，是超压传感器和常规霍普金森杆等无法获取的数字图像参数信息。
[0034]
3、本发明公开的一种冲击过程中产生的碎片云尺寸和位置的成像诊断方法，利用
全息成像技术和高速直接成像，可以实现对冲击后的含能材料响应、三维碎片场及碎片的观察。提供了关于碎片尺寸和分布差异在点火前后的深入观察，增强对含能材料冲击响应的全面了解。
[0035]
4、本发明公开的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统及方法，具备时空相关的多维全息测量功能，有效地测量了含能材料的冲击点火反应中的碎片云机理、燃烧转爆轰和爆燃转爆轰机理，为含能材料的力学损伤、点火反应及其成长熄灭机理的研究奠定了坚实的基础。
附图说明
[0036]
图1为本发明一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统的整体结构示意图；
[0037]
图2为本发明一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统中霍普金森杆装置的结构示意图；
[0038]
图3为本发明一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统中获取全息图的视野示意图。
[0039]
图中：1-脉冲激光器；2-空间滤波器；3-透镜；4-第一分束器；5-第一反射镜；6-第二分束器；7-第二反射镜；8-试样；9-第一全息成像相机；10-第二全息成像相机；11-第三全息成像相机；12-高速成像相机；13-照明系统；14-霍普金森撞击杆；15-霍普金森入射杆；16-霍普金森透射杆；17-第一全息成像视野；18-第二全息成像视野；19-第三全息成像视野。
具体实施方式
[0040]
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
[0041]
实施例：
[0042]
结合图1，本实施例公开的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统，包括脉冲激光器1、空间滤波器2、透镜3、第一分束器4、第一反射镜5、第二分束器6、第二反射镜7、试样8、全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机9、第二全息成像相机10、第三全息成像相机11，共n个全息成像相机、照明系统9、k个高速成像相机10。n≥0，k≥1(本专利以n＝3，k＝1为例)所述脉冲激光器1与透镜3、第一分束器4、第一全息成像相机9依次排列，上述装置通过一定的工装固定后，透镜3将经过空间滤波器2滤波后的激光束准直形成直径一定的平面波，经校准后脉冲激光器1与透镜3、第一分束器4、第一全息成像相机9依次排列均处于同轴同心的位置，为了满足不同测试需求快速测试校准，所述脉冲激光器1与透镜3、第一分束器4、第一反射镜5可通过同一个底座进行固定。x个分束器和y和反射镜将光路一分为q(q＝x+1＝y+1＝n，本专利中以x＝y＝2，q＝3为例)，光路分束反射模块包括第一分束器4、第一反射镜5、第二分束器6、第二反射镜7，共x个分束器和y个反射镜将光路一分为q，q路光路经过试样8到达全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机9、第二全息成像相机10、第三全息成像相机11，共n个全息成像相机(q＝n)并被其记录。所述照明系统13和k个高速成像相机10(本专利以k＝1为例)，根据摄影测试需求置于试样8上方，照明系统13提供高帧率光源使得k个高速成像相机12记录试样变形、破碎等宏观现象。
[0043]
结合图1和图2，所述霍普金森撞击杆14、霍普金森入射杆15、试样8和霍普金森透射杆16为经典霍普金森结构，即霍普金森撞击杆14、霍普金森入射杆15、试样8和霍普金森透射杆16同轴同心。试样8的两端接触面用二硫化钼润滑脂润滑，同时黏附在霍普金森入射杆15和霍普金森透射杆16中间。当霍普金森杆系统以一定气压发射后，所述霍普金森撞击杆14撞击霍普金森入射杆15，霍普金森入射杆15撞击试样8，试样8与霍普金森透射杆16在撞击过程中变形破碎、产生局部点火，点火产生冲击波、破碎后产生碎片云。
[0044]
结合图1和图3，被光路分束反射模块分为三路的光路经过试样8，到达全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机9、第二全息成像相机10、第三全息成像相机11，n个全息成像相机记录的信息有重合的部分，但在试样上的主要成像的视野形成了第一全息成像视野17、第二全息成像视野18和第三全息成像视野19，这有利于对试样8点火-冲击现象的空间分布获取，比如对冲击波形成在三维空间的具体位置形态特征的区别，局部点火发生的具体位置，更好的研判热点生成机理。
[0045]
所述霍普金森撞击杆14为300mm、霍普金森入射杆15和霍普金森透射杆16均为1200mm，三个棒材均为铝材料。
