一种两级式微飞片冲击应力测试装置及测试方法

本发明属于爆炸和冲击测试领域，具体涉及一种两级式微飞片冲击应力测试装置及测试方法。
背景技术：
：冲击片雷管不含敏感性起爆药，具有高安全、高可靠以及抗电磁干扰等优势，可广泛应用于智能武器以及民用爆破等诸多领域。在冲击片雷管的设计与制造过程中，测量微飞片在电爆炸箔等换能元激发作用下所获得的冲击应力是评估其起爆性能的关键参数之一。目前，对冲击应力的测量主要通过实时采集高灵敏度压电薄膜在微飞片加速撞击下的电荷输出信号推算获得，该方法具有测试成本低，可适用多种不同测量场合等优势。具体测试时，冲击应力的大小为压电电荷输出与飞片撞击面积所决定，显然，微飞片的形态尺寸以及撞击压电薄膜时的作用面积是测定应力的关键所在。然而，在实际测量中，由于无法准确确定电爆炸产生的微飞片尺寸，往往利用压电薄膜的敏感面积等效代替，导致其测量得到的微飞片冲击应力存在较大误差，无法满足实际需求。技术实现要素：本发明的主要目的在于提供一种两级式微飞片冲击应力测试装置及测试方法，克服现有压电薄膜微飞片冲击应力测试存在较大误差的问题。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种两级式微飞片冲击应力测试装置，包括固定底座，所述固定底座的一侧安装点火装置，所述固定底座上依次安装有激发装置、飞片靶材、前级压电感知单元、加速膛和后级压电感知单元，所述固定底座的另一侧安装电荷转换单元，所述前级压电感知单元和所述后级压电感知单元均与所述电荷转换单元通信连接，所述电荷转换单元依次通信连接有电荷放大单元、多通道数据采集单元以及数据信息存储单元，将来自前级压电感知单元和后级压电感知单元的电荷信号存储到数据信息存储单元。上述结构中，所述前级压电感知单元具有前级压电薄膜感知层，所述前级压电薄膜感知层通过多次溶液旋涂集成于所述飞片靶材的背面与所述飞片靶材形成一个整体，且所述前级压电薄膜感知层平行布置于所述加速膛的前端面。上述结构中，所述前级压电薄膜感知层包括采用高速旋涂工艺结合为一体的前级上电极层、前级压电薄膜层以及前级下电极层，所述前级上电极层和所述前级下电极层均采用非金属导电墨水旋涂而成。上述结构中，所述后级压电感知单元具有后级压电薄膜感知层，所述后级压电薄膜感知层平行布置于所述加速膛的后端面。上述结构中，所述后级压电薄膜感知层包括依次设置的后级上封装层、后级上电极层、后级压电薄膜层、后级下电极层和后级柔性基底层，所述后级上封装层和所述后级柔性基底层均采用薄质柔性的高分子薄膜材料，所述后级上电极层和所述后级下电极层均采用导电良好的金属溅射而成，所述后级压电薄膜层采用柔性高分子压电薄膜材料。上述结构中，所述电荷转换单元包括外接电容和外接电阻，所述电荷转换单元采用前级电缆与所述前级压电薄膜感知层连接，所述电荷转换单元采用后级电缆与所述后级压电薄膜感知层连接，所述外接电阻的阻值与所述前级电缆的等效电阻相等，所述外接电阻的阻值与所述后级电缆的等效电阻相等。为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，一种两级式微飞片冲击应力测试方法，包括：a.启动点火装置；b.记录前级压电薄膜感知层输出的电荷信号的峰值v1max，同时记录下该电荷信号的上升时间ts1，根据压电薄膜传感特性可以换算得到剪切微飞片的实际有效面积a1，具体如下：式中，k1为前级压电薄膜感知层的极化强度；c.记录后级压电薄膜感知层输出的另一电荷信号的峰值v2max，同时记录下该电荷信号的上升时间ts2；微飞片在加速膛内的平均速度v可以用式(2)计算得到；微飞片的冲击应力峰值pmax则可计算如下：式中，k2为后级压电薄膜感知层的灵敏度系数；k2通过霍普金森杆压力装置进行动态标定；将(1)式带入(3)式，得到微飞片的冲击应力峰值为：与现有技术相比本发明的有益效果在于：1.在微飞片穿孔时，利用前级压电薄膜感知层的去极化效应所形成的电信号可以准确获得微飞片的等效面积，便于评估换能元激发作用下微飞片形态，同时有利于准确测量微飞片的冲击应力；2.利用前级压电薄膜感知层的电荷信号、后级压电薄膜感知层的电荷信号所获得的上升时间差，结合加速膛尺寸在测量微飞片冲击应力的同时，还可以获得微飞片在加速膛内的平均速度；3.针对前级压电薄膜感知层，采用非金属导电墨水作为上电极层、下电极层可以大大降低前级压电薄膜感知层对微飞片穿孔时的力学影响。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明两级式微飞片冲击应力测试装置原理图；图2是前级压电薄膜感知层结构组成；图3为后级压电薄膜感知层结构组成；图4为电荷转换电路结构示意图；图5为冲击应力和电荷面密度表。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为了使本
