测量金属表面微喷射物质的同轴双极式电探针及测试电路的制作方法

本实用新型涉及光电瞬态测试电路领域，尤其涉及一种测量金属表面微喷射物质的同轴双极式电探针及测试电路。

背景技术：

目前，脉冲信号电探针测试电路是测试金属样品表面随时间运动的过程、研究冲击动力学特性及校验数值模拟程序的重要手段。在爆轰加载下当爆轰波到达金属表面并发生反射，会导致金属表面发生物质喷射、破碎、熔化等现象，物质出现分层现象，图1-1、图1-2为金属样品表面两种状态示意图，其中图1-1为第一种金属样品表面状态示意图，第一种金属样品表面状态示意图为微喷、基体两层结构示意图，第一种金属样品表面状态包括基体20和微喷区50，基体20与微喷区50之间的界面为密实物质界面30，微喷区50边缘为微喷射物质界面10；图1-2为第二种金属样品表面状态示意图，第二种金属样品表面状态示意图为微喷、微层裂、基体三层结构示意图，第二种金属样品表面状态包括基体20、微层裂区40和微喷区50，微喷区50与微喷区50之间的界面为密实物质界面30，微喷区50边缘为微喷射物质界面10。脉冲信号电探针是一种测量密实物质界面和微喷射物质界面的专用仪器，由于微喷射物质颗粒十分稀疏，最小可达5μm尺度级别，并且现有脉冲信号电探针测试电路采用的是单极探针，单极探针在爆轰物理实验中难以测试到微喷射物质颗粒，也就难以测试到微喷射物质界面10。在测试应用中，微喷射物质撞击在电探针端面，当一定密度微喷射物质撞击电探针端面会促使两极接通，从而导致电探针信号形成电路放电形成测试信号。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种测量金属表面微喷射物质的同轴双极式电探针及测试电路，具备深入微喷射物质层并响应金属样品的微喷射物质界面或/和密实物质界面的测试能力。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种测量金属表面微喷射物质的同轴双极式电探针，包括放电极、陶瓷管和地极，所述放电极与地极均由导电材料制造而成，所述陶瓷管由绝缘陶瓷材料制造而成，所述放电极外部紧密包裹有陶瓷管，所述陶瓷管外部紧密包裹有地极；所述放电极具有检测端A和连接端A，所述地极具有检测端B和连接端B，所述陶瓷管靠近放电极检测端A的一端端部为检测端C，所述陶瓷管远离放电极检测端A的另一端端部为连接端C；所述放电极的连接端A电连接有第一连接电缆，所述地极的连接端B电连接有第二连接电缆，所述放电极的检测端A、地极的检测端B、陶瓷管的检测端C三者相对应设置。

为了更好地实现本实用新型，所述放电极的检测端A、地极的检测端B、陶瓷管的检测端C三者端面平齐；所述放电极为漆包线，所述地极为铜管。

本同轴双极式电探针优选的技术方案是：所述陶瓷管的长度大于放电极的长度；所述陶瓷管的长度大于地极的长度。

本同轴双极式电探针优选的技术方案是：所述放电极、陶瓷管、地极均呈圆柱体形状。

一种由同轴双极式电探针所构成的测试电路，包括同轴双极式电探针和信号形成电路，所述第一连接电缆、第二连接电缆分别通过导线与信号形成电路电连接，所述第二连接电缆还通过导线接地；所述信号形成电路包括电压源E、第一电阻R_E、第二电阻R_p、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电阻R_s，所述第一电阻R_E的一端与电压源E连接，所述第二电阻R_p的一端分别与第一连接电缆连接，所述第二电阻R_p的另一端、第一电容C₁的一端、第二电容C₂的一端与第一电阻R_E的另一端连接，所述第一电容C₁的另一端、第二电容C₂的另一端与第三电阻R_s的一端连接，所述第三电阻R_s的另一端接地，所述第三电阻R_s的另一端还与第二连接电缆电连接。

