CN105043634B - 一种炮孔内***爆轰压力的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测量实际炮孔中***爆轰压力的方法。其特点是采用连续电阻丝探针作为测量爆轰波与冲击波的传感元件，用对比介质和电阻丝探针制成一种***爆压测试的集总传感器，同时测量出***爆轰波与对比介质中的冲击波传播轨迹，用阻抗匹配法原理计算出***爆轰压力。集总传感器可将其直接安放在实际工程***的炮孔中，在进行工程***的同时测量出***爆速与爆压。由于测试方法只需要一条测试回路，在工程现场使用方便，也更加经济实用，适于水下***、大药量***等极端条件下的测试；测试方法中能够连续观测对比介质中冲击波的衰减过程，对于阻抗匹配法中的冲击波直线段不再需要理论估算，测试结果更加可靠。
Description
技术领域
本发明属于***技术领域，涉及一种***爆轰压力的测量方法，尤其是指一种在***现场直接测量实际炮孔中***爆轰压力的方法。
背景技术
***爆轰压力简称：爆压是***、***效应研究、***工程中的重要参数。迄今为止，人们已经发展了很多测量***爆轰压力的方法，大致分为直接测量和间接比较测量两类方法。***爆压直接测量的典型方法之一，是在***中直接埋设锰铜片等压力传感器的压阻法[熊昌彦，电磁法和压阻法同时测量爆压的探索[J]，***与冲击，1984，4(3):79-81.]，通过电路测量压阻片的电阻变化进而测量出***爆压。另一种爆压的直接测量方法是电磁法[1]，将***置于固定场强的磁场中，在其中埋设拉氏粒子速度计，在***爆轰时速度计与爆轰气体一起运动，速度计切割磁力线产生电信号记录下爆轰气体运动速度，可根据所测爆轰气体速度计算出***爆压。还有在***中直接埋设光纤光栅用激光干涉来测量爆压的研究[魏林,***爆轰压力测试技术研究[D]，中北大学硕士论文导师：王高，2012.]。以上几种方法的优点是可以直接测量得到爆轰压力，测试结果可靠。但压阻法的压阻片很容易被***破坏，尤其是粉状***和粒状***中的局部微射流和热点会很快破坏压阻片，以至于压阻法很难用于测量粒状和粉状***爆压。电磁法则是必须在***外设置固定的磁场，测量装置复杂，通常也只是用于军事***在实验室内的测试。尽管光纤光栅激光干涉测试是一种很有前景的方法，但目前技术尚不成熟。还有一种直接测量炮孔中***爆压的方法是在***中放置电气石一类的压电晶体传感器[廖先葵等，深孔内含水***爆速和相对爆压的现场测试研究[J]，工程***，1999，5(3):6-10.]，这种方法有两个缺点，其一是电气石等压电晶体传感器在1.0～10.0GPa的爆轰压力量级下的测量结果的有效性；其二是每次试验都会炸毁消耗昂贵的压电晶体传感器，测试成本很高。
***爆压的间接比较的测量方法很多，其基本原理都是基于阻抗匹配法的，即将***放置在对比介质上引爆，通过测量爆轰传入到对比介质中的冲击波速度或波后质点速度来求得***爆压。这种方法常按所使用对比介质不同分为：有机玻璃法[曾贵玉,高大元等，有机玻璃法测试硝铵***的爆压[J]，兵工学报，2009,30(5):541-545.]、水箱法[薛彭寿，王淑萍，大药量水箱法测定***爆轰压力的研究[J]，火***，1992，(2)：10-19.]、二碘甲烷法[于德洋，对一种新的爆压测试方法—二碘甲烷法—的研究[J]，***与冲击，1985，5(2):69-72.]、空气法[富治荣，陈勇富，利用空气激波法测量工业***爆轰压力[J]，矿冶工程，1984，4(3)：1-8.]等等；按在对比介质中所测量的位置与参数不同分为测量波速、自由面质点速度和***与对比介质交界面速度；所采用的测试手段多为高速摄影、光探针、激光干涉测速、电探针等等。如：有机玻璃法、水箱法、二碘甲烷法、空气法等透明介质都可以使用高速摄影测量冲击波，同样也可以使用电探针[郑锋等,用水箱电探针法测定工业***的爆轰压力[J]，煤矿安全，2003，34(6):40-42.黄寅生等,用硫磺盖帽电探针测定工业***爆轰压力[J]，***器材，1994，32(6):1-4.]