[0046]
所述脉冲激光器1为意大利bright solutions公司的wedge hf 532nm激光器
[0047]
所述全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机9、第二全息成像相机10、第三全息成像相机11共n个全息成像相机、k个高速成像相机12均为国产revealer x213相机，全幅分辨率为1280
×
1024，全幅拍摄速度13986帧/秒，曝光时间为1us。其中全息成像像素尺寸14.6um，高速成像像素尺寸69.8um/像素。
[0048]
本实施例公开的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统的工作方法为：
[0049]
在高速信息获取方面，霍普金森杆系统以一定气压发射后，霍普金森撞击杆撞击霍普金森入射杆，霍普金森入射杆撞击所述试样，试样与霍普金森透射杆，在试样撞击过程中发生变形、破碎、点火及破碎后产生碎片云。照明系统为高速成像相机提供高帧率光视野，高速成像相机捕获试样8反应过程的宏观数据信息；在全息信息获取方面，脉冲激光器1朝向所述试样发出连续的532nm激光束，空间滤波器2将脉冲激光器1发出的光束变圆，透镜3将经过空间滤波器2滤波后的激光束准直形成直径一定的平面波，第一分束器4将经过透镜3的平面波信号分为两路平面波信号，其中继续传输的平面波信号传播至试样8发生反应的区域，颗粒散射光与直透光干涉形成全息图，分别传播至全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机9、第二全息成像相机10、第三全息成像相机11，从而记录试样不同空间位置的全息数据。
[0050]
本实施例公开的一种冲击过程中产生的碎片云尺寸和位置的成像诊断方法，根据所述的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统实现，包括以下步骤：
[0051]
第一步，对全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机9、第二全息成像相机10、第三全息成像相机11获取的全息图进行预处理操作。标定碎片云背景全息图时，根据拍摄得到的一系列冲击过程碎片云全息图使用时间平均的方法得到背景全息图i
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通过背景相减法从碎片云全息图去除背景全息图，得到去背景和去噪的碎片云全息图i
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(6)
[0055]
第二步，通过角谱法对碎片云全息图进行三维重建，基于参考光的共轭光照射全息图传播一段距离z后得到重建碎片云光场，根据积分重建碎片云光场的复振幅，离散的角谱传递函数为：
[0056][0057]
最后得到碎片云全息图的角谱重建结果：
[0058][0059]
第三步，获得碎片云的三维碎片云光场后，对碎片云进行识别，将碎片从背景中分离出来，得到碎片的尺寸和三维位置等信息。根据上述步骤最终获取冲击波强度和分布信息，碎片云的尺寸和三维位置等信息。
[0060]
本发明所述一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统，包括全息成像相机和高速成像相机，可根据测试需求灵活组合，获取含能材料在动态高速冲击载荷作用下的变形破碎、局部点火特征、点火反应、其破碎后碎片云的三维结构、碎片的形状、粒径和空间位置分布。
[0061]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统，其特征在于：包括依次连接设置的脉冲激光器(1)、空间滤波器(2)、透镜(3)、光路分束反射模块、试样(8)、全息成像相机阵列、高速成像相机阵列、照明系统(13)和分离式霍普金森杆；光路分束反射模块包括第一分束器(4)、第一反射镜(5)、第二分束器(6)、第二反射镜(7)，共x个分束器和y个反射镜；全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机(9)、第二全息成像相机(10)、第三全息成像相机(11)，共n个全息成像相机，用于获取冲击过程的全息成像数据；高速成像相机阵列模块包括k个高速成像相机(12)，用于获取冲击过程的高速摄影数据与全息成像做对比；分离式霍普金森杆结构包括霍普金森撞击杆(14)、霍普金森入射杆(15)、试样(8)，和霍普金森透射杆(16)用于实现样品的冲击加载和数据获取。2.