本测试电路优选的技术方案是：所述第一电容C₁的电容值大于第二电容C₂的电容值。

所述第一电容C₁的电容值C按照下式进行计算：

根据上述公式可计算出第一电容的电容值C。上式中，T_恒压为预设的第一电容C₁的恒压时间，R_RP为第二电阻R_p的阻值，R_RS为第三电阻R_s的阻值，R_RX为被测物质R_X的阻值，ΔV_C1/V_C1始为恒压时间内的第一电容C₁的电压变化需求值，其中ΔV_C1为恒压时间内第一电容C₁电压的变化值，V_C1始为恒压时间内第一电容C₁电压的初始值。T_恒压为满足爆轰测试时间条件下预设的第一电容所需的恒压时间，可以将其设置为2μs，作为一种优选的方案，式中，第二电阻的阻值和第三电阻的阻值取50Ω，另外，本实用新型中，第二电容的电容值的选取与传统脉冲信号电探针电路取值方法相同，按照经验值，一般将第二电容的电容值取为510pF。根据阶跃信号的原理可知，上述阶跃信号电探针测试电路具有长时间放电能力，同时可以保证在测试时间内电探针的放电电压恒定，另外，大小电容并联的设计方案也可以保证电路具有良好的高频特性。

本测试电路优选的技术方案是：恒压时间内的第一电容C₁的电压变化需求值小于等于1％。

本测试电路优选的技术方案是：所述第二电阻R_p的阻值和第三电阻R_s的阻值均为50Ω。

本实用新型较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本实用新型的电路具有长时间放电能力，具备深入微喷射物质层并响应金属样品的微喷射物质界面或/和密实物质界面的测试能力。

(2)本实用新型同轴双极式电探针相对于传统单极式电探针的灵敏性更高，在微喷射物质界面处的微喷射物质撞击到同轴双极式电探针端面即可导致同轴双极式电探针提前放电，此时就可以读取出微喷射物质界面；然后当同轴双极式电探针端面接近密实物质界面时，物质密度突然升高，此时同轴双极式电探针也放电突变至较高，因此还可以读取密实物质界面，然后根据密实物质界面与微喷射物质界面即可得出微喷射物质区的宽度。

(3)本实用新型的放电极、陶瓷管和地极三者同轴设置，陶瓷管位于放电极与地极之间起到绝缘作用，当微喷射物质粘覆于双极式电探针检测端部以接通放电极与地极，这样就导致电探针信号形成电路放电形成测试信号，提高了检测灵敏性；并且放电极的检测端A、地极的检测端B、陶瓷管的检测端C三者端面平齐，使得同轴双极式电探针在检测端点位置处可以精准地响应到微喷射物质，以便于精确地确定出微喷射物质界面与密实物质界面。

(4)本实用新型在测试时间内电探针的放电电压恒定，从而可从电探针放电电压信号的幅值变化观察被测物质的电阻变化，具有识别微喷射物质和密实物质的能力。

附图说明

图1-1为在爆轰加载下金属样品表面第一种状态示意图；

图1-2为在爆轰加载下金属样品表面第二种状态示意图；

图2为本实用新型同轴双极式电探针的结构示意图；

图3为本实用新型的信号形成电路的电路原理图；

图4为双极式电探针测试电路与单极式电探针测试电路的测试波形对照图。

为本实用新型的结构示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1－放电极,2－陶瓷管,3－地极,4－第一连接电缆,5－第二连接电缆,6－信号形成电路，10－微喷射物质界面,20－基体,30－密实物质界面,40－微层裂区,50－微喷区。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明：

实施例

如图2～图4所示，一种测量金属表面微喷射物质的同轴双极式电探针，包括放电极1、陶瓷管2和地极3，所述放电极1与地极3均由导电材料制造而成，所述陶瓷管2由绝缘陶瓷材料制造而成，所述放电极1外部紧密包裹有陶瓷管2，所述陶瓷管2外部紧密包裹有地极3；所述放电极1具有检测端A和连接端A，所述地极3具有检测端B和连接端B，所述陶瓷管2靠近放电极1检测端A的一端端部为检测端C，所述陶瓷管2远离放电极1检测端A的另一端端部为连接端 C；所述放电极1的连接端A电连接有第一连接电缆4，所述地极3的连接端B 电连接有第二连接电缆5，放电极1的检测端A、地极3的检测端B、陶瓷管2 的检测端C三者相对应设置。

