测压铜柱静态标定体制的研究.doc

南京理工大学 硕士学位论文测压铜柱静态标定体制的研究 姓名：刘冰冰 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：孔德仁 20090601硕士论文 测压铜柱静态标定体制的研究 摘 要 我国现行的塑性测压校准自建国以来，一直沿用前苏联的校准方法和技术设备，技术水平落后，尚未形成完整的塑性测压校准和量传体系。本文在对静态标定系统中相关设备和测压元件进行溯源研究的基础上，得出“标准铜柱是量值传递体系中极为重要的一环，应对其进行深入的研究。 运用最小二乘法对三种型号十几个批次的测压铜柱和五个批次的“标准”铜柱进行二阶多项式拟合，得其拟合方程。在其模型的基础上进行了同型号各批次铜柱之间的一致性分析并对每个批次铜柱压力灵敏度进行计算。 分析了“标准铜柱测量不确定度的来源，从中找到制定“标准”铜柱判据的切入点，给出了制定“标准”铜柱判据应限制的几个指标。通过对大量“标准”铜柱的实验数据进行处理，得到“标准铜柱的判据。为了验证此判据的合理性，对三个型号十几个批次的测压铜柱进行了分析，证明“标准”铜柱的判据是可用的。 对“标准”铜柱编表方法进行研究，为了考核由“标准”铜柱选出的一个小样本编制的“标准”铜柱压力对照表能否反映该批“标准”铜柱总体的特性，从某批 “标准”铜柱中随机选出三个小样本，并进行了静态标定试验，然后用所得的数据进行静态编表实践。在同一变形量下，对三份“标准”铜柱压力对照表进行了压力计算和各压力误差计算，验证了误差在规定的范围内，证明“标准”铜柱编表的一致性。 对“标准”铜柱计量保证方案进行了初步探讨。关键词：“标准”铜柱，不确定度，一致性，判据，压力对照表 硕士论文 · “ “ “ “ ， “ “ “ ：“ ， 声 明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：立雌 刁年月穆日 学位论文使用授权声明 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目前膛压测量方法可以分为两种【：一是电测法；二是塑性测压法。塑性变形测压法具有使用方便，只需一个塑性测压器件（测压器、塑性敏感元件）；操作简单，放入式测压器可不破坏被试武器；数据稳定可靠且经济等诸多优点。因此，仍是我国乃至世界各国膛压测量的主要手段。铜柱广泛的用于膛内压力的测试，已有一百多年的历史，尽管它不能反映膛内压力的真实性（指峰值压力而言），但它能反映膛内压力的一致性及稳定性。铜柱的这一特点，非常适合靶场对测试产品的交验要求。而且，采用铜柱测压法比采用电测法简便可靠【】。虽然电测法能够实时反映膛内压力的真实性，但是它具有如下的缺点【】：）采用电测技术测量压力信号时，不仅需要高精度的压力传感器，而且需要复杂的信号放大设备及记录设备，需要稳定的供电系统，这对于实际测量（尤其是野外实验）极为不便。）使用电测法测量膛压时，由于需采用专门的仪器设备，为了获得完整的实验结果，常常需要对测试系统的各仪器反复进行调试，使用手续比较繁杂。）采用电测法，精密的压力传感器造价比较昂贵。并且在安装时需要在武器上开出大小合适的安装孔，这对于造价昂贵的武器（如火炮等重型武器），实验代价高。）电测传感器得到的膛压值易受随机干扰影响，且对被测武器的装药十分敏感。所以至今靶场测压仍采用铜柱测压法，而电测法主要应用于理论弹道学领域。 静态标定体制铜柱测压的技术要点归纳如下【】： ）铜柱是测量系统的核心元件。由于它是一次性使用的，因此同批次铜柱的力学性能必须一致，才能有稳定的测量结果，并且不同批次铜柱的力学性能也不能相差过大。每批铜柱都要抽样检验，保证性能指标在允许的公差范围内。 绪论 硕士论文 ）为使测量系统的一次变换一力压力变换符合预定要求，测压器的活塞与活 塞孔的配合公差很有讲究，既要保证活塞能沿轴向自如运动，不发生卡滞，又不应 有火药燃气从配合间隙渗入测压器。