CN110715763B - 并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置及测试方法。该装置包括底板，布设于底板上表面的四组矩形传感单元，每组传感单元的四个边角由角块通过螺钉固定于底板，传感单元由上下表面均匀涂刷柔性电极的单层介电弹性体薄膜和柔性导电布组成，上表面的柔性电极通过柔性导电布与传感单元左下角螺钉连接，下表面的柔性电极通过柔性导电布与传感单元右下角螺钉连接，四组传感单元左下角螺钉的底端和右下角螺钉的底端按顺序分别通过导线连接并接入电容测量仪，本发明同时还公开了该测量装置的测试方法；本发明通过并联组合的方式提高了冲击波压力测量的精度，且装置具有制作成本低廉，测量方法简单的特点。

Description

并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于毁伤试验测试领域，具体涉及一种并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置及测量方法。

背景技术

冲击波压力是***威力场中最主要的毁伤元，其载荷大小的准确测量对于分析目标结构的毁伤效果具有重要意义。当前，在***试验中主要采用压力传感器和效应靶装置对冲击波压力进行测量，压力传感器虽然能较为准确得到冲击波压力大小，但该方法的使用成本较高，无法在***威力测试中大量使用；效应靶装置主要是基于金属薄板的塑性变形来表征压力峰值，但该装置在确定最大变形位置以及最大变形值测量等方面存在人为误差，且压力幅值过大时铝膜由于较大的塑性变形而被击穿，这时无法通过膜片的有效变形来获取冲击波压力幅值。为了更好地适应复杂多变的冲击波超压测试环境，需要设计一种能够承受较大变形、成本低廉、可以自动获取参数的冲击波压力测量装置。

介电弹性体是一种智能型薄膜软材料，在材料上下表面均匀涂刷柔性电极即组成典型的电容器，当外界压力作用下产生变形时，电容器的电容发生改变，通过电容与压力的映射关系得到压力峰值。发明专利“一种基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器及传感压力的方法”中给出了基于介电弹性体的压力测量装置，根据压力与薄膜变形而表现出电容改变的关系得到压力大小，该装置采用了多层薄膜夹芯结构的串联组合，结合电容的串联特性，测量得到的电容值会随串联薄膜层数的增加而降低，从而导致压力测量精度的下降，且在压力载荷作用下串联组合后各层薄膜的变形不均匀，导致测量结果的稳定性下降。

发明内容

针对现有压力测量装置的不足，本发明的目的在于提供了一种并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置及测量方法。本发明通过并联组合的方式把四组传感单元连接起来，可提高基于介电弹性体的传感单元的测量精度，且采用了单层介电弹性体薄膜，在压力载荷作用下薄膜变形均匀，提高测量的稳定性。该装置具有测量方法简便、结构简单、价格低廉和测量精度高等特点，适用于***威力场中冲击波压力的测量。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：

一种并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置，该装置包括底板，布设于底板上表面的四组矩形传感单元，每组传感单元的四个边角由角块通过螺钉固定于底板，传感单元由上下表面涂刷柔性电极的单层介电弹性体薄膜和柔性导电布组成，上表面的柔性电极通过柔性导电布与传感单元左下角螺钉连接，下表面的柔性电极通过柔性导电布与传感单元右下角螺钉连接，四组传感单元左下角螺钉底端和右下角螺钉的底端按顺序分别通过导线连接并接入电容测量仪，电容测量仪通过螺钉固定与底板的上表面.

进一步优选的，所述的四组传感单元中单层介电弹性体薄膜采用聚氨酯或硅橡胶材料，柔性电极采用碳膏，并均匀涂抹于单层介电弹性体薄膜的上下表面；

进一步优选的，所述的四组矩形传感单元的长度、宽度、厚度均相等，相邻两组传感单元之间的间距ΔL≥0.3L，L为两组传感单元相邻边的最大长度；

进一步优选的，所述的四组传感单元左下角螺钉的底端通过导线按顺序连接并与电容测量仪左侧的连接点连接，四组传感单元右下角螺钉的底端通过导线按顺序连接并与电容测量仪左侧的连接点连接，导线与螺钉底端通过焊接固定；

进一步优选的，所述的螺钉为选用金属导体，螺钉从角块贯穿，并通过螺纹与底板连接固定，且下端从底板下表面外延1mm；

进一步优选的，所述的上表面的柔性电极与柔性导电布通过接触连接，柔性导电布利用自身的粘性与螺钉通过缠绕连接；

进一步优选的，所述的角块和底板为非导电材料；

进一步优选的，所述的电容测量仪用于测量并联传感单元的电容变化；

上述所述的基于介电弹性体的效应靶测量装置测量变形的方法，利用单层介电弹性体的传感特性，在初始状态，通过电容测量仪获取四组传感单元并联组合后的初始电容为C₀，当冲击波压力载荷P作用于测量装置表面，传感单元在压力载荷挤压作用下产生变形，此时通过电容测量仪测量得到最大电容值为C₁，则根据冲击波压力P与电容C之间的映射关系