根据本实用新型的一个优选实施例，放电极1的检测端A、地极3的检测端 B、陶瓷管2的检测端C三者端面平齐；放电极1为漆包线，地极3为铜管。

根据本实用新型的一个优选实施例，陶瓷管2的长度大于放电极1的长度；所述陶瓷管2的长度大于地极3的长度。

根据本实用新型的一个优选实施例，放电极1、陶瓷管2、地极3均呈圆柱体形状。

一种由同轴双极式电探针所构成的测试电路，包括同轴双极式电探针和信号形成电路6，所述第一连接电缆4、第二连接电缆5分别通过导线与信号形成电路6电连接，所述第二连接电缆5还通过导线接地；所述信号形成电路6包括电压源E、第一电阻R_E、第二电阻R_p、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电阻 R_s，所述第一电阻R_E的一端与电压源E连接，所述第二电阻R_p的一端分别与第一连接电缆4连接，所述第二电阻R_p的另一端、第一电容C₁的一端、第二电容 C₂的一端与第一电阻R_E的另一端连接，所述第一电容C₁的另一端、第二电容C₂的另一端与第三电阻R_s的一端连接，所述第三电阻R_s的另一端接地，所述第三电阻R_s的另一端还与第二连接电缆5电连接。

根据本实用新型的一个优选实施例，第一电容C₁的电容值大于第二电容C₂的电容值。

第一电容C₁的电容值C按照下式进行计算：

上式中，T_恒压为预设的第一电容C₁的恒压时间，R_RP为第二电阻R_p的阻值，R_RS为第三电阻R_s的阻值，R_RX为被测物质R_X的阻值，ΔV_C1/V_C1始为恒压时间内的第一电容C₁的电压变化需求值，其中ΔV_C1为恒压时间内第一电容C₁电压的变化值， V_C1始为恒压时间内第一电容C₁电压的初始值。T_恒压为满足爆轰测试时间条件下预设的第一电容所需的恒压时间，可以将其设置为2μs，作为一种优选的方案，式中，第二电阻的阻值和第三电阻的阻值取50Ω，另外，本实用新型中，第二电容的电容值的选取与传统脉冲信号电探针电路取值方法相同，按照经验值，一般将第二电容的电容值取为510pF。根据阶跃信号的原理可知，上述阶跃信号电探针测试电路具有长时间放电能力，同时可以保证在测试时间内电探针的放电电压恒定，另外，大小电容并联的设计方案也可以保证电路具有良好的高频特性。

根据本实用新型的一个优选实施例，恒压时间内的第一电容C₁的电压变化需求值小于等于1％。

根据本实用新型的一个优选实施例，第二电阻R_p的阻值和第三电阻R_s的阻值均为50Ω。

本实用新型同轴双极式电探针的直径小，直径可接近0.6mm(同轴双极式电探针的直径大于0.6mm)，可适用于特殊结构、空间狭小的金属样品，也可用于测试微喷射物质界面轮廓变化大的应用场合。

本实用新型的工作原理如下：

本实施例在开展爆轰实验，使铅金属样品发生微喷射现象，具体地，铅金属样品表面粗糙度为0.8μm，铅金属样品尺寸为Φ25mm×4mm，高能炸药型号为JOB-9003，尺寸为Φ25mm×30mm，需要对比的的同轴结构双极式电探针和传统单极式电探针具有同样的界面高度和同样的距离中心半径。图3为本实用新型测量金属表面微喷射物质的同轴双极式电探针测试电路的原理图，其中 R_X为同轴双极式电探针，该信号形成电路6包括电压源E、第一电阻R_E、第二电阻R_p、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电阻R_s，所述第一电阻R_E的一端与电压源E连接，所述第二电阻R_p的一端分别与第一连接电缆4连接，所述第二电阻 R_p的另一端、第一电容C₁的一端、第二电容C₂的一端与第一电阻R_E的另一端连接，所述第一电容C₁的另一端、第二电容C₂的另一端与第三电阻R_s的一端连接，所述第三电阻R_s的另一端接地，所述第三电阻R_s的另一端还与第二连接电缆5 电连接。第一电容C₁的电容值C的计算公式为：

式中电阻R_p的阻值R_RP和电阻R_s的阻值R_RS取50Ω，T_恒压为电容C₁的恒压时间，取为2μs，R_RX为铅金属样品R_X的电阻，ΔV_C1/V_C1始为恒压时间内的电容C₁的电压变化需求值，其中ΔV_C1为恒压时间内电容C₁电压的变化值，V_C1始为恒压时间内电容C₁电压的初始值。另外，本实用新型实施例中，第二电容的电容值C₂取为510pF。