或光探针测量[于德洋，对一种新的爆压测试方法—二碘甲烷法—的研究[J]，***与冲击，1985，5(2):69-72.]冲击波速度。也有用激光位移干涉测速仪DISAR测量界面质点速度的确定爆压的方法[黄文斌等，TA01***爆压测量[C]，2014年含能材料与钝感弹药技术学术研讨会论文集，2014：488-489.]。由上可见，阻抗匹配法对所采用的对比介质并无太大限制，理论上对比介质的声阻抗越接近***，所测得的爆压越精确；再者，由所采用的测试方法决定所使用对比介质的性质，如：光测法DISAR、高速摄影需采用透明介质等。阻抗匹配法的优点是适用范围广，可采用的测试手段也较多，但大多数的测试***都较为复杂，所以目前的爆压测量技术几乎全部是用于实验室内的***性能研究。
众所周知，很多***的爆轰是在非理想状态的，尤其是工业混合***，即便是***成分、混合均匀性、粒度等***制造参数已经确定后，其爆轰性能依然受装药尺寸、装填密度、干湿度、温度、环境压力、被***物性质等外部环境条件的影响很大，地面实验室内小药量的爆轰试验结果直接用于实际***工程中往往会有很大的误差。而目前精确的***工程设计与质量控制急需确定***在实际工程使用条件下的爆轰性能，为此，本专利发明了一种直接在现场炮孔孔内测量***爆压的方法，以解决实际工程需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量实际炮孔中***爆轰压力的方法，以解决实际工程需求。
本发明的技术方案是，采用连续电阻丝探针作为测量爆轰波与冲击波的传感元件，用阻抗匹配法原理同时测量出爆轰波与对比介质中的冲击波传播轨迹，进而计算获得***爆轰压力。即在炮孔***的上部安放一段对比介质，在其中部布置一根连续电阻丝探针，使该电阻丝探针的一部分埋在***中，另一部分埋在对比介质中。当炮孔中***自下而上爆轰时，由***中的电阻丝探针部分测量得到***的爆速，对比介质中的探针部分记录下其中的冲击波轨迹；然后，用阻抗匹配原理由爆速和冲击波速度计算得到***的爆压。
一种炮孔内***爆轰压力的测量方法，步骤如下：
制作集总***爆压传感器7，根据炮孔直径制用于装填对比介质和***的圆柱壳容器1，在圆柱壳容器1中部设置隔板2，沿圆柱形容器1的中轴线穿过隔板2安装连续电阻丝探针3；在连续电阻丝探针3尾端所在的后半段圆柱壳容器1中注满对比介质4，连续电阻丝探针3尾端在集总***爆压传感器7由探针尾端接线6，连续电阻丝探针3头端所在的前半段圆柱壳容器1为预留的***装填区5；
将集总***爆压传感器7的***装填区5中装满***8，连接测量线路，然后将集总***爆压传感器7装入装有***与***的炮孔中，并与炮孔中的***紧密接触，最后填塞炮孔；将测量线路与采集记录仪连接，并将采集记录仪设置预触发状态，等待记录；
当炮孔被起爆后，采集记录仪记录连续电阻丝探针3的阻值随时间变化曲线，集总***爆压传感器7的前半段埋设有***中的连续电阻丝探针3段记录***爆轰波的传播轨迹；集总***爆压传感器7的后半段埋设在对比介质4中的连续电阻丝探针3段测得冲击波在对比介质4中的传播轨迹；最后得到爆轰波速度和冲击波速度，用冲击波阻抗匹配原理计算出***爆轰压力。
所述的圆柱壳容器1直径为炮孔孔径的0.8～0.95倍，圆柱壳容器1的壳体材料为纸壳或抗静电塑料，壳体厚度6.0mm以下。
所述的集总***爆压传感器7中后半段中对比介质4的高度为其直径的0.5～1.5倍。
所述的集总***爆压传感器7中前半段中***装填的高度为其直径的1.0～4.0倍。
所述的对比介质4为液体或固体；液体包括有机液体、油、水以及用盐来调节介质密度的各种盐水溶液；固体包括各种金属与非金属无机粉末体、蜡、树脂、橡胶、塑料、海波、十水硫酸钠以及低强度的水泥、石膏。
所述的隔板2为硬塑料、或有机玻璃，厚度0.1～0.8mm；当对比介质4为固体时，不设置隔板2；当对比介质4为液体或非烧结体粉末时，集总***爆压传感器7中隔板2为硬塑料或有机玻璃，厚度0.1～0.8mm。
