一种单兵防护装备防护性能测试系统及试验方法与流程

1.本发明涉及防护装备测试技术领域，具体为一种单兵防护装备防护性能测试系统及试验方法。


背景技术：

2.单兵防护装备中最重要的防护装备就是防弹衣和头盔，杀伤元在高速撞击防弹衣或者防弹头盔的过程中，防弹材料短时间内剧烈、反复的变形、撕裂、破碎，进而对人员造成损伤，因此撞击过程中材料的应变及其应变率也是致伤的关键性因素，如何动态测量防弹衣的损伤过程，防弹衣或者头盔应变、应变率、最大突出高度等动态条件下的损伤参数，是目前防护装备在测试过程中所面对的一个难题；现有技术中主要采用基于后置贴合粘性软材料测试鼓包高度和绝对不能穿透速度v0两种指标进行评定，该方法是在射击完成后，对防弹衣或者头盔的损伤进行测量，无法获得动态条件下，即子弹撞击防弹衣或者头盔过程中，防弹衣或者头盔的应变、应变率、最大突出高度等动态条件下的损伤参数，但是该测试方法评定损伤具有局限性，不利于推广应用。


技术实现要素：

3.本发明提供一种单兵防护装备防护性能测试系统及试验方法，可以有效解决上述背景技术中提出现有的基于后置贴合粘性软材料测试鼓包高度和绝对不能穿透速度v0两种指标进行评定测试方法存在局限性，不利于推广应用的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种单兵防护装备防护性能测试系统，测试系统包括红外触发控制模块、光电测速模块和高速摄影灯光补偿模块；所述红外触发控制模块主要通过红外触发器对测试系统工作时间的控制，工作时间包括开始时刻、持续时间和结束时刻；所述光电测速模块包括电测速仪和两个固定光幕靶，两个固定光幕靶分别为启动光幕和结束光幕，启动光幕和结束光幕均为激光光幕。
5.根据上述技术方案，枪管在发射子弹的过程中出现声光效应，采用红外触发器，对测试系统进行控制，红外触发器接受到枪口子弹飞出时的红外信号，产生一个触发信号，对测控系统形成一个开始运行信号，控制测试系统开展工作，子弹撞击单兵防护装备的过程是一个瞬态过程，可以通过工作持续时间对测试系统的工作持续时间和结束时刻进行控制，通常可设置为1～3秒。
6.根据上述技术方案，所述激光光幕采用激光器与光敏元件构成，光源形成一定有效光幕区域，由光敏元件接收，当运动物体通过已知间距的两个光幕时，会挡住部分或全部激光，光敏元件将光信号的改变转化为电信号，之后经过放大、整形，由单片机处理电路对两信号进行处理计算，得到运动物体通过这段距离所需时间t，然后根据公式v=s/t得到弹丸通过这段距离的平均速度，再通过lcd显示器将其值显示出来。
7.根据上述技术方案，所述高速摄影灯光补偿模块是指非接触的三维数字图像测量系统，依据双目视觉原理，即两个超高速摄像机从不同角度同时获取某场景的二维图像，搜寻采集得到的两幅图像中的对应点，通过系统标定获得两个摄像机的内外部参数，进而计算得到这一点在空间坐标系中的三维坐标并提取三维位移场；通过对三维位移场进行二次处理，提取防弹衣或者头盔的应变、应变率、最大突出高度等损伤参数。
8.根据上述技术方案，通过获得子弹在撞击防弹衣或者头盔过程中，防弹衣或者头盔的动态损伤过程，来提取应变、应变率、最大突出高度等动态损伤参数，通过获得的动态损伤参数，提取其中的动态最大压缩位移和最大压缩速率，运用相关公式计算出损伤分数（mais），对照ais等级的损伤程度评估防护等级；损伤分数计算公式：式中：vmax：防弹衣或头盔最大压缩速率（m/s）；c：防弹衣或头盔最大压缩位移（cm）。
9.根据上述技术方案，所述损伤程度分为：无损伤或轻伤、中度损伤、重度损伤和无法救治或最严重的损伤；所述损伤程度为无损伤或轻伤时防护等级为1级，所述损伤程度为中度损伤时防护等级为2级，所述损伤程度为重度损伤时防护等级为3级，所述损伤程度为无法救治或最严重的损伤时防护等级为4级。
