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申请/专利权人：清华大学

摘要：本发明公开一种火工冲击响应多参量协同测量系统，包括：数据测量装置和数据采集系统，所述数据采集系统控制所述测量装置的多个通道的传感器以进行同步地采集数据并且存储所采集到的数据。数据测量装置包括：加速度传感器、激光多普勒测速仪和高速热像仪。本发明提供的测量系统，可以实现火工冲击响应的多参量协同测量，避免当前火工冲击单次测量信息量少、试验消耗量大、无法全面精确地获取火工冲击响应特性的问题。

主权项：1.一种火工冲击响应多参量协同测量系统，包括：数据测量装置，所述数据测量装置包括多个通道的传感器，用于测量在航天结构试验件上的冲击响应；和数据采集系统，所述数据采集系统控制所述测量装置的多个通道的传感器以进行同步地采集数据并且存储所采集到的数据，其特征在于，所述数据测量装置包括：加速度传感器，所述加速度传感器粘接在航天结构试验件上对加速度进行接触式点测量；激光多普勒测速仪，所述激光多普勒测速仪对准测点位置对速度进行非接触式点测量；和高速热像仪，所述高速热像仪对航天结构试验件对冲击响应伴随的温度场变化进行非接触式场测量，以及所述数据采集系统包括：采集系统硬件平台，所述采集系统硬件平台通过采用四个LTC2175而提供32通道模数转换，单通道最大采样率可达到100MSs，分辨率为14bit，采用AD9517-3锁相环通过SPI对采样频率进行稳定控制，使用ADC控制模块来控制各个通道的开关；和采集系统软件平台，所述采集系统软件平台用于实现数据的采集、通讯和人机交互功能，所述采集系统软件平台包括控制模块，所述控制模块内部设置有触发时钟T-Clk，以控制所述采集系统硬件平台的各个通道进行同步工作。

全文数据：火工冲击响应多参量协同测量装置技术领域本发明涉及火工品技术领域，特别是涉及一种火工冲击响应测量装置。背景技术火工冲击是典型的瞬态动力学环境，可以由结构的动态应变、位移、速度和加速度等参数进行描述。在地面模拟试验中，可以用激光多普勒测振仪测量爆炸冲击的位移或速度，用应变仪测量应变或速度，也可以使用加速度传感器测量冲击加速度。根据测量区域不同，火工冲击测量方法可分为单点测量和全场测量两类。工程中常用的单点测量方式有加速度传感器、应变片和激光多普勒测振仪等；全场测量方法可以实现较大区域内冲击响应的获取，常用方法包括热成像、VISAR干涉仪等。由于受到实际操作中的限制，目前火工冲击地面模拟试验中最常用的测量方式仍然是使用加速度传感器直接测量爆炸冲击的加速度。由于火工冲击产生的加速度量级超过一般加速度传感器的量程，因而需要采用特制的加速度传感器，用以防止峰值加速度达到晶体极限而产生的噪声和零位漂移现象。除此以外，必须特别关注测量系统的一些细节，如导线的连接方式、数模转换装置的频率响应、零位漂移、频率截断和动态量程等。即便试验的数据测量和采集过程特别仔细，测得数据仍可能具有很大的离散性，影响测试结果的可信度。为了解决目前火工冲击单次测试信息量少、试验消耗量大、无法全面精确地获取火工冲击响应特性的问题，应深入研究火工冲击位移、速度、加速度、爆炸冲量等多参量的动态连续及高精度测试，从多个传感器布局设计、试验测试工装设计以及采集系统改进设计等角度入手开展深入研究，开发一套具有通用性的火工冲击多参量同步测量系统。发明内容为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种火工冲击响应多参量协同测量系统。本发明需要解决的技术问题是火工冲击单次测试信息量少、试验消耗量大、无法全面精确地获取火工冲击响应特性。为解决上述技术问题，本发明提出了一种火工冲击响应多参量协同测量系统，包括：数据测量装置，所述数据测量装置包括多个通道的传感器，用于测量在航天结构试验件上的冲击响应；和数据采集系统，所述数据采集系统控制所述测量装置的多个通道的传感器以进行同步地采集数据并且存储所采集到的数据，其特征在于，所述数据测量装置包括：加速度传感器，所述加速度传感器粘接在航天结构试验件上对加速度进行接触式点测量；激光多普勒测速仪，所述激光多普勒测速仪对准测点位置对速度进行非接触式点测量；和高速热像仪，所述高速热像仪对航天结构试验件对冲击响应伴随的温度场变化进行非接触式场测量。根据本发明的一个实施例，所述加速度传感器采用谐振频率较高的压阻式加速度传感器，避免高频冲击造成加速度传感器发生共振。