上述***爆压测量方法也可以退化为地面试验场地或实验室内的爆压测试方法。在直接测量***爆压时，只要将集总***爆压传感器7的***装填区5中装满***8，连接好测量线路，在集总***爆压传感器7的尾端采用平面波发生器平面引爆***8；集总***爆压传感器7中的电阻丝探针3同样会测得的爆速和对比介质4的冲击波速度，进而可获得***爆压。
按照阻抗匹配法测量原理，上述测量方法中对所使用的对比介质4材料应是没有限制的不像光测法要求透明介质，但需要事先测得其所用数据段的冲击绝热方程或称冲击Hugoniot线。理论上对比介质4的冲击阻抗与***的冲击阻抗越接近，对比介质中的冲击波压力也越接近***的爆压，爆压测量结果精度越高。为此，选用的对比介质可以液体也可以是固体，使用液体时，只须注意集总***爆压传感器7的密封，防止液体渗漏即可。可采用的液体材料包括各种有机液体、油、水，以及用盐来调节介质密度的各种盐水溶液，从安全环保角度上来说，应采用毒性较小的有机液体和盐水溶液；从易于密封角度上，不应使用溶解能力较强的有机溶液；从与工业硝铵***的相容性上，不推荐使用亚硝酸盐和次氯酸盐溶液。可采用的固体材料包括各种金属与非金属无机粉末体，蜡、树脂、橡胶、塑料等高聚物，海波、十水硫酸钠等低熔点盐，以及低强度的水泥、石膏等；从防止产生***飞石角度，不推荐使用金属、强度较高的水泥等不易破碎的块体材料，但在试验场地或实验室内确保安全时，也可以采用块体材料。当使用固体对比介质时，在集总***爆压传感器7中最好去掉薄隔板2，使***与对比介质直接接触，彻底消除薄隔板2对冲击波的影响。当使用液体、非烧结体粉末时，集总***爆压传感器7中薄隔板2使用硬塑料、有机玻璃等刚度较好的密实物制成，厚度0.1～0.8mm，以降低薄隔板2对冲击波的影响。
在制作集总***爆压传感器7时，其中圆柱壳容器1直径依照所测炮孔直径而定，圆柱壳1的外径较大时不易装入炮孔，外径过小不利于充分利用炮孔孔壁限制冲击波与爆轰波的侧向稀疏，实践证明，圆柱壳容器1直径为炮孔孔径的0.8～0.95倍为最佳；圆柱壳容器1的壳体材料最好使用纸壳、抗静电塑料制成，以便与***相容；壳体厚度6.0mm以下，以便利用炮孔孔壁限制冲击波与爆轰波的侧向稀疏。集总***爆压传感器7中对比介质4段的高度为其直径的0.5～1.5倍最佳，理论上侧向稀疏波的影响高度为0.5倍直径，即半径，但在炮孔中测试，孔壁约束可以减少侧向稀疏波的影响，使被影响段推后，实践证明冲击波直线段可到0.5～1.5倍直径。为保证***不受起爆端的影响，确保达到稳定爆轰，集总***爆压传感器7中***装填段5的高度为其直径的1.0～4.0倍。集总***爆压传感器7中的薄隔板2的只起分隔***和对比介质的作用，但要保证分隔界面的平面度，以防影响冲击波的平面度，所以应选择刚度较大的材料；为保证薄隔板2对进入对比介质4中的冲击波影响段较小，应采用较薄的密实物制成理论上，隔板影响时间长度约为其内冲击波传播时间的3倍左右，密实物声速较高，传播时间快，所以使用硬塑料、有机玻璃较好，厚度0.1～0.8mm；当对比介质4为固体时，最好去掉薄隔板2，彻底消除隔板对冲击波的影响。
本发明的效果和益处是：1)当计及爆压集总传感器中的装药量后，本发明可以在生产炮孔中进行测试，不影响***工程效果，所以是一种可在实际***中大量测试的方法。2)由于使用连续电阻丝测试，只需要一个测试回路和一个采集通道记录，这不仅在工程现场使用更方便，也提高了动态测试的可靠度，也更加经济实用。3)同时测量出***爆速与爆压，一次测试可获得更多的***爆轰参数。4)与光测法相比，没有透明对比介质限制，更易于选择冲击阻抗与***相近的对比介质，有利于提高爆压测试精度。5)与通断型探针法相比，连续电阻丝测试能够连续观测到对比介质中冲击波的衰减过程，对于冲击波的直线段不再需要理论估算，所以测试结果更加可靠。6)经对连续电阻丝探针、测试线路进行防水处理，可以用于水下***测试。7)由于所发明方法在野外使用时简单、可靠，所以更适于大药量测试，这对工业***、水下兵器用非理想爆轰***研究更有意义。
附图说明
