CN109855525B - 基于介电弹性体的效应靶变形测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介电弹性体的效应靶变形测量装置及测量方法。该装置包括底座，通过螺钉固定在底座上的外壳和直线轴承，在上下表面涂刷柔性电极的介电弹性体薄膜通过固定框周边固定，然后放置于外壳上端的凹槽并通过盖板采用螺钉固定，两导电棒分别通过上表面导电布和下表面导电布与上表面柔性电极、下表面柔性电极连接，弹簧位于底座和中间圆盘之间，中间轴与直线轴承通过间隙配合连接并通过弹簧确定位置，使上端圆盘的上表面与介电弹性体薄膜下表面接触，同时本发明还公开了该测试装置的测量方法；本发明结构简单、操作方便，避免了传统测量方法所带来的人为误差，可以实现被测效应靶中心变形位置的快速定位和变形量的准确测量。
Description
技术领域
本发明属于毁伤试验测试领域，具体涉及一种基于介电弹性体的效应靶变形测量装置及测量方法。
背景技术
毁伤评估是综合分析和评定***对目标结构毁坏程度的过程，其中通过试验测试的方法是获取毁伤性能数据的重要手段。而冲击波超压是一种典型的载荷元，在靶场试验测试中常用效应靶金属薄板的塑性变形来表征冲击波在空间某位置的作用效果，其中周边固定的金属薄板在冲击波压力作用下经过塑性变形产生的凹坑深度h是表征冲击波压力强度的重要参数。然而，目前还缺少一种能够快速、准确定位效应靶金属薄板最大变形位置以及测量薄板最大变形量的一种装置和测量方法；何性顺等在《***冲击载荷作用下效应靶形变测量技术研究》(测绘通报，2016年11月，第11期，72-74页)中报到了一种基于三维激光扫描仪对效应靶的形变量进行测量，虽然这种测量方法精度高，但测试装置以及测试方法复杂，不利于靶场复杂环境中效应靶形变的快速测量；为了快速得到效应靶的变形，当前科研人员主要采用游标卡尺对圆形效应靶金属薄板的最大凹坑深度进行测量，虽然这种方法可以简单并快速获取金属膜片的变形，但存在较大的人为误差，如不能准确定位薄板中心最大变形位置、测量时人工操作误差较大等，严重限制了效应靶装置在毁伤评估中进一步的应用。
发明内容
针对现有效应靶变形测量装置及测量方法的不足，本发明的目的在于提供了一种基于介电弹性体的效应靶测量装置和测量方法。本发明通过底座侧表面与效应靶配合，可快速定位效应靶的中心最大变形位置，通过测量电容并根据电容与变形之间的映射关系快速获取效应靶的最大变形量。该装置具有快速定位、测量方法简便，且结构简单、使用方便等特点，适用于各种复杂工况下的效应靶变形测量。
为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：
基于介电弹性体的效应靶测量装置，该装置包括底座，外壳和直线轴承分别通过螺钉固定在底座的上表面，上下表面涂刷环形柔性电极的介电弹性体薄膜通过两个环形固定框夹紧，然后放置于外壳上端的凹槽并通过盖板由螺钉与外壳连接固定，上表面柔性电极与上表面导电布连接并通过导电棒从固定框和盖板边界的圆孔引出，下表面柔性电极与下表面导电布连接并通过导电棒从固定框和盖板边界的圆孔引出，弹簧固定在底座和中间轴的中间圆盘之间，中间轴与直线轴承通过间隙配合并由弹簧确定位置，保证中间轴的上端圆盘上表面与介电弹性体薄膜的下表面接触；
所述底座和外壳选用铝合金材料，中间轴、固定框和盖板选用绝缘材料，介电弹性体薄膜选用聚丙烯酸酯材料，上表面导电布和下表面导电布选用单面导电布胶带；
所述装置弹簧处于压缩状态，中间圆盘处于外壳轴向中间位置，上端圆盘的上表面与介电弹性体薄膜的下表面接触；弹簧的初始长度为中间圆盘下表面与底座上表面距离的1.5倍，弹簧的刚度由中间轴的重量G和弹簧的初始压缩量x确定，其刚度k＝G/x；
