一种适用于准静态压力测量的快速响应冲击波滤波器

摘要

本发明公开了一种适用于准静态压力测量的快速响应冲击波滤波器，包括基体(1)、进气孔(2)、空腔室(3)、缓冲垫圈(4)、压力传感器(5)。基体(1)为台阶状、内有盲孔的柱体，小台阶段内部盲孔为空腔室(3)，端面开有进气孔(2)，大台阶段内孔设有内螺纹，用于安装压力传感器(5)。内爆炸高压气体由进气孔(2)进入空腔室(3)并汇聚，继而作用于压力传感器(5)得到准静态压力。本发明的优点是在实现冲击波高频分量滤波的同时缩短压力传递时间，得到更接近准静态压力真实上升时间的测量值，并通过对气流导流汇聚保护传感器不受高压气体直接冲击。

说明书

本发明属于毁伤评估技术领域，具体涉及一种冲击波滤波器，特别是一种适用于准静态压力测量的快速响应冲击波滤波器。

背景技术

炸药装药在密闭环境爆炸时，产生的压力效应分为两种：冲击波效应和准静态压力效应。冲击波效应是前驱波阵面压力急剧上升和衰减的过程，形成陡峭的冲击波超压峰值上升前沿，紧接着呈指数衰减，波形近似于三角波。准静态压力效应则是由于爆炸产生的高温高压及大量气体产物向外扩张膨胀受到密闭空间约束形成的，空间内压力相对缓慢的上升并稳定到某一较低压力的过程。想要同时获取冲击波压力和准静态压力的变化过程，需要一种对高频、低频和零频都有较好响应的压力传感器，且要求在高量程和低量程范围内测量误差都很小，目前还不具有如此性能的压力传感器。有研究人员采用冲击波压力传感器获取压力时间曲线，读取冲击波后的压力平台作为准静态压力值，但是由于这类传感器时间常数小，冲击波后的准稳态压力曲线不能保持，很快就产生衰减，给测量带来大的误差，并且准稳态压力一般比较小，在满足高量程冲击波峰值的情况下，测量仅为超压峰值三十分之一甚至更小的准静态压力，将产生比较大的测量误差。

专利“ZL201210286595.2爆炸场冲击波超压滤波器”采用了一种加装了具有螺旋状传压管道的冲击波滤波器的压力传感器进行准静态压力的测量，传压管是位于螺旋杆外径上螺旋上升的凹槽，螺旋角为30°，凹槽宽度为2mm，深度为0.4mm，如图1所示。这种结构能够滤掉冲击波压力的高频分量，使低频和零频的冲击波压力传输到压力传感器的敏感面，实现在密闭环境下测量爆炸准静态压力峰值的功能。但是这种滤波器结构的传压管道孔径过小、长度很大，密闭空间内压力和传感器敏感面的压力平衡建立所需时间长，测量得到的准静态压力曲线上升缓慢(约100ms)，不能真实反映内爆炸准静态压力的上升时间。因此，用于准静态压力测量的冲击波滤波器不仅要求能滤掉高频冲击波，还要尽可能的缩短准静态压力测量组件的响应时间，使其能反应准静态压力真实上升时间。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种适用于准静态压力测量的快速响应冲击波滤波器，既能够滤掉高频的冲击波，使低频和零频的准静态压力传输到压力传感器的敏感面，又能降低滤波器内外压力平衡建立所需时间，提高准静态压力测试响应时间，实现在密闭环境下准静态压力峰值和上升前沿准确测量的功能。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种适用于准静态压力测量的快速响应冲击波滤波器，包括基体、进气孔、空腔室、缓冲垫圈和压力传感器。其中：

所述的基体为台阶状柱体，内部开有台阶盲孔，小台阶段外部设有用于固定安装的外螺纹，内部为盲孔，盲孔底部与小台阶段端部打磨为同心半球壳体，球壳厚度6mm，大台阶段外部为六方体，内孔设有内螺纹，用于固定压力传感器，螺纹尺寸根据压力传感器配做；

所述进气孔位于基体小台阶段端面上，与空腔室连通，孔径1mm，长度均为6mm，孔共8个，以端面顶点为中心、呈“十”字形正交均匀分布，孔轴线延伸相交于半球壳体的球心，气体进入后在此汇聚，避免对压力传感器的直接冲击，由于球面壳体圆心角为80°，为使外部高压气体均匀快速进入空腔室，同剖面的相临进气孔轴线夹角为20°均布；