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统，其特征在于：脉冲激光器(1)朝向试样(8)发出激光束，空间滤波器(2)将脉冲激光器(1)发出的光束变圆，透镜(3)将经过空间滤波器(2)滤波后的激光束准直形成直径一定的平面波，第一分束器(4)将经过透镜(3)的平面波信号分为两路平面波信号，其中继续传输的平面波信号传播至试样(8)发生反应的区域，颗粒散射光与直透光干涉形成全息图，传播至第一全息成像相机(9)；通过光路分束反射模块使得传播方向改变的平面波信号，经过x个分束器和y个反射镜传播至试样(8)发生反应的区域，共传播至第一全息成像相机(9)、第二全息成像相机(10)、第三全息成像相机(11)，共n个全息成像相机；霍普金森杆系统以预定气压发射后，霍普金森撞击杆(14)撞击霍普金森入射杆(15)，霍普金森入射杆(15)撞击试样(8)，试样(8)与霍普金森透射杆(16)，在试样(8)撞击过程中发生变形、破碎、点火及破碎后产生碎片云。照明系统(13)为k个高速成像相机(12)提供高帧率光源视野，k个高速成像相机(12)捕获所述试样反应过程的宏观数据信息。结合第一全息成像相机(9)、第二全息成像相机(10)、第三全息成像相机(11)，共n个全息成像相机、k个高速成像相机(12)获取含能材料在动态高速冲击载荷作用下的变形破碎、局部点火特征、点火反应及其破碎后碎片云的三维结构以及碎片的形状、粒径和空间位置分布。3.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统，其特征在于：脉冲激光器(1)与透镜(3)、分束器(4)、第一全息成像相机(9)依次排列均处于同轴同心的位置。第一全息成像相机(9)、第二全息成像相机(10)、第三全息成像相机(11)，共n个全息成像相机、k个高速成像相机(12)，k≥1，通过x个分束器和y和反射镜将光路一分为q；其中q＝x+1＝y+1＝n，x≥0，n≥1。4.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统，其特征在于：所述试样(8)为含能材料，包括，炸药、发射药和推进剂，试样(8)的长径比大于1。5.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统，其特征在于：全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机(9)、第二全息成像相机(10)、第三全息成像相机(11)，共n个全息成像相机通过相机阵列交叉视场的方式，获得多个视角下试样变形、破碎、点火的信息，共同构建试样在冲击下的三维反应信息，试样多个局部点火的位置和强度信息，冲击波形成在三维空间的具体位置形态特征。
6.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统，其特征在于：霍普金森撞击杆(14)、霍普金森入射杆(15)和霍普金森透射杆(16)对试样(8)进行撞击，霍普金森撞击杆(14)、霍普金森入射杆(15)、霍普金森透射杆(16)和试样(8)同轴同心设置，试样(8)同时黏附在霍普金森入射杆(15)和霍普金森透射杆(16)中间。7.一种冲击过程中产生的碎片云尺寸和位置的成像诊断方法，根据如权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统实现，其特征在于：包括以下步骤：第一步，对全息成像相机阵列模块包括第一全息成像相机(9)、第二全息成像相机(10)、第三全息成像相机(11)，共n个全息成像相机获取的全息图进行预处理操作，获取高质量的去背景和去噪的碎片云全息图。标定碎片云背景全息图时，根据拍摄得到的一系列冲击过程碎片云全息图使用时间平均的方法得到背景全息图i
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(2)第二步，通过角谱法对碎片云全息图进行三维重建，基于参考光的共轭光照射全息图传播一段距离z后得到重建碎片云光场，根据积分重建碎片云光场的复振幅，离散的角谱传递函数为：最后得到碎片云全息图的角谱重建结果：第三步，获得碎片云的三维碎片云光场后，对碎片云进行识别，将碎片从背景中分离出来，得到碎片的尺寸和三维位置信息。

技术总结
本发明公开的一种基于霍普金森杆的冲击性能测试系统及方法，属于材料测试技术领域。所述冲击性能测试系统，包括依次连接设置的脉冲激光器、空间滤波器、透镜、分束器、反射镜、试样、全息成像相机阵列模块、照明系统、高速成像相机阵列模块和霍普金森杆。本发明实现方法为：试样在霍普金森杆撞击过程中发生变形、破碎、点火及破碎后产生碎片云；全息成像相机阵列模块捕获试样反应过程的冲击波及碎片云信息；高速成像相机阵列模块捕获试样反应过程的宏观数据信息。本发明能够实现含能材料的材料级力学损伤、点火、爆燃、成长熄灭及潜在的爆燃转爆轰数据的获取，精确测量含能材料在不同动态高速冲击条件下的点火反应及其产生的碎片云特性。云特性。云特性。


技术研发人员：文俊杰 武毅 范颖楠 侯晓
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.08.17
技术公布日：2023/10/19