CN110220426A - 材料高压冲击绝热数据的连续电阻探针测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于***与冲击测试技术领域，具体涉及一种基于连续电阻探针的材料高压冲击绝热数据的测量方法，具体测量步骤如下：(1)将连续电阻丝探针沿圆柱形容器的中轴线依次穿过***、标准材料和待测材料，利用同轴电缆将连续电阻丝探针与信号记录仪相连；(2)开启信号记录仪，起爆***后记录得到连续电阻丝探针电阻值变化引起的动态电压或电流信号；(3)将电信号转换为时程曲线，分别对各段数据进行拟合并求导，得到相应部分的冲击波速度，根据阻抗匹配技术求解得到待测材料的冲击绝热数据。本发明的效果和益处是所述测量元件为一种通用的传感元件，适用范围广；实验***简单，成本低；对材料的尺寸没有限制，适合大尺寸试样的测量。
Description
技术领域
本发明属于***与冲击测试技术领域，涉及一种基于连续电阻探针的材料高压冲击绝热数据的测量方法。
背景技术
材料的冲击绝热线是指冲击波波阵面上三个守恒关系以及内能型状态方程中五个未知参量(压力p、相对比容V、内能E、质点速度Up和冲击波速度Us)其中任意两个之间的关系曲线，其中p-V线、p-Up线和Us-Up线是较常用的三种形式，它们是研究材料在高压下的相变和物态方程的依据，是解决冲击动力学问题及进行相关数值计算的基础。材料冲击绝热线的测量方法大多采用化爆平面波发生器或压气炮驱动的飞片技术，分为自由表面速度法、阻滞法和对比法，前两种分别通过测定试样背面的自由面速度Uf和飞片速度Upl来确定试样的质点速度Up，而对比法则通过测定标准材料和待测材料界面两端的冲击波速度Us，再利用阻抗匹配求解得到质点速度Up。上述这些速度的测量手段主要有电探针法、光测法和磁测法，电探针法可以用来确定飞片速度(参考：李永池,郭扬,谭福利,等.铝锂合金材料状态方程的研究[J].高压物理学报,2003(02):81-87.)和冲击波速度(参考：张修路,袁长迎,孙悦,等.壬基酚聚氧乙烯醚的冲击压缩实验研究[J].高压物理学报,2005(02):164-168.)；光测法包括条纹相机、激光干涉测试仪、多普勒测速仪等，可用来记录飞片撞击速度(谭叶,俞宇颖,戴诚达,等.反向碰撞法测量Bi的低压Hugoniot数据[J].物理学报,2011,60(10):512-516.)、自由面速度(参考：张云峰,罗兴柏,孙华刚,等.Zr41Ti14Ni12.5Cu10Be22.5非晶合金冲击压缩行为理论与实验研究[J].哈尔滨工业大学学报,2019,51(05):94-99.)和冲击波速度(黄秀光,傅思祖,舒桦,等.聚乙烯冲击压缩特性实验研究[J].物理学报,2010,59(09):6394-6398.)；磁测法则是一种利用飞片穿过磁线圈激发感应电流，从而计算飞片速度的方法(参考：佘金虎,汤文辉.TC材料的低压Hugoniot参数实验测量研究[J].实验力学,2007(06):593-597；Stewart S T,Ahrens T J.Shock Hugoniot of H2O ice[J].Geophysical Research Letters,2003,30(6).)。
上述测量材料冲击绝热线的方法中，冲击波速度的测量方式主要有电探针法和光学测量法，它们主要存在如下问题：
(1)电探针法的测量原理相对简单，通过记录冲击波在已知厚度样品中的走时来得到冲击波的平均速度，适用性较差，一般只能用于金属飞片的测量，此外电探针的低压触发响应较慢，不适合材料低压区冲击绝热数据的精密测量。
(2)光学测量法适用性较广，原理上也较客观可信，但设备繁杂，测试条件苛刻，实验成本也较高，对于化爆法的冲击绝热线测试还需对设备进行严格的防护，因此对于野外测量操作相对困难。
(3)大多数测量方法都使用轻气炮驱动飞片打击试样进行测量，由于轻气炮驱动能力限制，一般飞片的厚度只有2～5mm,因此对非均匀度较大的材料，如混凝土砂浆等，无法准确测量；此外，轻气炮驱动装置占地面积大，价格昂贵，操作也相对复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于连续电阻探针的材料高压冲击绝热数据测试方法，该方法实现了不同介质中冲击波传播轨迹的连续测量，从而可以根据阻抗匹配技术求解得到待测材料的冲击绝热数据。
本发明的技术方案：
材料高压冲击绝热数据的连续电阻探针测量方法，步骤如下：
步骤1：在圆柱形容器内依次装填***、标准材料和待测材料，其中标准材料的冲击绝热线须已知；将连续电阻丝探针沿圆柱形容器的中轴线依次穿过***、标准材料和待测材料，其头部朝向***起爆端，并与起爆端相距一定距离(避免受***起爆影响)，利用同轴电缆将连续电阻丝探针与信号记录仪相连。
步骤2：开启信号记录仪，设置相应参数至预触发状态；安装***后起爆***，记录得到连续电阻丝探针电阻值变化引起的动态电压或电流信号。
步骤3：将电信号转换为时程曲线，分别对各段数据进行拟合并求导，得到标准材料的冲击波初始速度和最终速度，以及待测材料的冲击波初速度，最后根据阻抗匹配技术求解得到待测材料的冲击绝热数据。