所述柔性电极选用柔性碳膏，其柔性电极涂刷环形区域的内径是中心轴上端圆盘外径的1.1倍，柔性电极涂刷环形区域的外径与固定框的内径相等；
所述导电棒选用金属导体，两导电棒的一端分别通过上表面导电布和下表面导电布与介电弹性体薄膜的上表面、下表面涂刷的柔性电极接触连接；
所述底座下端侧表面的倾斜角度与被测效应靶内侧表面的倾斜角度相等，底座下端侧表面凸台的高度是被测效应靶内侧表面深度的0.5倍；
在初始状态，所述中间轴的底部末端与底座下表平面的距离是底座下表平面与被测效应靶薄板距离的3～4倍；
上述所述的基于介电弹性体的效应靶变形测量装置的测量方法，通过底座下端侧表面与被测效应靶内侧表面接触配合，中间轴对准效应靶薄板的中心位置；当效应靶薄板未变形时，中间轴的底部末端与未变形的效应靶薄板接触，推动中间轴向上移动，介电弹性体薄膜产生变形，通过电容测试仪测量得到该状态介电弹性体薄膜的电容为C1，利用介电弹性体薄膜的变形与电容之间的映射关系，得到中间轴向上移动的位移为h1；当效应靶薄板变形时，中间轴的底部末端与变形后的效应靶薄板接触，推动中间轴向上移动，介电弹性体薄膜产生变形，通过电容测试仪测量得到该状态介电弹性体薄膜的电容为C2，利用介电弹性体薄膜的变形与电容之间的映射关系，得到中间轴向上移动的位移为h2，则效应靶薄板的变形h为h1-h2；
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
(1)、本发明可快速对准效应靶薄板中心最大变形位置，减小了人为误差的引入，提高了测量的稳定性。
(2)、本发明通过测量电容的方式间接获取效应靶的最大变形，测量数据通过电容测量仪器读取，提高了测量效率和灵活性。
(3)、本发明采用的介电弹性体薄膜在外载荷作用下能发生大变形，可满足不同变形测量的需求，提高了装置的测量范围。
附图说明
图1为本发明的测试装置全剖示意图。
图2为介电弹性体组合结构示意图。
图3为介电弹性体上表面示意图。
图4为介电弹性体下表面示意图。
图5为介电弹性体薄膜初始状态示意图。
图6为被测效应靶未变形时介电弹性体薄膜变形示意图
图7为被测效应靶变形时介电弹性体薄膜变形示意图
图中的标号分别表示：1、底座，2、螺钉，3、直线轴承，4、弹簧，5、外壳，6、中间轴，601、中间圆盘，602、上端圆盘，7、介电弹性体薄膜，8、柔性电极，9、固定框，10、导电棒，11、盖板，12、上表面导电布，13、下表面导电布
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1～图4所述，本发明基于介电弹性体的效应靶测量装置，该装置包括底座1，外壳5和直线轴承3分别通过螺钉2固定在底座1的上表面，上下表面涂刷环形柔性电极8的介电弹性体薄膜7通过两个环形固定框9夹紧，然后放置于外壳5上端的凹槽并由盖板11通过螺钉2与外壳5连接固定，上表面柔性电极8与上表面导电布12连接并通过导电棒10从固定框9和盖板11边界的圆孔引出，下表面柔性电极8与下表面导电布13连接并通过导电棒10从固定框和盖板边界的圆孔引出，弹簧4固定在底座1和中间轴6的中间圆盘601之间，中间轴6与直线轴承3通过间隙配合并由弹簧4确定位置，保证中间轴6的上端圆盘602上表面与介电弹性体薄膜7的下表面接触；
作为本发明的优选实施方法，所述底座1和外壳5选用铝合金材料，中间轴6、固定框8和盖板11选用绝缘材料非导电材料，如尼龙材料、有机玻璃等，上表面导电布12和下表面导电布13选用单面导电布胶带；