根据本发明的一个实施例，所述激光多普勒测速仪的采样带宽通过对分优化的方法进行确定，所述对分优化的方法包括如下步骤：S1，首先确定较高的采样带宽f1和较低的采样带宽f2，取其均值f3＝f1+f22；S2，比较采用均值采样带宽f3测得的速度信号与采用f1和f2测得的速度信号的相似度；S3，若采用f3测得的速度信号与采用f1测得的速度信号更为相近，继续取采样带宽为f4＝f1+f32，反之，取采样带宽为f4＝f2+f32；S4，继续重复步骤S2和步骤S3，直至采用均值采样带宽与采用较高采样带宽或较低采样带宽测得的速度信号一致，即确定该均值采样带宽为激光多普勒测速仪的采样带宽。根据本发明的一个实施例，所述数据采集系统包括：采集系统硬件平台；和采集系统软件平台，用于实现数据的采集、通讯和人机交互功能。根据本发明的一个实施例，所述数据采集系统硬件平台通过采用四个LTC2175可提供32通道模数转换，单通道最大采样率可达到100MSs，分辨率为14bit，采用AD9517-3锁相环通过SPI对采样频率进行稳定控制，两个16GBDDR内存条可以实现快速存储，ADC控制模块用来控制各个通道的开关，存储控制器通过存储接口和32bit数据总线和地址总线实现两个存储器之间的交流，高速数据由Virtex-6传递给Virtex-5，通过DSP处理后经PCIe总线传递给计算机。根据本发明的一个实施例，所述数据采集系统软件平台包括：通讯模块；采集模块；控制模块；UI模块；和速度加速度转换模块。根据本发明的一个实施例，所述控制模块内部设置有触发时钟T-Clk，各个采样通道根据要求采样率分别在T-Clk的不同采样周期的下降沿触发，且通过精确的采样时钟与T-Clk进行反馈对准以此保证各传感器测得参量的相位对应关系。根据本发明的一个实施例，所述速度加速度转换模块采用自适应滤波、小波滤波等对高频冲击响应信号进行滤波，消除噪声干扰，然后考虑冲击响应的全程特性，利用数据重构技术，将离散的信号重构成无限连续的信号，再进行微分变化，从而实现速度到加速度的高精度转换。根据本发明的另一个实施例的一种火工冲击响应多参量协同测量系统，包括：存储器，用于存储可执行指令；以及处理器，用于执行存储器中存储的可执行指令，以执行如下操作：通过加速度传感器对加速度进行接触式点测量；通过激光多普勒测速仪对速度进行非接触式点测量；通过高速热像仪对冲击响应伴随的温度场变化进行非接触式场测量；通过数据采集系统进行模数转换；通过采样时钟与T-Clk进行反馈对准以此保证各传感器测得参量的相位对应关系；通过速度加速度转换模块采用自适应滤波、小波滤波等对高频冲击响应信号进行滤波，消除噪声干扰，然后考虑冲击响应的全程特性，利用数据重构技术，将离散的信号重构成无限连续的信号，再进行微分变化，从而实现速度到加速度的高精度转换根据本发明的一个实施例的火工冲击响应多参量协同测量系统的有益效果包括但不限于以下一个或多个：本发明提供的火工冲击响应多参量协同测量方法，能够更加全面、精确地获取火工冲击响应数据；本发明中采用的非接触式测量方法，有效地避免了接触式测量带来的传感器共振和测量失真等问题；本发明通过采用高速热像仪实时测量冲击响应伴随的温度场变化，为研究热场对火工冲击响应传递特性影响规律提供支撑，有助于冲击响应过程的全面、精确表征。附图说明通过参照附图详细描述本发明的实施例，本发明将变得更加清楚，多个实施例被图示在附图中以用于说明性目的，并且决不应该被理解为限制实施例的范围。另外，不同的公开的实施例的各种特征可以组合以形成额外实施例，额外实施例是本公开的一部分，其中：图1为多参量、多通道同步测量系统结构框图；和图2为基于FPGA的多通道采集系统硬件平台的设计结构图。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。在本发明的任何实施例被具体地描述之前，应该理解本文中公开的概念不将它们的应用限制到在以下描述中阐述或在以下附图中图示的构造的细部和构件的布置。在这些实施例中图示的概念能够以各种方式实践或执行。本文中使用的具体短语和术语为了便于描述，并且不应该被认为是限制性的。下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行具体、清楚、完整地描述。参照图1所示，一种火工冲击响应多参量协同测量系统，包括数据测量装置和数据采集系统，所述数据测量装置包括压阻式加速度传感器、激光多普勒测速仪和高速热像仪，所述数据采集系统包括采集系统硬件平台和采集系统软件平台，所述数据采集系统控制所述测量装置的各通道传感器实现同步采集，测得的试验数据再经采集系统进行存储。