发明内容

本发明的目的在于克服现有技术在对燃烧速度进行非接触式测速的时候存在测试精度偏低、单次实验获取数据量偏少、实验操作难度偏大的不足，提供了一种基于太赫兹波的炸药燃速非接触式测量实验装置及方法，通过利用太赫兹波的多普勒效应，以测量波的干涉的方式，获取精准的燃烧速度。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

基于太赫兹波的炸药燃速非接触式测量实验装置，包括高压密闭燃烧实验装置、测速单元、点火单元和气体产物压力实时测量单元，所述测速单元、点火单元和气体产物压力实时测量单元分别与所述高压密闭燃烧实验装置连接，其中，

高压密闭燃烧实验装置，所述高压密闭燃烧实验装置内固定有测试药柱，所述测试药柱在高压密闭燃烧实验装置内进行高压密闭燃烧实验；

点火单元，利用激光辐照对高压密闭燃烧实验装置内的测试药柱进行非接触式点火；

测速单元，利用太赫兹波的多普勒效应对高压密闭燃烧实验装置中的测试药柱进行燃烧测速；

气体产物压力实时测量单元，用于测量并记录高压密闭燃烧实验装置产生的压力数据变化。

目前，在进行高压下固体炸药燃烧速率的测量实验中，大多采用在密闭燃烧容器内采用断丝法进行燃速测量。但是采用这种方法存在很多弊端，首先，断丝法所获取的数据量有限，且所得到的速度实际上是某一小段炸药样品燃烧过程中的平均速度，无法反映出实际燃烧过程中燃速随气相压力所产生的瞬时地、持续地变化；其次，上述方法属于侵入式测量，为了布置测试元件，需要在被测试药柱上人为制造炸药界面，燃烧的传播必然会受到一定的干扰；再次，植入药柱的金属丝在被熔断前需要经历一定的熔化时间，无法立即给出信号，造成信号的延迟；最后，由于炸药的点火头、测试金属丝等均需要从外部穿过密闭燃烧容器壁到达被测试药柱，对穿线孔处的密封设计带来了一定的挑战；断丝法中金属丝较细，极易被破坏，这对实验前的安装工作也带来了一定的困难，严重影响了实验效率，这样就导致了在实验的时候存在测试精度偏低、单次实验获取数据量偏少、实验操作难度偏大的不足，导致这种不足产生的主要原因在于：第一，实验过程中炸药的燃烧温度较高并发出强光，常用的可见光测试技术无法准确分辨出燃烧面的移动位置；第二，炸药燃烧气体产物压力较高，需要达到几百MPa甚至GPa水平，对密闭燃烧容器的耐高压性能和密封性能具有较高的要求；第三，炸药燃速随产物压力的变化幅度大，通常从0.1mm/s量级至10⁴mm/s量级变化，大多燃速测量技术难以实现跨多量级的高精度诊断；所以在本发明中，摒弃了普遍采用的燃烧测速方法，采用高压密闭燃烧实验装置与测速单元、点火单元和气体产物压力实时测量单元的结合，实现对高压下炸药燃烧速率的非接触式高精度测量，获取高压下炸药燃烧速率随产物压力变化的发展关系，在本发明中，所述测速单元利用太赫兹波的多普勒效应，用干涉法进行燃烧速度的测量，由于太赫兹波是指频率在0.1太赫兹到10太赫兹范围的电磁波，波长大概在0.03mm到3mm范围，介于微波与红外之间，所以太赫兹波属于不可见波，太赫兹波的脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辩的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰，同时太赫兹波在光路上的传输时间为纳秒量级，因此可认为该测速方法为即时响应，不会存在响应滞后的问题，所以在进行燃烧速度的测量的时候，太赫兹波能够有效抵抗杂波干扰，从而得出更加准确的测量速度，本发明中的高压密封燃烧装置和非接触式激光点火，能够有效的适应测试药柱燃烧气体产物的压力，气体产物压力实时测量单元能够收集并记录实时压力变化，所以本发明能够通过利用太赫兹波的多普勒效应，以测量波的干涉的方式，获取精准的燃烧速度，而具体测速原理是干涉测量原理。