作为本发明的优选实施方法，所述中间轴6在初始状态时底部末端与底座1下表平面的距离是底座1下表面与被测效应靶之间距离的3～4倍，使得中间轴6末端到效应靶的距离大于底座1下端平面到效应靶薄板的距离，确保介电弹性体薄膜7在测量过程中产生大变形，提高测量精度。
作为本发明的优选实施方法，所述装置安装完毕后弹簧4处于压缩状态，中间轴的中间圆盘601处于外壳5轴向方向中间位置，且保证装置在初始状态时中间轴6上端圆盘602的上表面与介电弹性体薄膜7的下表面接触。弹簧4的初始长度为中间轴6中间圆盘601的下表面与底座1上表面距离的1.5倍为宜，弹簧4的刚度由中间轴6的重量G和弹簧的压缩量x确定，弹簧刚度k＝G/x。
作为本发明的优选实施方法，所述介电弹性体薄膜7选用聚丙烯酸酯材料，介电弹性体薄膜7的厚度可选范围为0.5mm或1mm；柔性电极8选用碳膏，其中柔性电极8所涂刷环形区域的内径是上端圆盘602外径的1.1倍，柔性电极8所涂刷环形区域的外径与固定框9的内径相等。
作为本发明的优选实施方法，所述导电棒10选用金属导体棒，如铜芯等，且两导电棒10的一端分别通过上表面导电布12和下表面导电布13与介电弹性体薄膜7的上表面、下表面涂刷的柔性电极8接触连接。
作为本发明的优选实施方法，所述底座1下端侧表面的倾斜角度与被测效应靶内侧表面的倾斜角度相等，保证在测量时底座1的下端侧表面与被测效应靶内侧表面完全接触。底座1下端侧表面凸台的高度是被测效应靶内侧表面深度的0.5倍。
上述所述的基于介电弹性体的效应靶测量装置测量变形的方法，如图5所示，在初始状态时，介电弹性体薄膜处于水平状态，通过底座1下端侧表面与被测效应靶内侧表面接触配合，中间轴6对准效应靶的中心位置；如图6所示，当被测效应靶薄板未变形时，中间轴6的底部末端与未变形的效应靶薄板接触，推动中间轴向上移动，介电弹性体薄膜7产生变形，通过电容测试仪测量得到该状态介电弹性体薄膜7的电容为C1，利用介电弹性体薄膜7的变形与电容之间的映射关系，得到中间轴向上移动的位移为h1；如图7所示，当被测效应靶薄板发生变形后，中间轴6的底部末端与变形后的效应靶薄板接触，推动中间轴向上移动，介电弹性体薄膜7产生变形，通过电容测试仪测量得到该状态介电弹性体薄膜7的电容为C2，利用介电弹性体薄膜7的变形与电容之间的映射关系，得到中间轴向上移动的位移为h2，则效应靶薄板的变形h为h1-h2；
对应于介电弹性体薄膜7中的电容与结构尺寸之间的关系可以表示为C＝εS/H，其中ε、S、H分别表示介电弹性体薄膜7的介电系数，有效面积和厚度。如图5，图6和图7所示，令初始状态时介电弹性体薄膜7中涂刷环状柔性电极的有效外径为a，有效内径为a-b，介电弹性体薄膜的初始厚度为H0，初始有效面积为S0；效应靶未变形时介电弹性体薄膜7的有效面积和厚度分别为S1和H1，效应靶变形时介电弹性体薄膜7的有效面积和厚度分别为S2和H2。进一步的，介电弹性体薄膜7的初始有效面积S0表示为：
S0＝πa2-π(a-b)2 (1)
由于介电弹性体薄膜7为不可压缩材料，不同状态下有效面积和厚度有如下关系：
S0H0＝S1H1＝S2H2 (2)
效应靶薄板未变形时，介电弹性体薄膜7的电容表示为：
效应靶变形后，介电弹性体薄膜7的电容表示为：
效应靶的变形表示为h等于h1-h2，由式(1)～(6)可以得到效应靶薄板的变形h与电容C1和C2之间的关系。
Claims (7)