参照图1所示，所述加速度传感器粘接在航天结构试验件上对加速度进行接触式点测量，所述激光多普勒测速仪对准测点位置对速度进行非接触式点测量，通过对比分析激光多普勒测速仪和加速度传感器的采集信号，校验冲击响应测量结果的正确性，所述高速热像仪正对航天结构试验件对冲击响应伴随的温度场变化进行非接触式场测量，用于分析温度场变化对冲击响应的影响。。参照图1所示，所述加速度传感器采用谐振频率较高的压阻式加速度传感器，避免高频冲击造成加速度传感器发生共振。激光多普勒测速仪的采样带宽通过对分优化的方法进行确定，S1，首先确定较高的采样带宽f1和较低的采样带宽f2，取其均值f3＝f1+f22；S2，比较采用均值采样带宽f3测得的速度信号与采用f1和f2测得的速度信号的相似度；S3，若采用f3测得的速度信号与采用f1测得的速度信号更为相近，继续取采样带宽为f4＝f1+f32，反之，取采样带宽为f4＝f2+f32；S4，继续重复步骤S2和步骤S3，直至采用均值采样带宽与采用较高采样带宽或较低采样带宽测得的速度信号一致，即确定该均值采样带宽为激光多普勒测速仪的采样带宽。参照图2所示，数据采集系统硬件平台通过采用四个LTC2175可提供32通道模数转换，单通道最大采样率可达到100MSs，分辨率为14bit，采用AD9517-3锁相环通过SPI对采样频率进行稳定控制，两个16GBDDR内存条可以实现快速存储，ADC控制模块用来控制各个通道的开关，存储控制器通过存储接口和32bit数据总线和地址总线实现两个存储器之间的交流，高速数据由Virtex-6传递给Virtex一5，通过DSP处理后经PCIe总线传递给计算机。数据采集系统软件平台包含通讯模块、采集模块、控制模块、UI模块以及速度加速度转换模块，用于实现数据的采集、通讯和人机交互功能。控制模块内部设置有触发时钟T-Clk，各个采样通道根据要求采样率分别在T-Clk的不同采样周期的下降沿触发，且通过精确的采样时钟与T-Clk进行反馈对准以此保证各传感器测得参量的相位对应关系。速度加速度转换模块采用自适应滤波、小波滤波等对高频冲击响应信号进行滤波，消除噪声干扰，然后考虑冲击响应的全程特性，利用数据重构技术，将离散的信号重构成无限连续的信号，再进行微分变化，从而实现速度到加速度的高精度转换。一种火工冲击响应多参量协同测量系统的工作流程如下：首先将加速度传感器粘附于测点位置，并合理安放激光多普勒测速仪和高速热像仪，分别对准测点位置和冲击位置，各测量装置分别与数据采集系统硬件平台各通道进行连接，使其处于开机状态，调节加速度传感器采样频率、激光多普勒测速仪采样带宽、高速热像仪焦距等参数，使各测量装置处于最佳工作状态，数据采集系统软件平台通过控制模块中设置的T-Clk触发时钟，控制数据采集系统硬件平台各通道进行同步工作，从而对加速度、速度和温度场信号进行同步采集，其中激光多普勒测速仪采集到的速度信号经速度加速度转换模块转换为加速度信号，与加速度传感器采集到的加速度信号进行相互校验，保证测量的准确性，高速热像仪采集到的温度场信号用于进行冲击传递过程中的热分析，最终采集到的信号经PCIe总线传递给计算机进行存储和进一步处理。根据本发明的一个实施例，一种火工冲击响应多参量协同测量系统，包括数据测量装置和数据采集系统，所述数据测量装置包括加速度传感器、激光多普勒测速仪和高速热像仪，所述数据采集系统包括采集系统硬件平台和采集系统软件平台，所述数据采集系统控制所述测量装置的各通道传感器实现同步采集，测得的试验数据再经采集系统进行存储。根据本发明的一个实施例，所述加速度传感器粘接在航天结构试验件上对加速度进行接触式点测量，所述激光多普勒测速仪对准测点位置对速度进行非接触式点测量，所述高速热像仪正对航天结构试验件对冲击响应伴随的温度场变化进行非接触式场测量。进一步的，所述加速度传感器采用谐振频率较高的压阻式加速度传感器，避免高频冲击造成加速度传感器发生共振。更进一步的，所述激光多普勒测速仪的采样带宽通过对分优化的方法进行确定，S1，首先确定较高的采样带宽f1和较低的采样带宽f2，取其均值f3＝f1+f22；S2，比较采用均值采样带宽f3测得的速度信号与采用f1和f2测得的速度信号的相似度；S3，若采用f3测得的速度信号与采用f1测得的速度信号更为相近，继续取采样带宽为f4＝f1+f32，反之，取采样带宽为f4＝f2+f32；S4，继续重复步骤S2和步骤S3，直至采用均值采样带宽与采用较高采样带宽或较低采样带宽测得的速度信号一致，即确定该均值采样带宽为激光多普勒测速仪的采样带宽。