CN1034833C - 测试雷管输出压力的方法及其使用的设备 - Google Patents
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Abstract
测试雷管输出压力的方法及其使用的设备，属于火工品测试检测技术领域。本发明采用高速同步脉冲恒流源，低阻值压阻计，触发电探极，以及防爆容器等配置成测试系统。在此系统中高速同步脉冲恒流向低阻值压阻计供电，其触发信号取自雷管爆炸时的脉冲，压阻计感受到雷管端部的输出，形成压力模拟信号，送到数字存贮器再经微处理机记录并打印输出。
Description
本发明涉及一种测试雷管输出压力的方法和设备，属于火工品测试检测技术领域。
雷管输出测试技术近年来有了较大发展，但至今尚没有适应各种雷管和导爆索等火工品输出压力的测试方法。传统测量雷管输出压力的方法有两种：直接法和间接法。直接法是直接观测雷管的引爆能力，如测量雷管端部到炸药的引爆面之间的距离。间接法是就是通过比较，判断雷管爆炸时所做机械功的大小，如把雷管放在铅板上，引爆后观察铅板上凹痕深浅、大小和形状，用相对比较的方法判断雷管爆炸后做机械功的大小。显然这些传统测试方法的精度都不能满足现代火工的测试要求。
1964年Fuller和Price以及Keough等人首先公布了把锰铜丝嵌入C-7树脂圆盘中制成动高压传感器(J、APPL、Phy，Vol 15.8，751；P1471)，1968年，1970年，1973年，1974年应用物理杂志又发表了若干压阻法的研究报告，特别是1974年，Voreck等利用锰铜压阻传感器测量了针刺雷管的输出压力，促进了定量测量雷管输出压力的发展，但这种方法只能用来测量针剌雷管，而无法测量其它类型的雷管。
1975年Nichlas等人采用压电晶体压力传感器，测量弹壳內的压力变化。(美国专利US386792)。当壳內压力发生变化时，压力传感器內的压电晶体发生变形，便输出电信号，由此来测量弹壳的压力变化，它的最大压力约5万P.S.i，相当于0.3～0.4Gpa。但这种压力传感器只能记录脉冲宽度为毫秒量级的压力模拟信号，响应时间至少几个微秒，不可能用于微秒量级压力模拟信号的测量。
1983年，Panl Engeler等人把石英压电晶体传感器放入弹壳的头部，用于进行弹道式的压力测量(美国专利US4379405)。这种传感器也只适用于压力量程较低的，毫秒量级的测量，最大压力Pmax＝3200bas≈0.32Mpa。
1984年Martin等人采用光传感器，用于测量黑火药的火焰散布速度(美国专利US4434655)。这种光传感器只适用于速度测量，而且时间分辨率很低。
到目前为止，还未曾见到报导国外有人用本发明涉及的传感器和测试方法测试雷管端部输出的压力。
七十年代，国內也开始研究锰铜压阻技术。国防科技大学，原核工业部901所和北京工业学院爆炸技术实验室，在研究锰铜压阻计测压技术方法，都处于国內领先地位。
1983年吴国栋介绍了利用H型压阻传感器测量工业导爆索的输出压力，这是一种较好的测试方法，但是，由于他采用的是用可控硅做触发的同步恒流源，所需触发时间过长(约4μs～6μs)，因而无法用于微秒雷管、电雷管和火花雷管等输出压力的测试。
近几年来，贾泉生等人又采用预先在雷管壁上打孔的方法，把触发探针装在起爆药附近，保证压力扰动在到达锰铜压阻传感器之前4μs～6μs触发用可控硅为开关元件的同步脉冲恒流源，实现需高速同步的雷管输出压力的测量。显然，这种测试方法比较危险，在工厂和雷管使用部门推广是不可能的。
本发明的目的正是为了克服上述种种缺点而提供一种便于测量各种雷管输出压力的方法和设备。它具有适用范围广、精度高、使用方便等优点。它将进一步促进雷管输出能力的检测，由定性比较阶段向定评价发展，并争取本发明介绍的雷管输出压力测试系统配置成为国产雷管性能检验的一种国家标准。
本发明的目的是这样实现的，利用高速同步脉冲恒流源，小型爆炸容器和高速数字存贮器组成触发同步方式的锰铜压阻法测试系统，测量各种雷管的输出压力。