进一步的，所述高压密闭燃烧实验装置包括密封装置主体，所述密封装置主体内设有装置空腔，所述装置空腔中设有定位组件，所述定位组件套设在所述测试药柱外，在所述定位组件外设有引燃剂，所述装置空腔的上方设有激光点火窗口，所述装置空腔的下方设有测速窗口，所述激光点火窗口的位置与点火单元位置对应，所述测速窗口与所述测速单元位置对应，在密封装置主体的侧面设有压力传感器安装孔。在本发明中，为了提高高压密闭燃烧实验装置的密封性能，直接在密封装置主体中间设置空腔，通过激光点火窗口采用非接触式激光辐照的形式点燃装置空腔中定位组件外的引燃剂，从而点燃测试药柱，通过测速窗口发射和收集太赫兹波，从而利用太赫兹波的干涉对燃烧速度进行测量。

进一步的，所述密封装置主体包括筒体，在筒体的上方设有盖板，盖板与筒体可拆卸的固定连接，在筒体的下方设有底板，所述底板与筒体可拆卸的固定连接，所述激光点火窗口位于筒体的顶部，所述盖板上设有激光孔，所述激光能够通过激光孔到达激光点火窗口，所述底板上设有太赫兹波孔，所述太赫兹波能够通过太赫兹波孔到达测速窗口。本发明中为了安装定位组件的方便，将密封装置主体设置为盖板、筒体、底板三部分，并且这三部分采用可拆卸的固定连接，本发明中的筒体的顶部和底部并不是全开放的形式，只是留出了足够容纳定位组件的安装的位置以及激光和太赫兹波通过的位置，从而加强装置的密封性能，所述激光点火窗口和激光孔位置对应，所述太赫兹波孔和测速窗口位置对应，以达到最佳点火效果和最佳测速效果。

进一步的，所述盖板与筒体之间设有盖板密封环，在所述激光点火窗口与盖板或筒体之间均设有点火窗口垫片；所述底板与筒体之间设有底板密封环，在所述测速窗口与底板或筒体之间均设有测速窗口垫片。本发明需要抵抗几百MPa甚至GPa水平的压力，所以对高压密闭燃烧实验装置的密封性能是较大的考验，而为了增强密封性，本发明在所有的衔接处均设置有密封环，盖板与筒体之间设置有盖板密封环，底板与筒体之间设置有底板密封环，通过密封环的限制，使得盖板与筒体、底板与筒体之间的连接更加紧密，密封性能更加出色，而测速窗口垫片和点火窗口垫片能够有效的避免高压力直接作用在测速窗口和点火窗口上，从而避免测速窗口和点火窗口被压力破坏，提高整体装置的抗压性能。

进一步的，所述定位组件包括环氧树脂，所述环氧树脂套设于所述测试药柱外，在所述环氧树脂外套设有套筒，所述套筒、环氧树脂和测试药柱均与所述测速窗口固定。为了防止测试药柱的端面火焰将测试药柱的侧面引燃、保证燃烧面沿测试药柱轴线向下传播，需要对测试药柱进行封装处理，所述封装处理，是将测试药柱置于套筒内，套筒可以采用聚四氟乙烯制成，以避免在燃烧中对测试药柱产生影响，本发明中采用环氧树脂对套筒内的间隙进行填充，待套筒内的环氧树脂固化后便可以正常使用。

进一步的，所述测速单元包括太赫兹波源、传输收集光路和正交探头，其中，

太赫兹波源，用于发射太赫兹波并聚焦后向高压密闭燃烧实验装置内照射；

传输收集光路，用于将太赫兹波源发出的太赫兹波传输到高压密闭燃烧实验装置，并收集高压密闭燃烧实验装置内燃烧界面传回的太赫兹波发送到正交探头；

正交探头，接收从所述高压密闭燃烧实验装置传回的太赫兹波，产生并输出正交IQ干涉信号，并由示波器记录。

在本发明中的测速单元中，由太赫兹波源发射的太赫兹波经太赫兹波透镜聚焦后 入射进目标靶（即高压密闭燃烧实验装置），被内部燃烧界面反射后沿原路返回，并进入正 交探头。随着燃烧界面的移动，反射的太赫兹波发生相位改变，与参考壁干涉后在正交探头 上产生并输出正交IQ干涉信号，最终由示波器记录，在本发明中，IQ两路干涉振荡信号最近 邻的峰-谷代表反射界面向前推进了Δx=λ/n/8，其中λ为所用太赫兹波波长，n为炸药介质 太赫兹波段折射率。因此，可以得到在这段时间Δt内的界面推进速度。一般 太赫兹波段炸药折射率在1.7~2.2之间，且可通过太赫兹-TDS等方法进行高精度（±1%）的 测定。