得到所需测量的压力载荷P，其中式中μ为介电弹性体薄膜的剪切模量。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

(1)、本发明通过并联组合的方式连接各组传感单元，提高了装置的压力测量精度，且该装置制作成本低廉，适于***试验场中大量布设。

(2)、本发明通过测量压力载荷作用前后的电容值，并根据电容与压力载荷之间的映射关系可快速获取压力载荷大小，减小了人为测量误差的引入，提高了测量的稳定性。

(3)、本发明中所采用的介电弹性体薄膜在外载荷作用下能发生大变形，可满足不同***威力场的测量需求，提高了装置的适用范围。

附图说明

图1为本发明测试装置上表面布设示意图。

图2为本发明测试装置的下表面布设示意图。

图3为本发明测试装置的截面图。

图4为不同组合方式传感单元的压力-电容曲线对比图

附图中标记的含义如下：

1-传感单元；2-螺钉；3-角块；4-底板；5-电容测量仪；6-导线；7-柔性导电布；8-单层介电弹性体薄膜；9-柔性电极；10-连接点。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1、图2和图3所述，本发明提供的一种并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置，该装置包括底板4，布设于底板4上表面的四组矩形传感单元1，每组传感单元1的四个边角由角块3通过螺钉2固定于底板4，传感单元1由上下表面涂刷柔性电极9的单层介电弹性体薄膜8和柔性导电布7组成，上表面的柔性电极9通过柔性导电布7与传感单元1左下角螺钉2连接，下表面的柔性电极9通过柔性导电布7与传感单元1右下角螺钉2连接，四组传感单元1左下角螺钉2底端和右下角螺钉2的底端按顺序分别通过导线6连接并接入电容测量仪5，电容测量仪5通过螺钉2固定与底板4的上表面；

作为本发明的优选实施方法，所述的四组传感单元1中单层介电弹性体薄膜8采用聚氨酯或硅橡胶材料，柔性电极9采用碳膏，并均匀涂抹于单层介电弹性体薄膜8的上下表面；

作为本发明的优选实施例，所述的螺钉2为选用金属导体，螺钉2从角块3贯穿，并通过螺纹与底板4连接固定，且下端从底板4下表面外延1mm；

作为本发明的优选实施例，所述的上表面柔性电极9与柔性导电布7通过接触连接，柔性导电布7利用自身的粘性与螺钉2通过缠绕连接；

作为本发明的优选实施例，所述的角块3和底板4为非导电材料；

作为本发明的优选实施例，所述的四组矩形传感单元1的长度、宽度、厚度均相等，相邻两组传感单元1之间的间距ΔL≥0.3L，L为两组传感单元1相邻边的最大长度；

作为本发明的优选实施例，所述的四组传感单元1左下角螺钉2的底端通过导线6按顺序连接并与电容测量仪5左侧连接点9连接，四组传感单元1右下角螺钉2的底端通过导线6按顺序连接并与电容测量仪5右侧的连接点9连接，导线6与螺钉2底端通过焊接固定；

作为本发明的优选实施例，所述的电容测量仪5用于测量并联传感单元的电容变化；

基于上述所述的基于介电弹性体的效应靶测量装置的测量变形的方法，包括：利用单层介电弹性体8的传感特性，在初始状态，通过电容测量仪5获取四组传感单元1并联组合后的初始电容为C₀，当冲击波压力载荷P作用于测量装置表面，传感单元1在压力载荷挤压作用下产生变形，此时通过电容测量仪5测量得到最大电容值为C₁，则根据冲击波压力P与电容C之间的映射关系

