一种测量爆轰驱动下飞片姿态的阶梯支架型探针元件及其测试方法与流程

本发明属于爆炸与冲击测试技术领域，涉及一种测量爆轰驱动下飞片姿态的阶梯支架型探针元件10及其测试方法。

背景技术：

平面或轴对称装药在金属元件表面发生爆炸后，高速膨胀的爆轰产物将直接作用在金属元件上，驱动平板或管壳做二维变形或飞行运动，最常见的便是爆炸焊接时滑移爆轰驱动下复板或圆管的加速运动。上述过程是一个非常复杂的二维爆轰驱动问题，研究该问题的主要实验方法有斜电阻丝法、电探针法、高速摄影法和x射线闪光照相法等。双斜电阻丝法是将裸电阻丝的一端固定于金属基板上，另一端穿过基板与示波器相连，中间将电阻丝支撑起，利用示波器记录上升段和下降段的持续时间可计算得到飞片的运动速度(参考：邵丙璜,张凯.爆炸焊接原理及其工程应用[m].大连:大连工学院出版社,1987：98-112.)，也有学者设计了类似结构的单斜电阻丝法(参考：smithegj,linsevd.theaccelerationcharacteristicsofexplosivelydrivenflyerplates[c].proc6thinternationalconferencehighenergyratefabrication,essen,germany,1977:1.1.1-15.)，只需利用上升段电阻丝也可以得到飞板的运动速度，但测试数据要相对少一些。斜电阻丝法虽然可以较方便地获得爆炸焊接中复板的运动参数，但由于使用的是悬空布置的裸电阻丝，一方面容易受爆炸和金属碰撞过程中电磁辐射、金属射流、空气冲击波等的干扰，并且由于飞板的碰撞，悬空的电阻丝会受到自身弯曲波扰动的影响，测试结果可能因此失效(参考：张凯,奚进一,杨文彬.连续斜电阻丝测量飞板速度时弯曲波影响的理论分析[j].爆炸与冲击,1986,6(1):30-38.)。电探针法是使用不同长度的接触式电探针沿金属飞板轴向或沿金属圆管环向布置，炸药起爆后飞行的金属元件依次接触电探针，示波器相应地记录下各探针的接触时间，从而可获得金属元件的飞行轨迹(参考：esens,nybergu,araih,etal.determinationoftheenergeticcharacteristicsofcommercialexplosivesusingthecylinderexpansiontesttechnique[r].swebrecreport2005,swedishblastingresearchcentreochtekniskauniversitet,luleā,sweden,2005.)。然而离散式电探针获得的实验数据非常有限，这将影响后续飞板或圆管飞行姿态、速度求导等数据分析的精度，并且大量的探针线路也容易出错。高速扫描相机可以客观记录物体的高速运动过程，广泛应用于各类爆轰与驱动性能的研究，最典型的就是基于高速摄影技术的标准圆筒试验(参考：catanachr,hilll,harryh,etal.cylindertestspecification[r].la-13643-ms,losalamosnationallab.,losalamos,nm(usa),1999.)。利用短脉冲的x射线同样可获得高速运动状态的物体在指定时刻的瞬时图像，这种方法称为x射线闪光照相法(参考：smithegj,laberd,linsevd.explosivemetalaccelerationstudiesusingflashx-raytechniques[c].proceedings3rdinternationalconferenceofthecenterforhighenergyforming,vail,colorado,1971:1.4.1-26.)。上述高速摄影技术尽管原理上更客观可信，但实际操作中设备繁杂，测试条件苛刻，实验成本也较高，并且在对底片进行数据处理时人为误差大，尤其是对波头位置的精确判定存在较大困难。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种用于测量爆轰驱动下飞片姿态的阶梯支架型探针元件及其测试方法，使其能够有效地用于测量驱动飞片的运动时程轨迹，并且能便于制作加工和使用。

本发明的技术方案如下：

一种测量爆轰驱动下飞片姿态的阶梯支架型探针元件，其主体结构为阶梯形支架4，包括上台阶面、倾斜面和下台阶面，上台阶面和下台阶面之间由倾斜面过度连接为一体；阶梯形支架4的上台阶面、倾斜面和下台阶面的表面从外到内依次敷设屏蔽层3和齿状结构层2；

对折的漆包电阻丝1沿齿状结构层2铺设，从上台阶面延伸至下台阶面，并从下台阶面末端引至侧面形成两个输出端5；利用导电薄膜作为屏蔽层3，将漆包电阻丝1包覆固定；

齿状结构层2采用金属丝网、碳化钨颗粒或具有一定粗糙度的颗粒状导电涂层；

齿状结构层2的齿距为0.05～0.2mm，齿高与漆包电阻丝外部的漆包层厚度比为5～20；

阶梯形支架4的材料选择金属、硬质有机物(包括但不限于：有机玻璃、电木、赛钢)等；

倾斜面与水平面的夹角在10°～80°之间；

阶梯形支架4的厚度为1～20mm；

上台阶面和下台阶面的阶梯高度差为0.5～1.5倍装药厚度。

阶梯支架型探针元件测量爆轰驱动下飞片姿态的方法，步骤如下：

步骤1：将阶梯支架型探针元件10沿爆轰波前进方向粘贴固定于待测飞片的外表面(装药的另一侧)，其上台阶一侧朝向起爆端，利用同轴电缆12使阶梯支架型探针元件10的输出端5与信号采集仪13相连，接口处使用屏蔽层3包覆；