测压器要以比对方式进行射击检验，合格者才 能交付使用。通常还需遴选标准测压器，以备发生争议时作为“可靠传压的判断 依荨?）测压器活塞的直径、铜柱的直径、铜柱的高度是调节铜柱测压系统灵敏度 和分辨力的三个几何要素。不同类别、型号的火炮的最大膛压差异很大，为了在待 测压力范围内有理想的灵敏度和分辨力，由于历史的原因，出现了不同规格的铜柱 和测压器。各个型号的枪、炮都有各自特定的铜柱测压系统，不能随意乱用。 ）铜柱压力表体现的是某批铜柱的总体平均特性。为了减小铜柱个体特性与 平均特性间差异引起的测量误差，可根据铜柱个体在预压时的表现作修正。应当特 别提醒注意，各批铜柱的压力表都是专用的，不能在批与批之间换用。 ）铜柱受压时，两端与测压器接触部位应力状态复杂，对铜柱变形有约束作用，应努力使每次测量时接触状况和标定时相同。 ）温度对铜柱变形特性有显著影响，因此对测量时的环境温度有明确规定。如果环境温度不符合规定，或是测量特殊环境温度下的膛压，需要对测得的铜柱压力作温度修正。 用静标体制的测压铜柱测量的枪、炮的膛压，是持续时间只有几毫秒到几十毫秒的压力脉冲，测量载荷与标定载荷的动态特性大相径庭，这是静态标定体制的铜柱测压法的重大缺陷，它使得铜柱压力测得值与最大膛压的真值有显著的差异，铜柱压力含有严重的动态测量误差。为了抑制铜柱压力的动态误差，采用测量前对铜柱加预压的补救措施，以尽量减小测量时的塑性变形量。即便如此，铜柱压力依然含有相当大的动态误差，因此，铜柱测压多用于实用弹道学试验，在产品检验中作相对比较。对于用来推演内弹道规律的研究弹道学实验，误差如此大的数据，就不适合使用了【引。国外有关技术方案 铜柱测压系统包括敏感元件和测压器两大部分。其输入或激励是被测压力，响应（输出）是铜柱的塑性变形，性能的优劣不仅取决于敏感元件，也取决于测压器。敏感元件 塑性变形测压法根据测压敏感元件形状不同，分为铜柱测压法和铜球测压法两种【。铜柱测压法为我国、前苏联及东欧各国采用，铜球测压法为美、英等西方国家采用，不论铜球还是铜柱，都必须按技术规程进行严格的校准。硕士论文 测压铜柱静态标定体制的研究 美、英、俄罗斯等国都成立有专业的研究所和工厂，长期从事此领域的研究，美引领着塑性测压校准技术发展的潮流。 自诺贝尔发明塑性测压百年来，其校准方法以静态为主。然而，随着膛压电测技术的发展，人们已经发现利用静态校准的铜柱等塑性敏感元件，在测量快速变化的动态膛压时存在一定的动态系统误差。而准动态校准则可以有效的减小静动差，因此，国内外对塑性测压法的标定体制正经历着由静态校准向准动态校准的转变。 世界各国对标准级塑性测压敏感元件的校准和鉴选方法不尽相同，美英等国动静态校准技术相结合、相互补充，前苏联及我国采用静态方法校准和鉴选标准铜柱。 美国：对塑性敏感元件的校准，在世纪年代马里兰州（）的阿伯丁试验场就开始研究测压铜球的准动态校准，在世纪年代后期美国率先用准动态校准铜球的方法来减少静动标的系统误差，西欧各国也纷纷效仿，成为国际上膛压测量的主流。美国陆军试验与鉴定司令部在武器压力测量试验操作规程中，明确提出以压电石英传感器作为标准，用液压动态发射器在范围内，对塑性测压敏感元件铜球进行校型。 将压电传感器放在武器药室的两端，进行射击试验，以测得武器系统膛内的压力一时间曲线，校准标准级的敏感元件。年重申的美军标明确规定，压力对照表的产生即塑性敏感元件的校准是以统计过程为基础，包括静态校准、大型的武器系统试验和专门研制的准动态校准压力发生器试验的使用，还包括严格的专家检定。 英国：年月发布的英国国防标准的暂定版，火炮弹药弹道标准化的第部分：“塑性敏感元件和测压器”中规定，通过静态校准、准动态实验室校准检验小批与批的动态塑性变化，鉴选或确定标准批，采用火炮射击的方法校准标准级的塑性敏感元件，即编制压力对照表【】。 