图1是测量***爆压集总传感器的剖面图。
图2是在炮孔内测量***爆压时传感器安装方式的示意图。
图3是所测得的***爆轰波与对比介质冲击波的轨迹曲线图。
图4是***爆轰波、对比介质冲击波的线性拟合与所取数据段图。
图中：1圆柱壳容器；2隔板；3连续电阻丝探针；4对比介质；5***装填区；6探针尾端接线；7集总***爆压传感器；8***；9***；10炮孔填塞段；11岩石；12起爆线或导爆管。
具体实施方式
以下结合技术方案、附图和实施例详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1：
①爆压集总传感器7预制：取直径110mm，壁厚3.0mm的PVC塑料管作为圆柱壳容器1，其中装药段长度200mm，对比介质段长度292mm，对比介质4采用石蜡，连续电阻丝探针3全长492.5mm，总电阻为275欧姆，计算出单位长度电阻丝探针的电阻率为275Ω/492.5mm＝0.5584Ω/mm。先采用塑料片为隔板2，将连续电阻丝探针3固定在PVC管中轴线上，然后熔化石蜡，浇铸在PVC管探针尾部6处预留的对比介质4段中，待石蜡凝固后去掉塑料隔板2，并测量石蜡密度为ρW0＝0.88g/cm3,较其理论密度0.917g/cm3略小。
②工程现场爆压测试：在***工程现场，将直径115mm、深度8米的炮孔装入2.5m改性粉状铵油***，放入起爆体和导爆管***，再装入约2.5m***待用。将爆压集总传感器7的装药段5中装满同样的改性粉状铵油***，并称量计算出装入***量为1239g，用装药段5体积1700cm3,计算出装药密度为ρ0＝0.729g/cm3。将集总传感器7装药端用塑料薄膜盖紧，并捆扎结实。将连线端6接上瞬态信号记录仪连线，并检查无误后，将集总传感器7缓慢放入炮孔中，直至与炮孔中已装好的***紧密接触后，填塞好炮孔，将该炮孔的导爆管联入***网路中。起爆前，开启记录仪进入预触发状态；***后，关闭记录仪，取下传感器线路，将所记录数据读入计算机，待处理。
③测试数据处理与爆速、爆压计算：将导入计算机中的测试数据用探针单位长度电阻率处理成长度x与时间t关系，得到如图3的曲线。有图3可见，曲线的左半段为***空腔(5)中***的爆轰波轨迹曲线，右半段为对比介质(4)石蜡中冲击波的轨迹曲线。由右半段石蜡冲击波轨迹可见，当冲击波传播50～60mm之后已经发生弯曲，与理论值的约0.5倍直径即半径相符。另外，左半段***爆轰波轨迹曲线的起始端由于电压突然变化，有一些不平稳的波动。故略去爆轰波记录曲线的波动起始段，并取石蜡冲击波轨迹的直线段50mm长，重新绘制成图4，并利用最小二乘法分别对爆轰波和冲击波进行直线拟合，得到如下直线方程：
***爆轰波：x＝3.5519t+92.0882 可决系数R2＝0.9990
石蜡冲击波：x＝3.5958t+94.1407 可决系数R2＝0.9985
显然，上面线性方程中的斜率即是爆轰波速度和石蜡冲击波速度，保留小数点后三位小数，可得：
***爆轰波速度:D＝3.552mm/μs
石蜡冲击波速度:DW＝3.596mm/μs
由密度ρW0＝0.88g/cm3石蜡的冲击绝热线，即Hugoniot关系适用范围uW＝0.3～2.6mm/μs：
DW＝-0.307uW 2+2.772uW+1.518
将石蜡冲击波速度DW代入求解一元二次代数方程，得到石蜡冲击波后质点速度uW的两个解0.825和8.204，略去不合理的8.204,得冲击波质点速度uW＝0.825mm/μs。在按照冲击波压力计算公式：
PW＝ρW0DWuW
石蜡中冲击波压力PW＝0.88×3.596×0.825＝2.611GPa。
再按照阻抗匹配法的理论公式[8,9]，可计算***爆压PH：
PH＝PW(ρ0D+ρW0DW)/(2ρW0DW)
PH＝2.611×(0.729×3.552+0.88×3.596)/(2×0.88×3.596)＝2.374GPa
还可以根据爆压公式PH＝ρ0D2/(K+1)，求出***多方指数K＝2.874。最后，将***的测试结果整理如下表：
Claims (10)
1.一种炮孔内***爆轰压力的测量方法，其特征在于如下步骤：