本方法中***的长度为装药直径的2.0～4.0倍(形成平面波)，标准材料的长度为直径的0.2～0.5倍(防止冲击波的衰减，以标准材料和待测材料界面附近的冲击波数据为准)，待测材料的长度为直径的0.2～4.0倍(以冲击波未衰减段数据为准)。
本方法中连续电阻探针的头部与***的距离为圆柱形容器直径的1.0～2.0倍。
本发明的有益效果：1)所述标准材料和待测材料可以是固体、液体、气体，也可以沙土、混凝土、金属粉末等多孔材料，适用范围广。2)所述测量方法实验***简单，成本低。3)本发明对材料的尺寸没有限制，并且更适合大尺寸试样的测量，是大尺寸材料高压冲击绝热数据测试方法的重要补充。
附图说明
图1是本发明所述的试验装置示意图。
图2是不同组分***获得的爆轰波-冲击波时程曲线。
图3是基于阻抗匹配技术的水的冲击绝热数据图解过程。
图中：1***；2***；3标准材料；4待测材料；5连续电阻探针；6圆柱形外壳；7信号记录仪；8同轴电缆。
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：
(1)制作测量材料高压冲击绝热数据的探针元件：取直径110mm，壁厚3mm，的PVC塑料管作为圆柱形容器，其中装药段长度为200～250mm；标准材料采用有机玻璃，直径110mm，长度为20mm；待测材料采用液态水，长度为100～300mm；连续电阻探针的直径为2mm，单位长度电阻为558Ω/m。首先在有机玻璃中心钻一直径为2mm的小孔，将装药段和待测材料段的PVC圆柱形容器粘结在有机玻璃两侧并保证密封。将连续电阻探针穿过有机玻璃小孔，探针头部朝向装药段一侧并与起爆端面距离50mm，连续电阻探针与有机玻璃端面的缝隙使用少量密封胶固定。
(2)爆轰波-冲击波时程曲线的测量：将ANFO/RDX混合***装入探针元件的预留装药区，保证连续电阻探针位于装药中轴线，***与有机玻璃之间无断层，利用预留***孔的塑料片或纸板作为盖板将起爆端面盖紧并固定。将装药后的探针元件竖直固定在支架上，装药段朝下，向待测材料段的容器内注满水，将连续电阻探针输出端与同轴电缆相连，另一端连接信号记录仪，开启信号记录仪，设置相关参数使记录仪处于预触发状态。检查无误后，将***塞入起爆端面，起爆***后获得连续电阻丝探针电阻值变化引起的动态电压或电流信号，并将其换算为爆轰波-冲击波时程曲线。
(3)测试数据处理：改变***组分并重复上述实验步骤，获得如图2所示的六条不同***组分的爆轰波-冲击波时程曲线。根据试验装置各部分探针的长度，可确定各条曲线中***爆轰波、有机玻璃冲击波和水中冲击波的界线，对各段曲线进行二次拟合后求导，或界线前后一定长度进行线性拟合(如10mm)，可分别得到***的爆速(De)、有机玻璃初始冲击波速度(US1)，、有机玻璃最终冲击波速度(US2)和水中初始冲击波速度(US3)，结果汇总于下表。
由于有机玻璃作为标准材料，其冲击绝热线已知(如图3中曲线L0，参考：Marsh SP.LASL Shock Hugoniot Data[M].Berkeley:University of California Press,1980.)，以有机玻璃冲击阻抗线(p＝ρpUS2Up，ρp为有机玻璃密度，取1.186g/cm3，斜率ρpUS2为其冲击阻抗)与其冲击绝热线的交点为对称中心作镜像线L1～L6，即有机玻璃的反向冲击绝热线；作水的冲击阻抗线(p＝ρwUS3Up，ρw为水的密度，取1.0g/cm3，斜率ρwUS3为其冲击阻抗)与有机玻璃的反向冲击绝热线相交，各交点即为所求待测材料(水)的冲击绝热数据(如图3所示)。
Claims (3)
1.一种材料高压冲击绝热数据的连续电阻探针测量方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：在圆柱形容器(6)内依次装填***(2)、标准材料(3)和待测材料(4)，其中标准材料(3)的冲击绝热线须已知；将连续电阻丝探针(5)沿圆柱形容器(6)的中轴线依次穿过***(2)、标准材料(3)和待测材料(4)，其头部朝向***起爆端，并与起爆端相距一定距离，利用同轴电缆(8)将连续电阻丝探针(5)与信号记录仪(7)相连；
步骤2：开启信号记录仪(7)，设置相应参数至预触发状态；安装***(1)后起爆***(2)，记录得到连续电阻丝探针(5)电阻值变化引起的动态电压或电流信号；
步骤3：将电信号转换为时程曲线，分别对各段数据进行拟合并求导，得到标准材料(3)的冲击波初始速度和最终速度，以及待测材料(4)的冲击波初速度，最后根据阻抗匹配技术求解得到待测材料(3)的冲击绝热数据。
2.如权利要求1所述的材料高压冲击绝热数据的连续电阻探针测量方法，其特征在于，***(2)的长度为圆柱形容器(6)直径的2.0～4.0倍，标准材料(3)的长度为圆柱形容器(6)直径的0.2～0.5倍，待测材料(4)的长度为圆柱形容器(6)直径的0.2～4.0倍。
3.如权利要求1或2所述的材料高压冲击绝热数据的连续电阻探针测量方法，其特征在于，所述的连续电阻探针(5)的头部与***(1)的距离为圆柱形容器(6)直径的1.0～2.0倍。
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