技术领域：
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。如图1-4所示，一种两级式微飞片冲击应力测试装置，包括固定底座1，所述固定底座1的一侧安装点火装置2，所述固定底座1上依次安装有激发装置3、飞片靶材4、前级压电感知单元5、加速膛6和后级压电感知单元7，所述固定底座1的另一侧安装电荷转换单元8，所述前级压电感知单元5和所述后级压电感知单元7均与所述电荷转换单元8通信连接，所述电荷转换单元8依次通信连接有电荷放大单元9、多通道数据采集单元10以及数据信息存储单元11，将来自前级压电感知单元5和后级压电感知单元7的电荷信号存储到数据信息存储单元11。所述前级压电感知单元5具有前级压电薄膜感知层，所述前级压电薄膜感知层通过多次溶液旋涂集成于所述飞片靶材4的背面与所述飞片靶材4形成一个整体，且所述前级压电薄膜感知层平行布置于所述加速膛6的前端面。所述前级压电薄膜感知层包括采用高速旋涂工艺结合为一体的前级上电极层501、前级压电薄膜层502以及前级下电极层503，所述前级上电极层501和所述前级下电极层503均采用非金属导电墨水旋涂而成。所述后级压电感知单元7具有后级压电薄膜感知层，所述后级压电薄膜感知层平行布置于所述加速膛6的后端面。所述后级压电薄膜感知层包括依次设置的后级上封装层704、后级上电极层701、后级压电薄膜层702、后级下电极层703和后级柔性基底层705，所述后级上封装层704和所述后级柔性基底层705均采用薄质柔性的高分子薄膜材料，所述后级上电极层701和所述后级下电极层703均采用导电良好的金属溅射而成，所述后级压电薄膜层702采用柔性高分子压电薄膜材料。所述电荷转换单元8包括外接电容801和外接电阻802，所述电荷转换单元采用前级电缆与所述前级压电薄膜感知层连接，所述电荷转换单元采用后级电缆与所述后级压电薄膜感知层连接，所述外接电阻802的阻值与所述前级电缆的等效电阻相等，所述外接电阻802的阻值与所述后级电缆的等效电阻相等。如图1所示，结合工作原理具体说明一种两级式微飞片冲击应力测试方法，包括：a.启动点火装置，电爆炸炸箔产生冲击力；b.冲击力经过所述激发装置产生剪切力，剪切力对飞片靶材剪切破坏，形成一定尺寸的微飞片；c.微飞片对前级压电薄膜感知层进行穿孔；d.前级压电薄膜感知层输出一定的电荷信号，峰值大小为v1max，同时，记录下该电荷信号的上升时间ts1，根据压电薄膜传感特性可以换算得到剪切微飞片的实际有效面积a1，具体如下：式中，k1为前级压电薄膜感知层的极化强度；e.微飞片穿孔前级压电薄膜感知层后，经过长度为l的加速膛，动能进一步增加，并惯性撞击位于加速膛后端面的后级压电薄膜感知层，相应地，后级压电薄膜感知层输出另一电荷信号，同时，记录下该电荷信号峰值v2max，以及电荷信号的上升时间ts2；此时，微飞片在加速膛内的平均速度v可以用式(2)计算得到；而微飞片的冲击应力峰值pmax则可计算如下：式中，k2为后级压电薄膜感知层的灵敏度系数；k2通过霍普金森杆压力装置进行动态标定；将(1)式带入(3)式，得到微飞片的冲击应力峰值为：事实上，该微飞片冲击前级压电薄膜形成的穿孔面积与微飞片大小相当。由图5可以看出，后级压电薄膜感知层的电荷面密度输出大小与加载压力成正比，因此，可以测量微飞片的冲击应力。同时，该电荷面密度又与标定实验中加载物与后级压电薄膜感知层的接触面积密切相关。表1不同接触面积的压电感知层灵敏度系数统计值面积比灵敏度系数(μc/n)17.1070.65.8350.362.814结合表1可知，当与加载物的接触面积显著小于后级压电薄膜感知层的敏感面积时，即：面积比小于1时，灵敏度k2也会迅速下降，通过增置前级压电薄膜感知层等效换算微飞片接触面积则会显著增加后级压电薄膜感知层的测量精度。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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、部件拆分或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12