得到所需测量的压力载荷P，其中式中μ为介电弹性体薄膜8的剪切模量。

下面结合具体实例对本发明装置的性能进行分析。

作为实施案例，测量装置中介电弹性体薄膜选用低粘弹性的聚氨酯材料，单层薄膜厚度H为50μm，相对介电系数ε_r为7.1，真空介电系数ε₀为8.852×10^-12F/m，杨氏模量为1.44Mpa，传感单元的有效尺寸L₁×L₂取为20mm×20mm。在某压力载荷作用下，可通过理论公式分别计算出初始状态下、变形状态下的电容值，变形所对应的压力大小。其中，单层介电弹性体薄膜的电容计算公式为C＝ε₀ε_rl₁l₂/h，l₁为L₁边在载荷作用后的长度，l₂为L₂边载荷作用后的长度，h为压力载荷作用后薄膜的厚度，单层薄膜在压力P载荷作用下沿长度两个方向变形，拉伸比可以表示为λ＝l₁/L₁＝l₂/L₂，则薄膜变形与压力P之间的关系可以表示为P＝μ(λ²-λ^-4)。对于本发明装置，四组传感单元采用并联连接，则在初始状态时得到的初始总电容C₀＝(ε₀ε_rL₁L₂/H)/4，若四组传感单元均受到相同P的作用，四组传感单元的电容发生改变，此时得到变形后的总电容C₁＝C₀λ⁴/4，通过设定不同的λ值可以得到本发明装置的C₁-P曲线，如图4所示。为了对比效果，图4中同时给出了单组传感单元、四组传感单元串联组合的C₁-P曲线。由图4可以看出，在薄膜变形相同条件下，单组传感单元、四组串联组合式传感单元和四组并联式传感单元具有相同的冲击波压力测量量程；且单组传感单元的测量精度为383.36Pa/Pf，四组传感单元串联组合式装置的测量精度为1533.46Pa/Pf，而基于四组传感单元并联组合式装置的测量精度为98.84Pa/Pf，可见基于并联组合式的传感单元测量装置具有较好的测量精度，在相同测量量程时，能更加精确的获取冲击波压力的大小。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置，其特征在于：该装置包括底板(4)，布设于底板(4)上表面的四组矩形传感单元(1)，每组传感单元(1)的四个边角由角块(3)通过螺钉(2)固定于底板(4)，传感单元(1)由上下表面涂刷柔性电极(9)的单层介电弹性体薄膜(8)和柔性导电布(7)组成，上表面的柔性电极(9)通过柔性导电布(7)与传感单元(1)左下角螺钉(2)连接，下表面的柔性电极(9)通过柔性导电布(7)与传感单元(1)右下角螺钉(2)连接，四组传感单元(1)左下角螺钉(2)底端和右下角螺钉(2)的底端按顺序分别通过导线(6)连接并接入电容测量仪(5)，电容测量仪(5)通过螺钉(2)固定与底板(4)的上表面；所述的四组传感单元(1)左下角螺钉(2)的底端通过导线(6)按顺序连接并与电容测量仪(5)左侧的连接点(10)连接，四组传感单元(1)右下角螺钉(2)的底端通过导线(6)按顺序连接并与电容测量仪(5)右侧的连接点(10)连接，导线(6)与螺钉(2)底端通过焊接固定。

2.根据权利要求1所述的一种并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置，其特征在于：所述的四组传感单元(1)中单层介电弹性体薄膜(8)采用聚氨酯或硅橡胶材料，柔性电极(9)采用碳膏，并均匀涂抹于单层介电弹性体薄膜(8)的上下表面。

3.根据权利要求1或2所述的一种并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置，其特征在于：所述的四组矩形传感单元(1)的长度、宽度、厚度均相等，相邻两组传感单元(1)之间的间距ΔL≥0.3L，L为两组传感单元(1)相邻边的最大长度。

4.根据权利要求1所述的一种并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置，其特征在于：所述的螺钉(2)选用金属导体，螺钉(2)从角块(3)贯穿，并通过螺纹与底板(4)连接固定，且下端从底板(4)下表面外延1mm。

5.根据权利要求1或2所述的一种并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置，其特征在于：所述的上表面的柔性电极(9)与柔性导电布(7)通过接触连接，柔性导电布(7)利用自身的粘性与螺钉(2)通过缠绕连接。

6.根据权利要求4所述的一种并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置，其特征在于：所述的角块(3)和底板(4)为非导电材料。

7.根据权利要求1所述的一种并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置，其特征在于：所述的电容测量仪(5)用于测量并联传感单元的电容变化。

8.一种利用权利要求1至7中任一项所述的一种并联组合式介电弹性体的冲击波压力测量装置的冲击波压力测量方法，其特征在于：利用单层介电弹性体(8)的传感特性，在初始状态，通过电容测量仪(5)获取四组传感单元(1)并联组合后的初始电容为C0，当冲击波压力载荷P作用于测量装置表面，传感单元(1)在压力载荷挤压作用下产生变形，此时通过电容测量仪(5)测量得到最大电容值为C1，则根据冲击波压力P与电容C之间的映射关系

得到所需测量的压力载荷P，其中式中μ为介电弹性体薄膜(8)的剪切模量。

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