下面通过图1和图2所表示的两种典型雷管输出压力测试系统，介绍本发明的设备及测试方法。
一、测试雷管输出压力的设备，由高速同步脉冲恒流源，防爆容器、微处理机、数字存贮器、打印机组成。其中高速同步脉冲恒流源已申请实用新型专利，微处理机及数字存贮器及打印机也为已知技术，只有防爆容器是本发明所特有的设备，现结合附图3详细介绍如下。防爆容器又称为雷管输出能力爆炸容器，从图中可见，它是由防爆套205、钢球207和螺钉208组成。①防爆套205用优质碳素钢制成，其内壁承受雷管爆炸破片的冲击，壁厚不低于5mm，它的下半部螺纹段与底座201连接，底部內壁圆柱部装有O型橡胶圈起密封作用，顶部有一小孔，雷管爆炸前它被钢球207堵死，此时螺钉208被拧紧在防爆套205上，雷管爆炸后，把实验容器放置在室外，拧松螺钉208，钢球207不再堵死防爆套205，与底座201之间的螺纹连接可以解脱，然后可以清理爆炸容器，并安装新的爆炸试件。
爆炸试件由四对引线202、一片锰铜压阻计203、一对触发探极204、一个被测试的雷管206、一个雷管套209和一个承压块210等组成。
②接线基座是由一个钢制底座201，安装在一个环形层压树脂上的四对电极211，四条短电缆212，二个橡胶O形圈213，四决层树脂214，四个Q9电缆座和底板216(一块层压树脂圆板)等组成。其中电极211，绝胶板214和电缆座215都是用M8螺钉固定在底座201上，安装电极211的圆环正好埋入底座上方的环形槽內，四对电极正好对准四个垂直通孔，绝缘板214与电缆座215之间是螺纹连接，电缆212二端分别焊接到电极和Q9电缆座上，二个O形圈213直接套在底座201的二个凹槽内。
电缆12与底座201之间的空隙用环氧树脂注满，以防止爆炸气体的泄漏。底座上的四对电极分别与爆炸试件的四对电极连接，其用途是：一对用于起爆雷管，一对用于连接触发电探极，二对用于连接压阻传感器的四个电极。
Q9电缆座215分别与高速脉冲恒流源二个电流输出端连接(一个用于起爆雷管，一个用于向压阻计供电)，还与某一通道(即向压阻计供电的那个通道触发输入口连接以及与记录仪器的输入端相连)。
这种小巧的爆炸试验容器优点是：耐压高，密封性好，爆炸声小，确保雷管输出压力爆炸实验的安全性，并有效地防止了实验室遭受爆炸产物的污染；因而雷管输出压力爆炸试验可以紧靠仪器和操作人员进行，电缆的长度可以缩短到1米左右，大大地减少了信号经电缆传输的失真或畸变，又保证了脉冲恒流源电流输出很快达到恒定。
二、测试雷管输出压力的方法
①本方案必须采用高速同步脉冲恒流源、低阻值压阻计、触发电探极(或电探针)，长度不超出一米的短电缆、采样率大于等于100MC的数字存贮示波器以及小尺寸防爆容器等配置成能适用于测量各种雷管输出压力的测试系统；
②测试系统中采用高速同步脉冲恒流源向低阻值压阻计供电；
③高速同步脉冲恒流源的触发信号取自雷管爆炸时壳体膨胀对触发电探极的作用，或取自微秒极雷管起爆脉冲；
④使用小尺寸的防爆容器及长度不超出一米的高频传输线确保恒流源输出电流达到恒定的时间不超出0.5μs；
⑤压阻计上感受到雷管端部的输出，形成压力模拟信号9，送到数字存贮器4，再通过微处理机记录并经打印机打印输出。
由于被测雷管的品种不同，点火方式不同，点火到爆炸时间不同(一般由几微秒到几十毫秒)，所以触发同步的方式不同。但归纳起来有二类，微秒级雷管输出压力测量和毫秒级雷管输出压力测量。下面通过两种不同类型雷管的测试方法，分别介绍如下：
(1)火花式或间隙式微秒雷管输出压力测量。如图1所示，双通道高速同步脉冲恒流源1处在同步工作状态；当按动同步手动触发按钮6后，二个通道同步工作。其中通道II对压阻传感器(简称“压阻计”)输出恒值电流7，压阻计等待压力扰动的出现。而通道I向接在输出端上高压脉冲变压器初级供电；几微秒后次级形成5KV以上的脉冲高电压8起爆雷管，再经一微秒后，压阻计上感受到雷管端部的输出(冲击波)作用，形成压力模拟信号9，然后送到数字存贮器4，再通过微处理机记录并经打印机打印输出，典型的压力模拟信号如图4所示。