10.一种基于动态损伤的单兵防护装备的试验方法，动态损伤试验的核心是为了获取动态损伤参数，动态损伤参数依赖于三维位移场的获取，为了获得清晰的位移场图像，在试验时需要对被试品，防弹衣或头盔进行预处理，即对防弹衣或者头盔进行散斑化处理，散斑化处理的过程具体包括如下步骤：s1、确定散斑大小；s2、制作散斑水转印纸；s3、制作被试件散斑。
11.根据上述技术方案，所述s1中，确定散斑大小是指根据相机画幅、分辨率、头盔所占画幅的比例以及被试件的实际大小，来确定散斑的大小，试验时设定相机为1280
×
800，头盔所占画幅的1/2左右，每个散斑点的大小为5～10个像素点，经计算该试验的最适散斑大小为1.17mm～2.34mm，最终确定为1.524mm。
12.根据上述技术方案，所述s2中，制作散斑水转印纸是指使用散斑生成器，生成所需要的散斑并打印在a4纸上，再将水转印纸贴在a4纸上，获得散斑水转印纸。
13.根据上述技术方案，所述s3中，制作被试件散斑是指将散斑水转印纸剪裁成合适的大小，将光滑面与a4纸揭开，这时光滑面的胶将附着在a4纸上，将大小合适并带有胶的a4纸粘在头盔表面，并压实，使其充分紧贴在头盔表面，再用水将a4纸打湿并擦去，把散斑留在试件的表面。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便：1、本发明通过对防护装备进行预处理后，在不影响其强度的条件下，结合红外触
发控制模块、光电测速模块和高速摄影灯光补偿模块，来构建防护装备的测试系统，获得子弹在撞击防弹衣或者头盔的过程中，防弹衣或者头盔的动态损伤过程，提取应变、应变率、最大突出高度等损伤参数，实现了防弹衣或者头盔的动态损伤过程的测量。
15.2、本发明拟采用水转印纸法制作的散斑，该方法制作的散斑具有质量高，试验效果好，不易脱落，易于控制散斑大小的优点。
附图说明
16.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
17.在附图中：图1是本发明防弹衣防弹性能测试的示意图；图2是本发明防弹头盔防弹性能测试的示意图；图3是本发明头盔散斑的制作流程图；图4是本发明头盔内部离面变形区域的示意图；图5是本发明防弹头盔损伤变形轮廓线的示意图；图6是现有技术防弹性能测试的示意图。
具体实施方式
18.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
19.实施例：如图1-2所示，本发明提供一种技术方案，一种单兵防护装备防护性能测试系统，测试系统包括红外触发控制模块、光电测速模块和高速摄影灯光补偿模块；红外触发控制模块主要通过红外触发器对测试系统工作时间的控制，工作时间包括开始时刻、持续时间和结束时刻；光电测速模块包括电测速仪和两个固定光幕靶，两个固定光幕靶分别为启动光幕和结束光幕，启动光幕和结束光幕均为激光光幕。
20.基于上述技术方案，枪管在发射子弹的过程中出现声光效应，采用红外触发器，对测试系统进行控制，红外触发器接受到枪口子弹飞出时的红外信号，产生一个触发信号，对测控系统形成一个开始运行信号，控制测试系统开展工作，子弹撞击单兵防护装备的过程是一个瞬态过程，可以通过工作持续时间对测试系统的工作持续时间和结束时刻进行控制，通常可设置为2秒。
21.基于上述技术方案，激光光幕采用激光器与光敏元件构成，光源形成一定有效光幕区域，由光敏元件接收，当运动物体通过已知间距的两个光幕时，会挡住部分或全部激光，光敏元件将光信号的改变转化为电信号，之后经过放大、整形，由单片机处理电路对两信号进行处理计算，得到运动物体通过这段距离所需时间t，然后根据公式v=s/t得到弹丸通过这段距离的平均速度，再通过lcd显示器将其值显示出来。