步骤2：在待测飞片上铺设或填充炸药7，起爆端插入雷管6；

步骤3：开启信号采集仪13并设置试验参数后起爆炸药，通过信号采集仪13记录阶梯支架型探针元件10的电阻值变化引起的电压或电流信号曲线；

步骤4：将电信号换算为电阻丝导通的时程曲线，利用阶梯支架型探针元件10上台阶面电阻丝的数据获得炸药的爆速，利用倾斜面电阻丝的数据计算飞片的飞行轨迹，利用下台阶面电阻丝的数据获得炸药的对比爆速。

本发明的有益效果：

1)由于所发明探针元件在原理上改为刺穿导通电阻丝，为一种通用的传感元件，可连续测量滑移爆轰波的传播速度和飞片的运动速度，并且也不局限于金属飞片姿态的测量。

2)所发明探针元件大幅降低了电磁辐射、金属射流、空气冲击波以及电阻丝自身弯曲波等杂波干扰对测试结果的影响，提高了测试方法的可靠性。

3)所述飞片姿态测量方法只需直接将探针元件固定在待测飞片表面即可进行测量，省去了其他方法复杂的前期实验准备，大幅降低了操作难度和适用范围，适于实际爆破或爆炸的现场测量。

附图说明

图1(a)是本发明所述的阶梯支架型探针元件结构示意图；

图1(b)是本发明所述的阶梯支架型探针元件的局部放大图。

图2是本发明所述测试方法的平板飞行姿态测量装置示意图。

图3是本发明所述测试方法的圆筒飞行姿态测量装置示意图。

图4是阶梯支架型探针元件测量得到的平板运动时程曲线。

图5是阶梯支架型探针元件测量得到的圆管运动时程曲线。

图中：1漆包电阻丝；2齿状结构层；3屏蔽层；4阶梯形支架；5输出端；6雷管；7炸药；8平板；9支撑；10阶梯支架型探针元件10；11基板；12同轴电缆；13信号采集仪；14圆管；15框架；16底座。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例1制作阶梯支架型探针元件

制作阶梯支架型探针元件：首先将6mm厚的有机玻璃片切割成如图1所示的阶梯形，其中上台阶面长100～200mm，高20～100mm，下台阶面长0～200mm，高0～20mm，倾斜面倾角为45°；在有机玻璃阶梯面上依次连续地粘贴敷设一层铜箔和不锈钢丝网，其中不锈钢丝网为60目，丝径0.12mm，孔径0.25mm；将直径0.08mm，漆包层厚度约0.016mm，单位长度电阻值为279ω/m的漆包电阻丝对折拧成一股后沿不锈钢丝网轴向铺设，并用铜箔包覆屏蔽，用时挤压出内部空气，漆包电阻丝的两端固定搭接在下台阶侧面形成两个输出端。

实施例2利用实施例1的探针元件进行平板飞行姿态测量试验

阶梯支架型探针元件的具体尺寸为：上台阶面长100mm，高25mm，下台阶面长200mm，高5mm，倾斜面倾角为45°；实验装置按图2设计，复板和基板采用冷轧钢板，长800mm，宽200mm，厚2mm，首先将基板放置于平整的沙地上，使用强力胶将阶梯支架型探针元件固定在基板上表面中心位置，探针元件头部(上台阶面一侧)距离起爆端300mm，将同轴电缆一端连接至探针元件的输出端，并使用铝箔粘贴屏蔽；使用硬纸板在复板上表面粘贴高20mm的药框，并利用高25mm的薄铝片将复板支撑在基板正上方，向药框内均匀装填铵油炸药至与药框齐平；检查探针元件是否完整无损坏后，将同轴电缆另一端与信号采集仪相连，并设置相应参数；在起爆端安插雷管后引爆炸药，采集到实验曲线如图4所示。从图中可见，曲线光滑无毛刺，解决了裸电阻丝法易产生杂波干扰和弯曲波效应的问题，并且可以同时获得炸药爆速和复板运动的连续变化过程。

实施例3利用实施例1的探针元件进行圆管飞行姿态测量试验

阶梯支架型探针元件的具体尺寸为：上台阶面长100mm，高45mm，下台阶面长5mm，高5mm，倾斜面倾角为45°；实验装置按图3设计，铜管材料为紫铜，外径为30.4mm，厚2.5mm，长300mm，内部均匀填充一定密度的粉状rdx，使用强力胶将阶梯支架型探针元件固定在木质框架上，然后将其与铜管夹紧固定成一个整体，并安装于底座上；框架高度为250mm，即探针元件头部(上台阶面一侧)距离起爆端50mm，将同轴电缆一端连接至探针元件的输出端，并使用铝箔粘贴屏蔽；检查探针元件是否完整无损坏后，将同轴电缆另一端与信号采集仪相连，并设置相应参数；在起爆端安插雷管后引爆炸药，采集到实验曲线如图5所示。从图中可见，曲线仍然光滑无毛刺，利用前一段数据可以获得炸药的爆速，利用后一段数据可获得铜管膨胀的连续变化过程，并且实验的操作复杂度和成本远低于高速摄影法。