制作集总***爆压传感器(7)，根据炮孔直径制用于装填对比介质和***的圆柱壳容器(1)，在圆柱壳容器(1)中部设置隔板(2)，沿圆柱壳容器(1)的中轴线穿过隔板(2)安装连续电阻丝探针(3)；在连续电阻丝探针(3)尾端所在的后半段圆柱壳容器(1)中注满对比介质(4)，连续电阻丝探针(3)尾端在集总***爆压传感器(7)由探针尾端接线(6)，连续电阻丝探针(3)头端所在的前半段圆柱壳容器(1)为预留的***装填区(5)；
将集总***爆压传感器(7)的***装填区(5)中装满***(8)，连接测量线路，然后将集总***爆压传感器(7)装入装有***与***的炮孔中，并与炮孔中的***紧密接触，最后填塞炮孔；将测量线路与采集记录仪连接，并将采集记录仪设置预触发状态，等待记录；
当炮孔被起爆后，采集记录仪记录连续电阻丝探针(3)的阻值随时间变化曲线，集总***爆压传感器(7)的前半段埋设有***中的连续电阻丝探针(3)段记录***爆轰波的传播轨迹；集总***爆压传感器(7)的后半段埋设在对比介质(4)中的连续电阻丝探针(3)段测得***爆轰的冲击波轨迹；最后得到爆轰波速度和冲击波速度，用冲击波阻抗匹配原理计算出***爆轰压力。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述的圆柱壳容器(1)直径为炮孔孔径的0.8～0.95倍，圆柱壳容器(1)的壳体材料为纸壳或抗静电塑料，壳体厚度6.0mm以下。
3.根据权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，所述的集总***爆压传感器(7)中后半段中对比介质(4)的高度为其直径的0.5～1.5倍。
4.根据权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，所述的集总***爆压传感器(7)中前半段中***装填的高度为其直径的1.0～4.0倍。
5.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述的集总***爆压传感器(7)中前半段中***装填的高度为其直径的1.0～4.0倍。
6.根据权利要求1、2或5所述的测量方法，其特征在于，所述的对比介质(4)为液体或固体；液体选自有机液体、油、水以及用盐来调节介质密度的各种盐水溶液中的一种；固体选自各种金属与非金属无机粉末体、蜡、树脂、橡胶、塑料、海波、十水硫酸钠以及低强度的水泥、石膏中的一种。
7.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述的对比介质(4)为液体或固体；液体选自有机液体、油、水以及用盐来调节介质密度的各种盐水溶液中的一种；固体选自各种金属与非金属无机粉末体、蜡、树脂、橡胶、塑料、海波、十水硫酸钠以及低强度的水泥、石膏中的一种。
8.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述的对比介质(4)为液体或固体；液体选自有机液体、油、水以及用盐来调节介质密度的各种盐水溶液中的一种；固体选自各种金属与非金属无机粉末体、蜡、树脂、橡胶、塑料、海波、十水硫酸钠以及低强度的水泥、石膏中的一种。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的测量方法，其特征在于，当对比介质(4)为固体时，不设置隔板(2)；当对比介质(4)为液体或非烧结体粉末时，集总***爆压传感器(7)中隔板(2)为硬塑料或有机玻璃，厚度0.1～0.8mm。
10.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，当对比介质(4)为固体时，不设置隔板(2)；当对比介质(4)为液体或非烧结体粉末时，集总***爆压传感器(7)中隔板(2)为硬塑料或有机玻璃，厚度0.1～0.8mm。
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