其技术方案为：对每大批新的铜球（一大批为不小于粒）都应按一定程序进行校准，编制压力残留高度对照表（简称压力对照表），其校准程序分三步【： ）静态校准通过对各小批（粒为一小批）铜球的静态校准，提出代表大批铜球的标准小批。在合适的压力机上加载静态载荷，压缩速率为所有各小批的被试铜球加载相同的静态负荷，每个铜球的“硬度”通过铜球的残留高表示，标准批铜球的残留高为一大批中残留高的中间值。 ）实验室准动态校准由落锤仪、造压油缸（包括两套个向外的活塞）及压电测试组成的系统，依次从每小批抽取若干个与标准批等量的铜球一起进行动态加载，以校验批与批之间动态塑性的变化，试验结果由国防权威部门（皇家武器研究与发展公司）检查，确定该小批是否可以使用该标准批的压力对照表及处理方法。 绪论 硕士论文 ）火炮射击将标准批的铜球及测压器放入火炮药室进行火炮的动态射击试 验，采用两套独立的压力传感器测试系统，记录燃气的曲线，以两路压力的平 均值为真实压力，并获得系列的压力残留高度对应的数据，进行数学处理编表。 前苏联：采用的是杠杆式压力机的静态校准和鉴选方法。 测压器 由于武器膛内的火药燃气压力变化范围宽，从零到数百兆帕，高频分量丰富、且伴随着高温、对测压器具的烧蚀和撞击等，使测压器具会产生严重的动静差。由 于测压器的性能严重影响到压力测量值，因此测压器的鉴选除了生产过程监控其原材料和几何尺寸，对活塞杆等机械件的硬度严格控制外，对测压器的动态性能考核是必须进行的，对工作级的测压器也是需 的动态性能鉴定。 火炮膛内的峰值压力、脉宽（作用时间）及温度等参数都会影响测压器的动态性能，因此，世界各国对测压器具的性能考核和鉴选都尽可能采用能反映火炮膛内燃气压力变化过程的真实武器或模拟装置，对标准级的测压器鉴选多是采用制式火炮射击的方法。 英美及前苏联：采用制式火炮装药射击的方法，对测压器具整体校准，尚未查阅到鉴选标准测压器的详细方案报道。但从英军标分析，对测压器的动态性能考核和鉴选包括在塑性测压器具整体校准的规范中。 英军标明确规定，对测压器具动态校准的火炮射击实验需在合适的武器上进行，对测压器，每发试验装四个，其压力范围从（）到 （）之间以（）递增。如果需要两种武器实现该压力范围，这两种武器之间将有一个压力重合。对测压器，每发试验装六个，其压力范围从到之间以递增。这些试验将需两种不同武器（如制式火炮和高性能坦克炮），试验的压力重合约为。将测压器放在不同的温度下保温，进行射击实验，可获得不同温度下的数据，以编制压力对照表，其试验结果可用来考核测压器的稳定性。国内研究现状 铜柱从工作性质上可分为工作级铜柱及“标准”级铜柱。由于“标准”铜柱是作为鉴选测压器及判断测压器是否满足工作要求的“标准传压元件，提出“标准”铜柱的总体性能应比测量用铜柱好。 我国现用的“标准刀铜柱是采用静态的校准方法，用上世纪年代从前苏联引进的检验级杠杆式压力机进行鉴选的，然而，由于种种原因，标准铜柱多年未生产，且长期以来，该压力机从未向国家或国防压力基准溯源，铜柱静态校准链尚未硕士论文 测压铜柱静态标定体制的研究形成合法的量值传递与溯源体系。 我国现行的塑性测压器材中，除了仿制美国的测压铜球（英寸）采用准动态校准体制之外，其它的几乎所用的测压铜柱依然沿用静态校准的方法，即目前我国大部分的枪、炮、弹、药等定型产品的生产和验收仍用静态校准的铜柱和测压器，若要改变标准铜柱校准方法，是对塑性测压校准体制的重大变化，会影响各种相关的定型产品交验，技术指标须重新确定等等，严重影响使用单位的正常需要，而且还有许多技术问题短时间内难以解决。 关于标准测压器的鉴选，目前我国测压器鉴选的标准为年制定的“测压器技术条件”（，），标准测压器的鉴选资料为原苏联的资料译文 （），我国曾进行严格的火炮射击试验，以现有 放入式副标准级测压器为例，是上世纪七十年代通过加制式火炮身管、标准装药及弹道器材试验，鉴选出来的。 