燃料空气炸药爆炸压力场测试系统误差分析.pdf

第1s 卷第4 期 爆破、’dl8 ＼o ， 二“ 1 年1 月 B L A S T I N G 『 e c I m l 文章编号㈨、l1 s 7 x u 0 1 0 4 0 0 2 l0 3 燃料空气炸药爆炸压力场测试系统误差分析 熊祖铽1 ～， 1 北京理工大学，北京l } { ⋯8 1 自春华1 ，刘长林1 2 武汉科技大学．湖北武波43 0 0 8 摘要 蛄告燃料空气炸药武嚣野外爆士f 试验的宴际情况运用误差理论．分析了自由场冲击浊压力测试 系统的误差传递规律，碍到了冲击波超压的相对误差计算式。研究表明用算术平均偏差估算F A F 武器爆炸 状惠场冲击波侧向超压的剥量误差比用标准差更切台实际。 关键词燃料空气炸药；武器；冲击波压力测试；谖差 中圈分类号f Q5 1 1 文献标识码 A T 奄s t i n gS y s t e mD e v i a t i o nA n a I y s i s0 f B l a s t i n gP r e s s u r eF i e I do fF u e lA i rE x p l o s i v e X l o N t ；Z u 一h u 0 、2 ，B A IC h u nh “蠢．I 。I Ut } l “n gh n 、 1 ．N a t l o 瑚】K e y1 ．a b o r a t o r y 。fP r e w n “。na n dC o n f r 0 】n fF x p 】n s l 。nD i 5 a 5 f e r H e l J i “g1 n s t l t u t eo fT e c h n o l o g y ， l J i “譬1 0 0 0 8 1 ，C h i n a ； 2 ．W u h a nU n l v c r s l I yo fS c l e n c ea n d7 r e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 8 1 ，C 1 1 i n a A b s t r a c t I no r 山rt om P a s u r ep r e c I 婶l yr h 9p r P s s u r ef l c I dp a r a m e t e r so ft h eF A Ew e a p o nb 】a 计i “gs t a l ef I e l d a n dt ㈣k eo u l1 拈 I I s t b u t 】o nl a w ，t h I sp a p 町．b a s l n go nt h Pd e v I a l l o nt h e o 。ya n dt h e a c t u a lF A E w e a p 。1 1 f l e l de 。p 1 。s 1 。ne x p P r l P n c e ，a n a 】y s e st h cd e v l a t 】o n st r a n s f e rl a w 。ft h Pf r f ef l e l ds h o c k Ⅲep r e s s u r ef e s 【1 1 1 9s y s ， t ⋯a n df l n a U yo b t a m st h es h o c kw 孙- ㈣l a l I v Pd e v l a t l o nf o r m u l aT h c r e s e a r c hr e v c a l st h a l1 h em P t h o do fa r I t h m e t 、c r a g Pd e v I a t l 。n Ⅻl 】s P dt 。f l g u r eo u lt h es h o c kw d 、㈨l c l d 洲Po 啪p 托s s u r et c s tL n gd e v l 】o I l 。f 【1 1 P F A Fw 龅p o n sb l a s t l n gs { a t ef l e l d ㈣l 。r ep r a 一1 c a lf h a nt h a to fs t a n d a r dd e vL a “。n1 na d d l t l o n ，t h l sp a p c r a l s o s u g g e s t st h et e 【1 1 n l c a I ㈣s u r e st or a l s et h ㈣a s Ⅲ舢tp r P cL s I 。no ft 1 1 Pf r P Pf l e l ds h o c kw a v ep r c s s u r ef I P ⋯} a ． r a n l P l P r s K e yw o r d s f u e 【a ㈣x p I 。s 】v P ；㈣p o n ； s h o c k Ⅷc ； p r e s s u r et c s l l “g ；d P v I a n o nt h e o f y l引言 自2 0 世纪5 0 年代以来，燃料空气炸药 F A E 及其武器一直是各国武器研究的热点。