进一步的，还包括同步机，所述测速单元、点火单元和气体产物压力实时测量单元分别与同步机连接，所述点火单元包括激光器，所述激光器能够向所述高压密闭燃烧实验装置内发出激光辐照；所述气体产物压力实时测量单元包括压力传感器和示波器，所述压力传感器能够测量高压密闭燃烧实验装置内的压力变化，所述示波器能够接收压力传感器的信号并显示高压密闭燃烧实验装置内的压力波动。

基于太赫兹波的炸药燃速非接触式测量实验方法，包括以下步骤：

S1：准备药柱，并将药柱封装固定到所述高压密闭燃烧实验装置内；

S2：组装高压密闭燃烧实验装置，并检查密封性；

S3：安装压力传感器；点火激光与点火单元对光；测速太赫兹波与测速单元对光；

S4：设置示波器及同步机；

S5：发出点火指令并记录各系统测试数据。

采用本发明的实验方法进行实验，对被测试样品无干扰，因为本发明采用激光辐照的方式对被测试炸药进行点火，利用可穿透炸药的太赫兹波多普勒干涉测速测量炸药的燃烧速率，不需要对炸药进行人为的分割、拼接以及在燃烧空腔内放置任何元器件，不会对炸药燃烧面的传播、产物气体的增压过程形成干扰；本发明中采用的基于太赫兹波多普勒干涉测速可对被测物体进行连续地测量，相比于类似断丝法这种每发次实验最多只能得到5-7个测速点数据，该方法获得数据量至少可达几十上百个，从而使得测试效率得到提高，本发明中的基于太赫兹波的炸药燃速非接触式测量实验方法中，利用太赫兹波对燃烧速度进行测量不仅有效的提高了测量精度，而且有效的提高了测量效率。

进一步的，在设有引燃剂的时候，所述引燃剂铺设于测试药柱的点火端面上。将所述引燃剂铺设在药柱的点火端面上，不仅能够有效的点燃药柱，而且能够使得药柱从端面开始燃烧，从而保障燃烧面是沿药柱轴线向下传播的。

进一步的，在所述步骤S3中，通过反射镜将点火激光的指示光从点火窗口竖直向下入射进点火窗口，调节指示光光斑位于窗口正中心。通过反射镜和指示光的共同作用下的预调节，使得点火激光能够调整到准确位置，以达到最佳点火效果。

进一步的，在所述步骤S3中，通过反射镜将测速太赫兹波的指示光从测速窗口竖直向上入射进测速窗口，调节指示光光斑位于窗口正中心。通过反射镜和指示光的共同作用下的预调节，使得太赫兹波的发射路径能够调整到准确位置，以达到最佳测量效果，减少人为误差。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）本发明中的高压密封燃烧装置和非接触式激光点火，能够有效的适应炸药燃烧气体产物的压力，气体产物压力实时测量单元能够收集并记录实时压力变化，所以本发明能够通过利用太赫兹波的多普勒效应，以测量波的干涉的方式，获取精准的燃烧速度。

（2）本发明中为了防止药柱端面火焰将药柱侧面引燃、保证燃烧面沿药柱轴线向下传播，需要对测试药柱进行封装处理。

（3）本发明中采用的太赫兹波多普勒干涉测速可对被测物体进行连续地测量，相比于类似断丝法这种每发次实验最多只能得到5-7个测速点数据，该方法获得数据量至少可达几十上百个，从而使得测试效率得到提高，本发明中的基于太赫兹波的炸药燃速非接触式测量实验方法中，利用太赫兹波对燃烧速度进行测量不仅有效的提高了测量精度，而且有效的提高了测量效率；本发明不仅能够用于测试药柱的燃烧测速，还能够用于测量固体推进剂等固定含能材料的燃烧速率随反应压力变化关系。