所述的空腔室为基体小台阶段内部的盲孔，内径8mm，长19mm，其中直筒段长15mm，靠近小台阶段端部处为半球体，半径4mm；

所述的缓冲垫圈位于大台阶段内孔台面上，尺寸根据基体内部的台阶孔尺寸配做。

对于腔体结构，其固有频率为本发明提供的一种适用于准静态压力测量的快速响应冲击波滤波器，进气孔长度为l＝6mm，容积为V＝4.71×10^-9m³，空腔室容积为V₀＝8.88×10^-7m³，经计算，本发明的快速响应冲击波滤波器的固有频率为657Hz，一般密闭环境内公斤级装药爆炸近场冲击波频率大于1kHz，满足冲击波滤波需求。

本发明的爆炸场冲击波超压滤波器，有益效果体现在以下几个方面。

(1)通过空腔室与进气孔的体积匹配性设计控制了滤波器的固有频率，实现对冲击波压力高频分量的有效滤波；

(2)采用减小进气孔长度、增加进气孔数量的措置，缩短压力传递时间，得到准静态压力曲线的上升时间更接近被测压力的真实上升时间；

(3)通过进气孔控制高压气体传播方向，避免高压气流直接作用于传感器敏感面，即可保护传感器，也可抑制由于气流冲击引起的测试误差。

附图说明

图1是对比文件“ZL201210286595.2爆炸场冲击波超压滤波器”剖面示意图；

图2是本发明的一种适用于准静态压力测量的快速响应冲击波滤波器剖面示意图，图中标号分别代表：1-基体，2-进气孔，3-空腔室，4-缓冲垫圈，5-压力传感器；

图3是图2所示进气孔2的局部放大图；

图4是内爆炸冲击波超压测试曲线；

图5是“ZL201210286595.2”滤波器测试获取的准静态压力曲线；

图6是本发明测试获取的准静态压力曲线。

下面结合附图及优选的实施例对本发明作进一步的详述。

具体实施方式

如图2所示，本实施例给出一种适用于准静态压力测量的快速响应冲击波滤波器，包括基体1、进气孔2、空腔室3、缓冲垫圈4、压力传感器5，其中：

基体1为台阶状柱体，内部开有台阶盲孔，小台阶段外部设有用于固定安装的外螺纹，内部为盲孔，盲孔底部与小台阶段端部打磨为同心半球壳体，球壳厚度6mm，大台阶段外部为六方体，内孔设有内螺纹，用于固定压力传感器5，螺纹尺寸根据压力传感器5配做；

进气孔2位于基体1小台阶段端面上，与空腔室3连通；

空腔室3为基体1小台阶段内部的盲孔，内径8mm，长19mm，其中直筒段长15mm，靠近小台阶段端部处为半球体，半径4mm；

缓冲垫圈4位于基体1大台阶段内孔台面上，尺寸根据台阶孔尺寸配做。

如图3所示，进气孔2孔径1mm，长度均为6mm，孔共8个，以端面顶点为中心、呈“十”字形正交均匀分布，同剖面的相临进气孔轴线夹角20°，孔轴线延伸相交于半球壳体的球心。

本发明的快速响应冲击波滤波器，其工作流程如下：爆炸后高压气体通过进气孔2进入空腔室3并作用于压力传感器5敏感面，冲击波高频分量被滤掉，空腔室3内压力迅速升高并与被测密闭空间内准静态压力达到平衡，此时压力传感器5测量的压力与内爆炸准静态压力相同，压力传感器5输出的压力信号经过前置适配器的放大，得到上升时间较短的准静态压力曲线，能更真实的反映密闭环境内爆炸准静态压力的建立时间。

为了验证本发明的快速响应冲击波滤波器的滤波及快速响应特性，申请人同时采用本发明的快速响应爆炸场冲击波超压滤波器和ZL201210286595.2所述机械滤波器，在26m³的爆炸罐进行TNT药柱爆炸试验测试冲击波压力曲线，试验炸药重量2kg。冲击波超压测试选用美国PCB公司的113A22型压电式压力传感器，准静态压力测试选用昆山双桥传感器测控公司的CYG400型压阻式压力传感器。图4是冲击波超压曲线，测量得到的冲击波超压峰值约为14.74MPa，持续时间为420μs，频率约1.19kHz，本发明设计的滤波器固有频率为0.657kHz，小于冲击波频率，体现了本发明满足对冲击波高频分量的滤波要求。图5是采用ZL>