我国研究 F A E 及其武器起步较晚，但在一些关键技术上已经 取得了一系列成果和重大进展。在卜、A F 武器的研制 过撑中，确定P A E 爆炸状态场压力场参数及其分布 规律为F A E 的燃料选择、分散、石雾团的控制、装药 结构、起爆方式等提供设计依据；同时为F A E 武器 爆炸类型的判别、威力对比、性能评价等提供重要依 据。测试冲击波是获得F A E 爆炸场压力场参数最直 接的方法。因为F A F 武器爆炸场特点和野外爆炸试 验的复杂环境，准确测量F A E 武器爆炸压力场参数 并描述其分布规律是一项困难的工作，本文将运用 误差理论，分析自由场冲击波压／J 测试系统的误差 来源．为F A E 武器爆炸状态场压力场测试技术措施 收稿日期二o l _ u9l n 牛者简介熊祖钊 19 6 3 一 ．男；北京北京理工人学爆炸灾害控制、预防同家重点实验室副教授、博士研究生 万方数据 的提出提供了依据。 2自由场空气冲击波压力测试系统 北京理工人学饥电工程学院爆炸灾害控制、预 防同家蓖点实验室针对野外武器爆炸试验环境．设 计研制了一套便携式、多通道、自存储数字式自由场 空气冲击波压力测试系统。该系统主要包括自由场 压力压电传感器、自由场守气冲击波压力测试仪、专 用的数据处理软件及其配套设备。自由场压力传感 器采用压电陶瓷作为敏感元件．其量稃为o ．O l ～ l o oM P a ．上升日十问为微秒量级，白振频率大于3 0 0 k H z 。自由场空气冲击波压力测试仪内冒电压放大 器．直流供电．输入信号经放大、高速A ／n 转换后实 现自动数字存储。测试仪有8 个通道输入、放大倍数 可凋 1 【1 l u 。 、触发位置及触发方式l 内／外】可凋、 系统电容可洞、中口输出。测试仪采样频率1M H z ． 存储容量12 8k ．放大器频晌1M H z ，分辨率8b t e 。 存储删试数据处理软件是针对武器野外试验巾广泛 使用的存储测试技术而设计的一个数据处理软件。 软件采用面向对象设计的技术．硬件平台为P C 机， 软件平台为w I ＼Ⅸ w s9 x ．程序设汁由V I s u A I ， c 一一实现。软件具备常规的显示，打印和汁算等数 据处理功能． 3 测试系统的误差传递规律 3 ．1自由场冲击波侧向超压 洲试系统输出的原始数据是电压一时问变化情 况．经变换可得到测试所需的压力时问变化情况。 电容的定望 C Q ， ／ ” ” 1 式中c 为系统电容；Q ， 为极化电荷；f ” ， 为电压 放人器输入电压、 压电传感器的电菏灵敏度定义 S Q I ／上P ， 2 式中5 为脏电传感器的电荷灵敏度；0 ， 为压电传 感器输出电荷工，’ f 为作用于压电敏感元件表面 的甲均超压。 系统输出电压 ， 一K f j ’ f 3 式中【’ r j 为系统输出电压；K 为电压放大倍数。 由 1 ，、一 3 式得 j ，’【 、f ’ ， ．S 凡r ； 即是监电压力传感器昕n 位置的冲击波倒向超压计 算公，℃ 32 自由场冲击波侧向超压相对误差 曝破 用氓差理论中对数微分法准求趟 大 l 吴差公式。一。 列 ．I 式取对数冉微分得 ．1 年1 月 I j 二的相列 最 1 n △，’ 一l n l l n [ 7l _ S h 1 凡 堕幽d c 。世堂i 墨 △P一 1U5K 由于c 、、■K 均为独市变量．所以把上式取 绝对值并把微分号改为误差符号即得超压的相对误 差公式 厶t △P 1 璺￡出6 玉K ．． 五r 一了 可一ji 。“ 从 j 式可以看出，系统电容、输出电压、传感器灵敏 度和电压放大倍数的相对误差对所测超匝的相对误 差葙同等贡献。 传感器的灵敏度是一个很重要的参数．它刘删 定冲击波的超压曲线的精度有很大的影响。通常存 测压前就必须作好动态标定， 动态标定最常用的方法是澈波管法。激波管分 高压室和低压窒两部分，中问用铝膜片隔开，高压室 党高压气体，低压事放置待标定的压电传感器及测 时传感器。标定时高压室充压缩空气或氮气．当压力 超过铝膜片的强度极限时．膜片突然破裂．这时在激 波管内形成两类波，其中由高压事向低压室传八一 冲击波，冲击渡向前传播通过距离为，J 的洲时传感 器，最后作用丁待标定传感器的表面。入射冲击波峰 值超压△只．。。与波阵面速度， 的关系可用兰钦雨 果尼奥方程表示 △，’。。。一2 y P 。r D ／ 、。 一1 ，【y 1 6 D i ，fc1 1 l 式巾n 为低压室的初始压力； 为标定时低j ￡室 的初始音速．是温度的荫数；』，为两个测时传感器的 距离；，为入射冲击渡通过两个测时f { 感器的时间 间隔；y 为卒气绝热指数。 取7 14 。代人得 △，’。。，一 ， L ／C ，二一1 ／6 8 设R 、“为常数，对 8 式微分整理得 掣善’ 考‰t 警宇， ㈩ △P 瑚。，， 一c j ∥，， ， 、 上式右端取绝对值，并将微分符号改为误差符号得 爨“≠‰c 争亨，⋯，△P 。。 