(2)对于其他非高压起爆的雷管其测量方法，如图2所示，如8号电雷管、火焰雷管和针剌雷管等，利用雷管爆炸时外壳膨胀过程，使脉冲恒 流源外接触发电探极(或电探针)导通，保证在压力扰动达到压阻计之前1μs左右，恒流源向压阻计供电，并尽快地达到恒定的电流。在这种情况下，高速同步脉冲恒流源各通道之间是独立的。其中通道I15用于起爆雷管；通道II用于压力测量，它的电流输出端11与测量雷管输出压力的压阻计相连，它的触发端12与安装在雷管圆柱外壳中部的触发电探极13(或电探针)相接。当按动通道I的按钮10后，雷管爆炸，探极工作，通道II恒流源被触发并输出恒值电流，几微秒后雷管爆炸的压力扰动作用于压阻计，压阻计输出压力模拟信号14。然后经微处理机3记录并打印输出。雷管输出压力测试系统所记录的雷管输出压力典型模拟信号如图5所示。
本发明的效果
在国內几乎所有的火工品制造厂和研究所采有铅板凹痕法检验雷管输出压力。213所从国外引进了雷管输出压力测试系统，但仅适用于针剌雷管。本发明所提出的雷管输出压力测试方法成功地解决了各种雷管输出压力测量的多种多样的同步问题，因而几乎适用于所有雷管，并使雷管输出能力检验由定性阶段走向定量阶段。
本发明的具体结构由附图1～7给出。
图1测量雷管输出压力系统组成方框图(一)
图2测量雷管输出压力系统组成方框图(二)
图3防爆容器结构图
图4测量火花式电雷管输出压力的压阻法测试系统典型记录
图5测量8#雷管输出压力的压阻法测试系统典型记录
图68#雷管端部输出压力测试系统
图7LD1火花式电雷管端部输出压力测试系统
实施例
利用本发明提出的测试系统可以完成各种雷管或导爆索等输出压力测量，或完成其他爆炸与冲击过程的动态高压强的测量。下面介绍二例：实施例1、8#雷管端部输出峰值压力测量。
8号雷管(工业产品)的点火——爆炸时间在15～25ms之间随机地变化；在爆炸过程中，从壳体的扩张到端部输出强冲击波约有2μs。在本发明成功之前，若干年来许多入试图采用传统压阻法测压系统捕获8号雷管端部输出压力，都失败了。本发明提供的技术成功地解决了这项测量。
图6所示意地表明了8号雷管端部输出压力测试系统的配置。图中8号雷管16：工业品，金属外壳(或纸外壳)。
防爆容器2：见图3。
雷管套18：方决20×20×15(或圆柱形φ20×15)，有机玻璃。
绝缘层19：方形薄片25×25×(0.5～1)，有机玻璃。
压阻计20：H型锰铜压阻计，箔厚0.02，敏感部分长0.5～1，宽0.1～0.2；
承压块21：方决30×30×10(或圆柱形φ30×10)有机玻璃。
高速同步脉冲恒源1：双通道高速同步脉冲恒流源，型号MH-4，性能在产品说明书中表出；
数字存贮示波器4：采样速率大于等于100MC，如TEK2430A
微机3：IMB PC/XT或IBM PC/AT；
打印机5：24针；
触发探极13：由0.1～0.2mm高强度漆包线制成，见图3；
传输线：所有高频传输线STV-50-2-2，特性阻抗为50Ω，长度不超出1米
手动触发I通道，输出近9A电流，8号雷管中央火头被点火，若干毫秒后雷管被引爆，雷管起爆后外壳膨胀，促使II通道的触发电探极导通，II通道脉冲恒流源开始工作，经0.2μs左右，脉冲恒流源向压阻计供电，又经0.2μs左右，电流达到恒定等待冲击波作用的到达。又经0.2μs左右，爆轰波到达雷管端部，并很快输出一个强冲击波。此冲击波与有绝缘层保护的压阻传感器敏感部分相互作用，形成压力模拟信号。此压力模拟信号经传输线馈送给数字存贮示波器，如TEK2430A。所记录的模拟压力信号由微机IBM PC/XT(或IBM PC/AT)处理，并由打印机硬拷贝。8号雷管端部输出压力的典型记录波形已在图2中表出。从图中只要判读出V0(电流达到恒定时，敏感部分二端电压)和△V(当敏感部分的电阻R0受压后变为R0+△R，电阻增量△R对应着电压增加△V，图中则对应着△V的最大值)，雷管端部输出的冲击波峰值压力Pmax幅上式计算
Pmax＝△V0/(V0K)(8号雷管端部输出峰值压力在有机
玻璃中为25～30Gpa-1)