1.基于介电弹性体的效应靶变形测量装置，其特征在于：该装置包括底座(1)，外壳(5)和直线轴承(3)分别通过螺钉(2)固定在底座(1)的上表面，上下表面涂刷环形柔性电极(8)的介电弹性体薄膜(7)通过两个环形固定框(9)夹紧，然后放置于外壳(5)上端的凹槽并由盖板(11)通过螺钉(2)与外壳(5)连接固定，上表面柔性电极(8)与上表面导电布(12)连接并通过导电棒(10)从固定框(9)和盖板(11)边界的圆孔引出，下表面柔性电极(8)与下表面导电布(13)连接并通过导电棒(10)从固定框(9)和盖板(11)边界的圆孔引出，弹簧(4)固定在底座(1)和中间轴(6)的中间圆盘(601)之间，中间轴(6)与直线轴承(3)通过间隙配合并由弹簧(4)确定位置，保证中间轴(6)的上端圆盘(602)上表面与介电弹性体薄膜(7)的下表面接触；所述底座(1)下端侧表面的倾斜角度与被测效应靶内侧表面的倾斜角度相等，底座(1)下端侧表面凸台的高度是被测效应靶内侧表面深度的0.5倍。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的效应靶变形测量装置，其特征在于：所述底座(1)、外壳(5)选用铝合金材料，中间轴(6)、固定框(9)和盖板(11)选用绝缘材料，介电弹性体薄膜(7)选用聚丙烯酸酯材料，上表面导电布(12)和下表面导电布(13)选用单面导电布胶带。
3.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的效应靶变形测量装置，其特征在于：所述装置弹簧(4)处于压缩状态，中间圆盘(601)处于外壳(5)轴向中间位置，上端圆盘(602)的上表面与介电弹性体薄膜(7)的下表面接触；弹簧(4)的初始长度为中间圆盘(601)下表面与底座(1)上表面距离的1.5倍，弹簧(4)的刚度由中间轴(6)的重量G和弹簧的初始压缩量x确定，其刚度k＝G/x。
4.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的效应靶变形测量装置，其特征在于：所述柔性电极(8)选用柔性碳膏，其柔性电极(8)涂刷环形区域的内径是中心轴(6)上端圆盘(602)外径的1.1倍，柔性电极(8)涂刷环形区域的外径与固定框(9)的内径相等。
5.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的效应靶变形测量装置，其特征在于：所述导电棒(10)选用金属导体，两导电棒(10)的一端分别通过上表面导电布(12)和下表面导电布(13)与介电弹性体薄膜(7)的上表面、下表面涂刷的柔性电极(8)接触连接。
6.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的效应靶变形测量装置，其特征在于：在初始状态，所述中间轴(6)的底部末端与底座(1)下表平面的距离是底座(1)下表平面与被测效应靶薄板距离的3～4倍。
7.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的效应靶变形测量装置的测量方法，其特征在于：通过底座(1)下端侧表面与被测效应靶内侧表面接触配合，中间轴(6)对准效应靶薄板的中心位置；当被测效应靶薄板未变形时，中间轴(6)的底部末端与未变形的效应靶薄板接触，推动中间轴向上移动，介电弹性体薄膜(7)产生变形，通过电容测试仪测量得到被测效应靶薄板未变形状态介电弹性体薄膜(7)的电容为C1，利用介电弹性体薄膜(7)的变形与电容之间的映射关系，得到中间轴向上移动的位移为h1；当被测效应靶薄板变形时，中间轴(6)的底部末端与变形后的效应靶薄板接触，推动中间轴向上移动，介电弹性体薄膜(7)产生变形，通过电容测试仪测量得到该状态介电弹性体薄膜(7)的电容为C2，利用介电弹性体薄膜(7)的变形与电容之间的映射关系，得到中间轴向上移动的位移为h2，则效应靶薄板的变形h为h1-h2。
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