22.基于上述技术方案，高速摄影灯光补偿模块是指非接触的三维数字图像测量系统，依据双目视觉原理，即两个超高速摄像机从不同角度同时获取某场景的二维图像，搜寻采集得到的两幅图像中的对应点，通过系统标定获得两个摄像机的内外部参数，进而计算
得到这一点在空间坐标系中的三维坐标并提取三维位移场；通过对三维位移场进行二次处理，提取防弹衣或者头盔的应变、应变率、最大突出高度等损伤参数。
23.如图4所示，以头盔为例，可知：图4中(a)为11.15ms时，头盔试件刚开始变形，头盔的变形情况，总体变形区域的形状呈等高线为同心圆的圆形；图4中(b)为11.60ms时，头盔试件变形情况，总体变形区域呈现以矢状轴方向为短轴，以冠状轴方向为长轴的椭圆形；图4中(c)为11.90ms时，头盔的变形情况，头盔变形达到最大值，最大变形区域继续保持之前的椭圆形，变形z方向移量超过4mm的区域，短轴长度为109.23mm，到达形变的最大值后，变形区域开始回缩；图4中(d)为50.00ms时，头盔的变形情况，头盔的变形区域不再回缩变化，趋于稳定，可定为永久变形区域，永久变形区域整体仍然呈现椭圆形，永久变形区域短轴长度为42.34mm；如图5右图所示，防弹头盔内部鼓包变形的动态过程，在测试结果云图中，选取一条竖直过最大位移点的直线，对损伤结果做剖面，得左图变形轮廓线，其中实线表示侵彻头盔得加载过程，虚线表示侵彻后，头盔本身的弹性回缩过程，可以看出，在加载过程中，整体保持一个近似锥形的形状，达到最大离面位置，之后并继续保持原锥形回缩，直至最永久变形形态；基于上述技术方案，通过获得子弹在撞击防弹衣或者头盔过程中，防弹衣或者头盔的动态损伤过程，来提取应变、应变率、最大突出高度等动态损伤参数，通过获得的动态损伤参数，提取其中的动态最大压缩位移和最大压缩速率，运用相关公式计算出损伤分数（mais），对照ais等级的损伤程度评估防护等级；损伤分数计算公式：式中：vmax：防弹衣或头盔最大压缩速率（m/s）；c：防弹衣或头盔最大压缩位移（cm）。
24.基于上述技术方案，损伤程度分为：无损伤或轻伤、中度损伤、重度损伤和无法救治或最严重的损伤；损伤程度为无损伤或轻伤时防护等级为1级，损伤程度为中度损伤时防护等级为2级，损伤程度为重度损伤时防护等级为3级，损伤程度为无法救治或最严重的损伤时防护等级为4级，损伤防护等级如下表所示：ais等级损伤程度防护等级0-1无损伤或轻伤12-3中度损伤24-5重度损伤36级以上无法救治或最严重的损伤4如图3所示，一种基于动态损伤的单兵防护装备的试验方法，动态损伤试验的核心
是为了获取动态损伤参数，动态损伤参数依赖于三维位移场的获取，为了获得清晰的位移场图像，在试验时需要对被试品，防弹衣或头盔进行预处理，即对防弹衣或者头盔进行散斑化处理，散斑化处理的过程具体包括如下步骤：s1、确定散斑大小；s2、制作散斑水转印纸；s3、制作被试件散斑。
25.基于上述技术方案，s1中，确定散斑大小是指根据相机画幅、分辨率、头盔所占画幅的比例以及被试件的实际大小，来确定散斑的大小，试验时设定相机为1280
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800，头盔所占画幅的1/2，每个散斑点的大小为8个像素点，经计算该试验的最适散斑大小为1.524mm。
26.基于上述技术方案，s2中，制作散斑水转印纸是指使用散斑生成器，生成所需要的散斑并打印在a4纸上，再将水转印纸贴在a4纸上，获得散斑水转印纸。
27.基于上述技术方案，s3中，制作被试件散斑是指将散斑水转印纸剪裁成合适的大小，将光滑面与a4纸揭开，这时光滑面的胶将附着在a4纸上，将大小合适并带有胶的a4纸粘在头盔表面，并压实，使其充分紧贴在头盔表面，再用水将a4纸打湿并擦去，把散斑留在试件的表面。
28.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。