一种PVDF电荷模式测试爆炸冲击载荷时并联电容值的确定方法

本发明涉及爆炸冲击载荷测量领域，具体涉及一种pvdf电荷模式测试爆炸冲击载荷时并联电容值的确定方法。

背景技术：

1、爆炸冲击载荷的测量可以完整的反映施加于特定物体上的全部加载过程，其对于了解各类材料或结构的动态力学性能具有重要作用，因此其对岩石爆破工程、终点效应分析等相关领域的研究有重要意义。聚偏氟乙烯pvdf压电薄膜由于灵敏度高、柔韧性好、能够适应多种复杂的测试环境等优点，是目前冲击载荷测量领域中最为常用的传感器之一。

2、在进行爆炸冲击载荷测试时，由于输出信号直观、无需积分即可反映应力变化、易于估算量程等优点，最常用的方法就是将一合适大小的电容与pvdf并联形成通路，即所谓的“电荷模式”，此时认为并联电容两极板上的电荷即为pvdf在冲击载荷作用下释放的电荷量。

3、目前在进行爆炸冲击载荷测试时，并联电容值对测试结果的影响并未得到认真的考虑，通常是按照以往的经验简单的采用相对固定的10-100nf。事实上，由于pvdf本身的电容、测试电路中寄生电容以及外部干扰等因素，pvdf在爆炸冲击载荷作用下产生的电荷会广泛的分布于测试电路中，作为电荷模式中最为关键的部件之一，并联电容值将会显著的影响测试电路中电荷分布特性，从而对测试结果产生影响。并且由于干扰电容均以并联的形式存在于测试电路中，因此选择较大的并联电容值可以显著降低其影响，然而其值过大时将会导致较小的测试信号，从而导致测试结果一方面易受环境噪声的干扰，降低测试的准确度，另一方面低电压信号会导致测试结果的分辨率降低。

4、因此，为提高准确度，降低其他因素的影响，在实际测试时应根据具体的测试条件选择合适的并联电容，从而提高测试结果的准确性和可靠性。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出了一种pvdf电荷模式测试强冲击载荷时并联电容值的确定方法，

2、为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

3、一种pvdf电荷模式测试爆炸冲击载荷时并联电容值的确定方法，包括以下步骤：

4、第一步：确定测试所需精度要求p，选择具备一定厚度和面积的pvdf传感器，并测试其电容值cp，然后将并联电容c1通过导线并联至其两端，同时将示波器并联至c1两端；

5、第二步：确定模拟爆炸载荷的冲击试验装置，并将pvdf传感器安装于待测位置，对pvdf施加一定的冲击载荷，通过示波器采集冲击载荷作用下并联电容两端电压时程曲线v-t，示波器在使用之前应将其输入阻抗设置为1mω，量程应根据c1不同进行相应调整从而降低零点漂移导致的误差，采样率应满足香农采样定理；

6、第三步：结合传统电荷模式计算方法，得到冲击加载过程中并联电容c1两极板上累计电荷q随时间t的变化过程以及最大电荷量qmax；

7、q＝c1v

8、第四步：重复步骤2-3，改变与pvdf并联的电容值c1，保持试验环境及所施加的冲击荷载不变，并得到不同c1条件下的q-t曲线以及qmax；

9、第五步：利用组内相关性系数icc计算q-t曲线的重复性，利用变异系数cv评价最大电荷qmax变异程度，若两个评价结果不满足测试精度需求p，则应剔除离散程度高的数据组并重新计算剔除后数据组icc以及cv；

10、第六步：重复步骤5逐步剔除数据直至icc以及cv满足p，从而确定该试验条件下合理的并联电容取值范围cl<c1<cu，此时pvdf在爆炸冲击载荷作用下产生的电荷可近似认为均集中于并联电容两极板，分布于测试电路中其他部分的电荷量可以忽略，通过传统电荷模式计算方法可以准确的得到施加于pvdf的爆炸等冲击载荷。

