兩種組合電探針在爆轟實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

金山，湯鐵鋼，陳永濤，李慶忠，王健

(中國(guó)工程物理研究院 流體物理研究所，四川 綿陽(yáng)621900)

0 引言

利用電探針測(cè)量爆轟陣面、沖擊波陣面或運(yùn)動(dòng)物體表面到達(dá)預(yù)定位置的時(shí)間，是爆轟實(shí)驗(yàn)中常用測(cè)試手段之一［1］。1945年，Roberts 和Nedzed 即利用電探針測(cè)量了鋼中的沖擊波速度和自由表面速度。1955年Minshall 利用光桿探針測(cè)量了鋼中彈性波和塑性波的波速。1965年Richard 等研究了蓋帽式電探針，彌補(bǔ)了光桿探針不能測(cè)量非導(dǎo)體材料沖擊波速度的缺點(diǎn)。隨著電探針測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，探針的種類、應(yīng)用范圍、測(cè)試精度及效率也進(jìn)一步提高，如時(shí)間分辨率為亞納秒級(jí)的同軸探針技術(shù)［2］、可在一發(fā)實(shí)驗(yàn)中得到更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高密集度小型組合探針技術(shù)［3］等。

本研究同時(shí)采用縱向多臺(tái)階組合探針和橫向多層次組合探針測(cè)試平面爆轟波驅(qū)動(dòng)的金屬飛片到達(dá)某點(diǎn)的時(shí)刻，同時(shí)利用雙靈敏度VISAR 取得飛片的實(shí)時(shí)自由面速度及位移歷史，對(duì)比不同組合電探針的測(cè)試結(jié)果，同時(shí)與VISAR 測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，探索研究不同組合電探針在爆轟實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

1 平面爆轟波驅(qū)動(dòng)金屬飛片實(shí)驗(yàn)

1.1 電探針簡(jiǎn)介

爆轟實(shí)驗(yàn)中常用電探針有光桿探針、同軸探針、蓋帽探針、彈簧探針等［4］。當(dāng)爆轟波、沖擊波和飛片等到達(dá)或接近電探針敏感部分所在剖面時(shí)，電探針開關(guān)狀態(tài)突變，并輸出信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)主要包括電探針、脈沖形成網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)傳輸與記錄、數(shù)據(jù)處理等。圖1為電探針測(cè)試系統(tǒng)中常用的脈沖形成網(wǎng)絡(luò)等效電路示意圖。

圖1 脈沖形成網(wǎng)絡(luò)等效電路示意圖Fig.1 RLC circuit diagram

圖2為電探針得到的典型開關(guān)信號(hào)。

圖2 電探針典型信號(hào)圖像Fig.2 Representative signal image

單個(gè)探針只能測(cè)得目標(biāo)到達(dá)某一點(diǎn)的時(shí)刻，為了在一次實(shí)驗(yàn)中取得更多的信息，可用組合探針進(jìn)行測(cè)試。常用探針組合方法有縱向多臺(tái)階組合探針和橫向多層次組合探針?？v向組合探針即在一個(gè)點(diǎn)布置多根探針，同時(shí)測(cè)量一個(gè)點(diǎn)多個(gè)層面的數(shù)據(jù);橫向組合探針是在多個(gè)點(diǎn)布置探針，每個(gè)點(diǎn)只布置一根探針，探針可以布置在同一層面或多個(gè)層面，同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。利用炸藥透鏡產(chǎn)生平面爆轟波驅(qū)動(dòng)金屬飛片，利用兩種組合探針記錄飛片到達(dá)某個(gè)剖面的時(shí)刻，利用雙靈敏度VISAR 記錄飛片自由面速度。雙靈敏度VISAR 的條紋常數(shù)分別選取350 m/(s·Fr)、450 m/(s·Fr).

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Sketch of experiment setup

1.3 探針布局

組合電探針布局如圖4所示。橫向組合探針共3 組，每組2 個(gè)，3 組探針?lè)謩e距離飛片表面5 mm、10 mm、15 mm.縱向組合探針共3 個(gè)臺(tái)階，距離飛片表面分別為10 mm、15 mm、20 mm.

圖4 組合探針布局示意圖Fig.4 Combination probe array

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同組合的電探針測(cè)試結(jié)果對(duì)比

在距炸藥透鏡中心100 mm 的圓周上選取兩個(gè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，以減少炸藥透鏡本身波形差的影響，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均布有兩種不同組合的電探針。表1即為電探針測(cè)得的飛片到達(dá)某一剖面時(shí)刻，其中s為飛片到某一剖面的距離，t1、t2分別為每對(duì)橫向組合探針測(cè)得的飛片到達(dá)時(shí)間，tv為縱向組合探針測(cè)得的飛片到達(dá)時(shí)間。

表1 組合探針測(cè)試結(jié)果Tab.1 Experiment results measured by combination probe

從表1中可以看出，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的t1和t2在同一剖面的差值為0.01～0.02 μs，考慮到所用電探針導(dǎo)通時(shí)間為0.01～0.02 μs，可以認(rèn)為同一剖面每組橫向組合探針的測(cè)試結(jié)果一致。

兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的縱向組合探針第1 臺(tái)階，即距離飛層10 mm 處，與同側(cè)點(diǎn)的橫向組合探針的測(cè)試結(jié)果最大差值為0.02 μs，表明縱向組合探針的第1 臺(tái)階探針與橫向組合探針測(cè)試結(jié)果一致;兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的縱向組合探針的第2 臺(tái)階探針，即距離飛層15 mm處，與同測(cè)點(diǎn)的橫向組合探針的測(cè)試結(jié)果差值為0.14～0.18 μs，與第1 臺(tái)階探針相比，差異明顯增大。

分析認(rèn)為，造成這種結(jié)果的原因是探針對(duì)飛片運(yùn)動(dòng)的干擾。橫向組合探針由于前后級(jí)橫向距離大，前級(jí)對(duì)后級(jí)干擾小，而縱向組合探針前后級(jí)橫向間距極小，前級(jí)對(duì)后級(jí)的干擾明顯加大。

2.2 電探針與VISAR 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

利用雙靈敏度VISAR 測(cè)得的飛片自由面速度-時(shí)間曲線如圖5所示。圖中兩條曲線分別為條紋常數(shù)選取350 m/(s·Fr)、450 m/(s·Fr)時(shí)的測(cè)試結(jié)果。

表2為兩種組合電探針與VISAR 測(cè)得的飛片到達(dá)固定剖面的時(shí)刻，其中s 為飛片到固定剖面的距離，th1、th2分別為兩個(gè)測(cè)點(diǎn)每組橫向組合探針測(cè)得的到達(dá)時(shí)間均值，tv1、tv2分別為兩個(gè)測(cè)點(diǎn)縱向組合探針測(cè)得的到達(dá)時(shí)間，t 為雙靈敏度VISAR 測(cè)得的到達(dá)時(shí)間(兩個(gè)條紋常數(shù)測(cè)試結(jié)果均值)。

考慮到測(cè)試電纜及測(cè)試光纖的傳輸時(shí)間差(約0.12 μs)，修正后的結(jié)果對(duì)比如圖6所示。其中曲線為VISAR 測(cè)得的飛片自由面速度-時(shí)間曲線積分得到的位移-時(shí)間曲線，h1、h2分別為兩個(gè)測(cè)點(diǎn)橫向組合探針測(cè)試數(shù)據(jù)，v1、v2 分別為兩個(gè)測(cè)點(diǎn)縱向組合探針測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖5 VISAR 測(cè)得的飛片自由面速度-時(shí)間曲線Fig.5 v-t curves measured by VISAR

表2 飛片到達(dá)固定點(diǎn)的時(shí)刻Tab.2 Time when the flyer arrived at some point

圖6 組合探針與VISAR 測(cè)試結(jié)果Fig.6 Experiment results measured by combination probe and VISAR

經(jīng)過(guò)修正后，測(cè)點(diǎn)1 的橫向組合探針與VISAR在5 mm、10 mm、15 mm 處測(cè)試結(jié)果差值分別為0.21 μs、0.20 μs、0.22 μs，最大偏差為0.71%;縱向組合探針與VISAR 在10 mm、15 mm、20 mm 處測(cè)試結(jié)果差值分別為0.21 μs、0.07 μs、-0.05 μs，最大偏差為0.67%.

測(cè)點(diǎn)2 的橫向組合探針與VISAR 在5 mm、10 mm、15 mm 處測(cè)試結(jié)果差值分別為0.29 μs、0.29 μs、0.30 μs，最大偏差為0.98%;縱向組合探針與VISAR 在10 mm、15 mm、20 mm 處測(cè)試結(jié)果差值分別為0.28 μs、0.12 μs、-0.01 μs，最大偏差為0.90%.

由于電探針與VISAR 兩套測(cè)試系統(tǒng)之間存在系統(tǒng)誤差，此處差值只能表明相對(duì)偏差，而非絕對(duì)偏差。

3 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以得到以下結(jié)論:

1)縱向組合探針的第1 臺(tái)階探針與橫向組合探針的測(cè)試結(jié)果一致，第2 臺(tái)階探針與橫向組合探針的測(cè)試結(jié)果存在偏差，隨著縱向組合探針臺(tái)階的增加，與橫向組合探針的偏差增大。造成這種結(jié)果的原因是探針對(duì)飛片運(yùn)動(dòng)的干擾。橫向組合探針由于前后級(jí)橫向距離大，前級(jí)對(duì)后級(jí)干擾小，而縱向組合探針前后級(jí)橫向間距極小，前級(jí)對(duì)后級(jí)的干擾明顯加大。

2)測(cè)點(diǎn)1 處橫向組合探針及縱向組合探針與VISAR 的測(cè)試結(jié)果最大偏差分別為0.71%、0.67%;測(cè)點(diǎn)2 處橫向組合探針及縱向組合探針與VISAR 的測(cè)試結(jié)果最大偏差分別為0.98%、0.90%.

總之，橫向組合探針能夠能更精確地測(cè)量單點(diǎn)的數(shù)據(jù)，但只能測(cè)得固定點(diǎn)的一個(gè)剖面的數(shù)據(jù);縱向組合探針能夠測(cè)量固定點(diǎn)多個(gè)剖面的數(shù)據(jù)，但后續(xù)臺(tái)階會(huì)受到前面臺(tái)階的影響，從而增大誤差。橫向組合探針可以和縱向組合探針一起，組成更復(fù)雜的多層次探針陣列，以獲得多個(gè)面上不同點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

References)

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