根据本发明的一个实施例，所述数据采集系统硬件平台通过采用四个LTC2175可提供32通道模数转换，单通道最大采样率可达到100MSs，分辨率为14bit，采用AD9517-3锁相环通过SPI对采样频率进行稳定控制，两个16GBDDR内存条可以实现快速存储，ADC控制模块用来控制各个通道的开关，存储控制器通过存储接口和32bit数据总线和地址总线实现两个存储器之间的交流，高速数据由Virtex-6传递给Virtex-5，通过DSP处理后经PCIe总线传递给计算机。所述数据采集系统软件平台包含通讯模块、采集模块、控制模块、UI模块以及速度加速度转换模块，用于实现数据的采集、通讯和人机交互功能。所述控制模块内部设置有触发时钟T-Clk，各个采样通道根据要求采样率分别在T-Clk的不同采样周期的下降沿触发，且通过精确的采样时钟与T-Clk进行反馈对准以此保证各传感器测得参量的相位对应关系。所述速度加速度转换模块采用自适应滤波、小波滤波等对高频冲击响应信号进行滤波，消除噪声干扰，然后考虑冲击响应的全程特性，利用数据重构技术，将离散的信号重构成无限连续的信号，再进行微分变化，从而实现速度到加速度的高精度转换。附图中示出了一些方框图和或流程图。应理解，方框图和或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和或流程图中所说明的功能操作的装置。因此，本公开的技术可以硬件和或软件包括固件、微代码等的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统例如，一个或多个处理器使用或者结合指令执行系统使用。在本公开的上下文中，计算机可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，计算机可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。计算机可读介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘HDD；光存储装置，如光盘CD-ROM；存储器，如随机存取存储器RAM或闪存；和或有线无线通信链路。以上的详细描述通过使用示意图、流程图和或示例，已经阐述了火工冲击地面模拟试验装置的众多实施例。在这种示意图、流程图和或示例包含一个或多个功能和或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种示意图、流程图或示例中的每一功能和或操作可以通过各种结构、硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和或共同实现。在一个实施例中，本公开的实施例所述主题的若干部分可以通过专用集成电路ASIC、现场可编程门阵列FPGA、数字信号处理器DSP、或其他集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施例的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序例如，实现为在一台或多台计算机系统上运行的一个或多个程序，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本公开，将具备设计电路和或写入软件和或固件代码的能力。此外，本领域技术人员将认识到，本公开所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本公开所述主题的示例性实施例均适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、紧致盘CD、数字通用盘DVD、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和或模拟通信介质例如，光纤光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等”。已经参照示范性实施例描述了本发明。不过，显而易见，本领域技术人员在上述描述的教导下可明显得出多种可选择的变型和改变。因而，本发明包含落入所附权利要求的精神和范围之内的所有可选择的变型和改变。应当强调的是，可以对上述实施例进行许多变化和修改，其中的元件将被理解为在其他可接受的示例之中。本文中，所有该修改例和变化例旨在被包括在本公开的范围中。前述的描述示出了某些实施例的细节。然而，应当理解，无论上述内容在文本或附图中如何详细描述，可以以许多方式实施装置和方法。如上所述，应当指出，在描述本发明的某些特征或方面时使用的特定术语不应被认为意味着术语在本文中重新限定为被限制为包括与术语相关联的装置和方法的特征或方面的任何特定特性。