i ，‘ j {I ，t 。 参照t1 式．鲐漱波管校措后得到被校自由场压，J 传 感器的灵敏度 一一j 乏≥ “ 』℃中r 、∥、 f7 分别是川瀚波毹怀定n 一0 传感嚣| { 于 万方数据 第】、卷 第‘期熊祖钊等 燃料空气炸药爆炸L L 力场测试系统误差分哲I 测试系统的电容、输出电压、放大倍数。从【1 1 式，由 对数微分法可得传感器灵敏度的相对误差公式 荨一等笋一等 筹’等㈣， ．_ j ，。，， 1f ，1K ’⋯7 由L j 、 1 0 、 12 式得 半一≠‰c 譬- - 字H j 尸 上二一f ，、，， ，7 。 丑1 。j 鳗 j 监⋯j 蛾j T 丁’一‘丁 了 oK_ 13 式即为待测自由场冲击波侧向超压相对误差公 式． 当待删冲击渡侧向趟压与标定时所用的“标准” 冲击波入射超压值相当时，可认为等。等；设现 场测试时所用的系统电容和电压放大倍数与标定时 所用的洲c 相凯则等t 等等。等．式 1 3 可简化为 塑型，些 凸，』。‘ f r 2 、』， 享 一2 等 等 警 ⋯ 4 测试系统的误差分析与讨论 从 13 、 14 式町以看出，待测冲山波侧向超压 的相对误差来源于两个过程压力传感器的标定过 程 即灵敏度的确定过程 和现场测试过程， 在 13 、【14 式中L ／f 代表人射冲击波的速度， 所以有L ／c ，r ≥1 ，则 L ／G ”2 ≥1 ，，，2 ／ ∥一C 知 1 ．说明j ，，／L 和立，／f 对待测冲击波侧向超压的相 对误差的贡献比其它几项要大。也说明压力传感器 的灵敏度足一个很重要的参数．它将直接影响冲击 波超压一时间曲线测量的精度，特别是影响冲击波 峰值超压测量的精度。 式 13 、 H 是在一定条件下，估算待测冲击波 侧向超压相对误差的公式，它属于算术平均偏差，估 算的结果应该是最大偏差。 相对于算术平均偏差，标准偏差常用于一般的 科学技术报告巾的数据分析与处理。一般认为，标准 差是一种更科学、更精确的误差表示方法。在本文的 讨论中所采用的足较“粗糙”的算术平均偏差。作者 孳十如下的考虑科学的统汁方法是基丁一定的样 本量．方均根醒Z 表不方法亦不例外；方均根误差表 示方法常』H 于较精密测量物理量的误差表示；在多 物理量的测试过程中．弭有在等精度删昆条什F ．用 标准偏差表示某～物理量的测量误差_ 有现实电 义．冈为此叫标准偏差的交叉项不复仔在．即I I 口 ● o 4 为第z 个物理量标准偏差j ，由各丰f j 关物理量 的标准差可方便计算待测物理量的标准蓐。 F A F 武器野外爆炸试验既耗资又费工、费时． 通过现场试验获得针对某一物理量在特定条件下的 样本量是很有限的。 F A F 武器爆炸状态场压力场测试环境恶劣，由 于装药类型、装药结构、分散状态、延滞时间、起爆条 件等技术因素及气象地理条件的综合影响，同～发 弹爆炸压／J 场可能出现宏观的不确定性、非对称性； 具有相同技术参数的两发弹在『一J 一地点爆炸，其压 力场分布亦不完全相同。对于测试系统本身，压力传 感器的质量、安装，测试仪的性能，信号线的状态等， 加上振动、辐射等综合因素引起的信号背景噪音、基 线漂移都将增加测试工作的不确定性。所眦，用算术 平均偏差估算F A E 武器爆炸状态场冲击波侧向超 压的测量误差比用标准偏差更切合实际。 5 结语 在F A E 武器爆炸状态场压力场测试系统的误 差分析中。建议使用算术平均偏差。 冲击波参数的测量．特别是在野外复杂环境条 件下，对F A E 武器爆炸冲击渡参数的测试是‘项艰 巨的工作。除r 经济上的原因外，测试系统的完善、 测试方法的建立、测试结果的分析、处理、评价等都 需要作进一步的研究。 参考文献 l s 尸f l g 洲kRT - K r a t zHRF l 】P 1 A 1 rF x p l 。w v e t AP 1 r a m e t cI m e s “g a t Ⅷ1 [ P ．A DA l j 9 l7 7 ．19 8 s 2 I s n l a l 】MM ．M u r r a vSbS f a l m go fB l a s cW 。i 、PP A r a n l e t e r sf 。r mF u e l a l rE x p l o s l o n s l A 。．I r o cf o rA [ P AJ o I n t I nc 1 ．s v m l lo nE n e ‘g 。t i cM a t e Ⅲl sT e c hr c ] ＼e wY 。r k A D P A ，19 9 22 3 2 3 6 3 吕春绪炸药的研究与发展从海湾战争看特种炸药 的重要性[ M j ．南京；华东工学院，l9 0 I ． 4 B a k e rwEE x p l o ㈨nH a z a r d ㈨dE v a l u 洲o n [ M ．E L S E V I E R ．1 9 8 3 5 腾敏柬实验误差与数据处理[ M 南京南京大学出版 社．19 8 9 带等 万方数据