在微喷射爆轰实验中，两类电探针信号均受到微喷射物质的作用影响。典型的脉冲信号电探针和阶跃信号电探针对比测试波形有如下三类：(1)多次放电波形：阶跃信号电探针出现两次放电，第二次放电出现完整的阶跃信号，表示金属样品密实物质界面的到达，到达时间为23.90μs，而脉冲信号电探针出现一次脉冲信号，在金属样品密实物质界面到达后，脉冲信号电探针放电基本完毕而不能再次产生脉冲信号，采用脉冲信号电探针则会误判金属样品的密实物质界面到达时间；(2)电信号阶梯上升：阶跃信号电探针信号的电压呈现阶梯上升，并最后达到最高电平，表征金属样品密实物质界面的到达，到达时间为26.32μs，而脉冲信号电探针则出现多次放电现象，无法有效识别金属样品密实物质界面的到达；(3)高速微喷射物质导通：阶跃信号电探针和脉冲信号电探针均出现了多次放电现象，阶跃信号电探针最后出现了明显区别于前段瞬间放电脉冲信号的阶跃信号，表征金属样品密实物质界面的到达，到达时间为 18.90μs，而脉冲信号电探针出现多次相似的脉冲信号，无法识别金属样品密实物质界面的到达。而绝大多数脉冲信号电探针出现“不正常”放电波形，难以识别金属样品密实物质界面的到达。而本实用新型同轴双极式电探针测试电路的阶跃电探针信号存在高电平阶跃信号特征，可识别微喷物质对信号的影响部分和密实物质界面的到达。

从以上实施例可以看出，本实用新型实施例电路具有长时间放电能力，具备深入微喷射物质层并响应金属样品的微喷射物质界面和密实物质界面的测试能力；另外，在测试时间内电探针的放电电压恒定，从而可从电探针放电电压信号的幅值变化观察被测物质的电阻变化，具有识别微喷射物质和密实物质的能力；最后，放电回路具有良好的高频特性，可及时响应爆轰加载下高速飞片撞击过程。

通过如图2所示的测试电路进行测量金属表面微喷射物质时，随着时间的推移逐渐将测试电路中的同轴双极式电探针靠近金属表面进行测量金属表面微喷射物质，信号形成电路6所得到的波形结果如图4所示。如图4所示，本实用新型通过同轴双极式电探针以及由同轴双极式电探针所构成的测试电路测试出的波形结果如图4中的A1波形曲线，通过传统单极式电探针以及传统单极式测试电路测试出的波形结果如图4中的A2波形曲线；从A2波形曲线可以看出：传统单极式电探针以及传统单极式电探针测试电路只能反馈出T2时刻，其仅仅用于对爆轰加载下金属样品表面的密实物质界面30进行识别，其无法响应到微喷区50的微喷射物质的界面(即微喷射物质界面10)。从A1波形曲线中看出，同轴双极式电探针以及由同轴双极式电探针所构成的测试电路前于单极式电探针出现放电信号，在T1时刻就能出现放电信号，经过分析，T1时刻应为微喷区 50的微喷射物质撞击到双极式电探针端面导致双极式电探针提前放电，即可以反馈或响应到微喷射物质界面10。由于微喷区50的微喷射物质较为稀疏，因此放电电平较低，当电探针端面接近微层裂物质区时，物质密度升高，双极式电探针也放电到最高。因此通过双极式电探针的放电开始位置可读取出金属微喷射物质的微喷射物质界面10，然后接着可读取出金属微喷射物质的密实物质界面30(或者结合单极式电探针测试的密实物质界面30)，最后就可以表示出微喷区50微喷射物质的宽度。

本实用新型同轴双极式电探针相对于传统单极式电探针的灵敏性更高，在微喷射物质界面10处的微喷射物质撞击到同轴双极式电探针端面即可导致同轴双极式电探针提前放电，此时就可以读取出微喷射物质界面10；然后当同轴双极式电探针端面接近密实物质界面30时，物质密度突然升高，此时同轴双极式电探针也放电突变至较高，因此还可以读取密实物质界面30，然后根据密实物质界面30与微喷射物质界面10即可得出微喷射物质区的宽度。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。