然而，由于制式火炮射击试验费用大，可实施性不强，国内用于工作级铜柱测压器鉴选的手段是动态模拟压力发生器，为敞口型的半密闭爆发器装置，该装置仅提供了一个无固定药室容积的火药燃烧室，其峰值压力稳定性差，药室烧蚀严重，药室火药燃烧的全过程不详，也未向国防压力基准溯源。塑性测压铜柱静态标定体制研究的必要性 我国目前的武器系统膛压测量仍大量使用塑性测压系统，在年第一次职能改革前，原兵器工业部领导十分重视我国膛压测量的技术发展和计量保障，具体管理归口在原兵器部靶场（计量）处。靶场处每年都有较大的人力和经费投入确保我国膛压测量的技术发展，并在塑性测压和电测压的比对和转换之间作了大量的工作。而在年以前塑性测压的标准器材都按需求由靶场处组织鉴选，并指定有塑性测压器材的专门生产厂家，配有鉴选的专家组织，正因为如此，塑性测压技术才得以广泛应用并保持至今。然而，由于我国体制改革等种种原因，当前塑性测压技术存在着许多问题，亟待解决，已影响到塑性测压产品的正常生产应用，急需解决。 我国现行的塑性测压校准几十年来一直沿用前苏联的校准方法和技术设备，尚未形成完整的校准和量传体系，无法满足我国兵器技术的发展并与国际接轨的迫切需求，导致用这种体系校验的铜柱无法验收，测压元件无法向国家压力基准溯源，甚至导致出口兵器产品多次因膛压数据显著偏离技术指标而被拒收，造成了严重的政治、经济损失。鉴于我国现行的测压器材几乎处于失控状态，没有法定的规程约束，鉴选装置老化或报废，标准沿袭前苏联的方法，与当今的科学技术水平十分不协调。因此，迫切需要建立具有自主知识产权、符合我国计量管理体系的溯源和量 绪论 硕士论文 值传递链。 课题研究的目的和意义 “标准”铜柱的鉴选是建立具有我国自主知识产权、符合我国计量管理体系的溯源和量值传递链上极其重要的一环。因为我们是用“标准铜柱来鉴选“标准”测压器的，而用“标准”测压器来鉴选副标准级测压器、检验级测压器和工作级测压器，再用工作级测压器进行日常的膛压测量，从而实现量值一级级的传递。因此 “标准”铜柱在其中起到量值传递的作用，可以说其精度的高低直接决定着测压系统的好坏。而我国一直采用铜柱作为“标准”铜柱，此传统是从前苏联的静态标定体制中延续下来的。但是目前我国各类兵器均有向高膛压方向发展的趋势，×铜柱压力覆盖范围过小的特点导致了一系列问题的产生。 我国长期以来用铜柱测压法测量膛压，对铜柱有一套较成熟的经验。在铜柱测压法和电测压双轨制并存的条件下，要回避铜柱测压法还需时日。本文将长期沿用的铜柱“几道”的概念改为用铜柱批次间的一致性和铜柱变形一致性等更为科学的术语来衡量。将铜柱软硬性改为压力灵敏度等技术术语，并对其进行了详细的定义同时给出了具体的考核指标。然后运用这些指标对各种型号工作级铜柱和型号“标准”铜柱进行了深入的研究，通过对其进行比对，初步建立“标准”铜柱的判据并对“标准”铜柱编表方法和编表一致性进行了研究。本文主要工作 论文从以下几个方面展开工作，对静态标定体制进行了研究： 一、介绍了我国现行的塑性测压系统的量值传递过程，引出了对量值传递体系问题研究。对静态标定系统中相关设备和测压元件的溯源方法进行了初步探讨。对 “标准”铜柱进行了阐述，叙述了其在静态标定量值传递体系中的重要作用，得出建立具有我国自主知识产权的量传体系应首先对“标准”铜柱进行深入的研究。 二、对×、×、×各批次工作级铜柱和×五批“标准”铜柱运用最小二乘拟合法得到各批次铜柱变形量和静标压力之间的二阶多项式拟合方程、相关系数和标准偏差，并画出了各批铜柱的拟合曲线。在此模型的基础上进行了同型号各批次铜柱之间的一致性分析和各批次铜柱压力灵敏度计算。 浴氨曜肌蓖饬坎蝗范鹊睦丛唇辛朔治觯又姓业搅酥贫氨曜肌芯莸那腥氲悖隽恕氨曜肌蓖芯莸目己酥副辍ü匀鲂秃攀父雠蔚墓骷锻臀甯雠巍氨曜肌蓖男阅苤副杲蟹治龊捅冉希岷夏壳肮谕庾级嫉囊恍娑醪街贫恕?