权利要求：1.一种火工冲击响应多参量协同测量系统，包括：数据测量装置，所述数据测量装置包括多个通道的传感器，用于测量在航天结构试验件上的冲击响应；和数据采集系统，所述数据采集系统控制所述测量装置的多个通道的传感器以进行同步地采集数据并且存储所采集到的数据，其特征在于，所述数据测量装置包括：加速度传感器，所述加速度传感器粘接在航天结构试验件上对加速度进行接触式点测量；激光多普勒测速仪，所述激光多普勒测速仪对准测点位置对速度进行非接触式点测量；和高速热像仪，所述高速热像仪对航天结构试验件对冲击响应伴随的温度场变化进行非接触式场测量。2.根据权利要求1所述的火工冲击响应多参量协同测量系统，其特征在于，所述加速度传感器采用谐振频率较高的压阻式加速度传感器，避免高频冲击造成加速度传感器发生共振。3.根据权利要求1所述的火工冲击响应多参量协同测量系统，其特征在于，所述激光多普勒测速仪的采样带宽通过对分优化的方法进行确定，所述对分优化的方法包括如下步骤：S1，首先确定较高的采样带宽f1和较低的采样带宽f2，取其均值f3＝f1+f22；S2，比较采用均值采样带宽f3测得的速度信号与采用f1和f2测得的速度信号的相似度；S3，若采用f3测得的速度信号与采用f1测得的速度信号更为相近，继续取采样带宽为f4＝f1+f32，反之，取采样带宽为f4＝f2+f32；S4，继续重复步骤S2和步骤S3，直至采用均值采样带宽与采用较高采样带宽或较低采样带宽测得的速度信号一致，即确定该均值采样带宽为激光多普勒测速仪的采样带宽。4.根据权利要求1所述的火工冲击响应多参量协同测量系统，其特征在于，所述数据采集系统包括：采集系统硬件平台；和采集系统软件平台，用于实现数据的采集、通讯和人机交互功能。5.根据权利要求4所述的火工冲击响应多参量协同测量系统，其特征在于，所述数据采集系统硬件平台通过采用四个LTC2175可提供32通道模数转换，单通道最大采样率可达到100MSs，分辨率为14bit，采用AD9517-3锁相环通过SPI对采样频率进行稳定控制，两个16GBDDR内存条可以实现快速存储，ADC控制模块用来控制各个通道的开关，存储控制器通过存储接口和32bit数据总线和地址总线实现两个存储器之间的交流，高速数据由Virtex-6传递给Virtex-5，通过DSP处理后经PCIe总线传递给计算机。6.根据权利要求4所述的火工冲击响应多参量协同测量系统，其特征在于，所述数据采集系统软件平台包括：通讯模块；采集模块；控制模块；UI模块；和速度加速度转换模块。7.根据权利要求6所述的火工冲击响应多参量协同测量系统，其特征在于：所述控制模块内部设置有触发时钟T-Clk，各个采样通道根据要求采样率分别在T-Clk的不同采样周期的下降沿触发，且通过精确的采样时钟与T-Clk进行反馈对准以此保证各传感器测得参量的相位对应关系。8.根据权利要求6所述的一种火工冲击响应多参量协同测量系统，其特征在于：所述速度加速度转换模块采用自适应滤波、小波滤波等对高频冲击响应信号进行滤波，消除噪声干扰，然后考虑冲击响应的全程特性，利用数据重构技术，将离散的信号重构成无限连续的信号，再进行微分变化，从而实现速度到加速度的高精度转换。9.一种火工冲击响应多参量协同测量系统，包括：存储器，用于存储可执行指令；以及处理器，用于执行存储器中存储的可执行指令，以执行如下操作：通过加速度传感器对加速度进行接触式点测量；通过激光多普勒测速仪对速度进行非接触式点测量；通过高速热像仪对冲击响应伴随的温度场变化进行非接触式场测量；通过数据采集系统进行模数转换；通过采样时钟与T-Clk进行反馈对准以此保证各传感器测得参量的相位对应关系；通过速度加速度转换模块采用自适应滤波、小波滤波等对高频冲击响应信号进行滤波，消除噪声干扰，然后考虑冲击响应的全程特性，利用数据重构技术，将离散的信号重构成无限连续的信号，再进行微分变化，从而实现速度到加速度的高精度转换。

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