11、进一步改进：第二至四步中需要得到pvdf连接不同并联电容时电荷输出特性，因此应尽量降低所施加的冲击载荷的离散性，然而对于某些试验装置其冲击载荷的可重复性可能相对较差，例如霍普金森压杆shpb，其重复实验的峰值应力很难保持一致，此时可以通过应变片等装置测试峰值应力，然后以峰值应力对输出电荷进行标准化，以单位应力的icc以及cv进行评价。

12、进一步改进：在电荷模式中，并联电容过大或过小均会降低式(1)的准确性，因此第五步中，应根据所有数据的q-t曲线以及qmax首先定性的确定大致的合理电容范围，然后按照大小的顺序，首先剔除数据组中电容值过大以及过小的试验结果，最终逐步确定合理并联电容取值范围。

13、进一步改进：第五步中用于评价q-t曲线重复性的icc在计算时应采用双向随机模型，绝对一致类型，单一测量估算结果。

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

15、1、本发明考虑了pvdf电容、测试电路寄生电容、外部干扰等因素对pvdf电荷在测试电路中分布特性的影响，并联合统计参数定量评价其影响大小，基于此确定合理并联电容取值范围，本发明提供的方法避免了以往忽略测试条件而简单的采用固定并联电容所引起的误差，对于提高测试结果的准确性和可靠性有较大意义。

16、2、本发明利用冲击试验装置模拟了爆炸冲击载荷的产生，规避了爆炸测试环境复杂、试验结果重复性不强的缺点；同时本发明是对连接不同并联电容时输出信号的重复性及变异程度进行检验，因此其仅要求所施加的冲击载荷具有相似的加载波形，当重复冲击的峰值荷载可以保持不变时并不要求其已知，但是当峰值荷载难以保持不变时，也可以首先通过荷载峰值对输出信号标准化，然后对标准化后的结果进行可靠性和稳定性的评价。本发明具有便于操作，适用性广等优点。

技术特征：

1.一种pvdf电荷模式测试爆炸冲击载荷时并联电容值的确定方法，其特征在于包括以下步骤：

2.如权利要求1所述一种pvdf电荷模式测试爆炸冲击载荷时并联电容值的确定方法，其特征在于：第二至四步中需要得到pvdf连接不同并联电容时电荷输出特性，降低所施加的冲击载荷的离散性，通过应变片等装置测试峰值应力，然后以峰值应力对输出电荷进行标准化，以单位应力的icc以及cv进行评价。

3.如权利要求1所述一种pvdf电荷模式测试爆炸冲击载荷时并联电容值的确定方法，其特征在于：因此第五步中，根据所有数据的q-t曲线以及qmax首先定性的确定大致的合理电容范围，然后按照电容大小的顺序，首先剔除数据组中电容过大以及过小的试验结果，最终逐步确定合理并联电容取值范围。

4.如权利要求1所述一种pvdf电荷模式测试爆炸冲击载荷时并联电容值的确定方法，其特征在于：第五步中用于评价q-t曲线重复性的icc在计算时应采用双向随机模型，一致类型，单一测量估算结果。

技术总结
本发明公开了一种PVDF电荷模式测试爆炸冲击载荷时并联电容值的确定方法，本方法利用冲击试验装置模拟爆炸载荷，并对PVDF施加相同的冲击载荷，每次试验分别将PVDF与不同电容并联，其次结合组内相关性系数以及变异系数分别对测试结果的重复性和变异性进行评价，当评价结果满足预先确定的测试精度需求时，可以认为测试电路电气特性对电荷分布的影响可以忽略，即确定了并联电容的合理取值范围，此时传统电荷模式计算方法得到的爆炸冲击载荷才是准确的。本方法规避了以往采用固定并联电容而忽略测试电路以及测试环境的影响所带来的缺陷，可以得到更准确的输出电荷，从而改善PVDF冲击载荷测试的精确度及其适用范围。

技术研发人员：李启月,王爱华,崔雪姣,黄兴,田军,李麟,侯胜心,唐虹靖,马晶晶
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12