式中K为锰铜压阻计的压阻系数(0.02～0.03Gpa-1)
实施例2、LD1火花式电雷管端部输出峰值压力测量
LD1雷管必须用大于4KV脉冲高电压起爆，如何排除10KV左右脉冲起爆电压对压力模拟信号的干扰是压力测量的关键技术之一。另外，从脉冲高电压馈入LD1雷管到它爆轰后端部输出冲击波只有2μs左右，因此同步总理也是捕获压力模拟信号的关键技术之一。利用本项发明解决以上二项技术是比较容易的。
图7示意地表明了LD1火花式电雷管端部输出压力测试系统的配置。图中
LD1雷管16：工业品
防爆容器2：见图3。
雷管套18：有机玻璃方块20×20×15(或圆柱形φ20×15)
绝缘层19：有机玻璃薄片25×25×(0.5～1)
压阻计20：H型锰铜压阻计，敏感部分0.2×(0.6～1)×0.02
承压块21：有机玻璃方块30×30×10(或圆柱形φ30×10)
高速同步脉冲恒流源1：型号MH-4，双通道；
数字存贮示波器4：采样速率大于等于100MC，如TEK2430；
微机3：IMB PC/XT或IBM PC/AT；
打印机5：24针；
传输线：SYV-50-2-2高频传输线特性阻抗50Ω，长度不超出1米；
脉冲变压器22：空气芯，初级50匝，次级2000～2500匝，內径
φ30，外径φ45。
双通道高速同步脉冲恒流源处在同步工作状态。当手动触发指令发出后，I通道和II通道同时工作。2通立即馈送恒值电流给压阻计，等待雷管端部输出的冲击波压力扰动的到达。I通道也立即馈送出电脉冲。但此电流脉冲馈入脉冲变压器的初级，经2μs左右其次级感应出约10KV的脉冲高电压，导致它的负载LD1雷管起爆。再经1μs，雷管端部输出冲击波，它的压力扰动很快地作用于压阻计的敏感部分，形成压力模拟信号。此压力模拟信号经高频电缆传送给数字存贮示波器，如TEK2430A，记录下伴随有恒流信息的压力模拟信号。然后进行微机IBM PC/XT与数字存贮示波器之间的通讯，最后将处理结果存入软盘或打印输出。LD1雷管端部输出压力典型记录已在图1中表出。LD1雷管端部输出的峰值压力为12～15Gpa。
Claims (4)
1.测试雷管输出压力的方法，其特征在于：
①本方案必须采用高速同步脉冲恒流源、低阻值压阻计、触发电探极或电探针，长度不超出一米的短电缆、采样率大于等于100MC的数字存贮示波器以及小尺寸防爆容器配置成能适用于测量各种雷管输出压力的测试系统；
②测试系统中采用高速同步脉冲恒流源向低阻值压阻计供电；
③高速同步脉冲恒流源的触发信号取自雷管爆炸时壳体膨胀对触发电探极的作用，或取自微秒极雷管起爆脉冲；
④使用小尺寸的防爆容器及长度不超出一米的高频传输线确保恒流源输出电流达到恒定的时间不超出0.5μs；
⑤压阻计上感受到雷管端部的输出，形成压力模拟信号9，送到数字存贮器4，再通过微处理机记录并经打印机打印输出。
2.如权利要求1所述的测试雷管输出压力的方法，其特征在于：所说的雷管为火花式或间隙式微秒雷管，输出压力测量时双通道高速同步脉冲恒流源1处于同步工作状态，当按动同步手动触发按钮6后，二个通道同步工作，其中通道II对压阻传感器输出恒值电流7，压阻传感器等待压力扰动的出现，而通道I向接在输出端上高压脉冲变压器初级供电；几微秒后次级形成5KV以上的脉冲高电压8起爆雷管；再经一微秒后，压阻计上感受到雷管端部的输出冲击波作用，形成压力模拟信号9，然后送到数字存贮器4，再通过微处理机记录并经打印机打印输出。
3.如权利要求2所述的测试雷管输出压力的方法，其特征在于：所说的雷管为非高压起爆的雷管，输出压力测量是利用雷管爆炸时外壳膨胀过程，使脉冲恒流源的外接触发电探极或电探针导通，保证在压力扰动达到压阻计之前1μs左右，恒流源向压阻传感器供电，并尽快地达到恒定的电流，在这种情况下，高速同步脉冲恒流源各通道之间是独立的，其中通道I用于起爆雷管；通道II用于压力测量，它的电流输出端11与测量雷管输出压力的压阻传感器相连，它的触发端12与安装在雷管圆柱外壳中部的触发电探极13或电探针相接，当按动通道I的按钮10后，雷管爆炸，探极工作，通道II恒流源被触发并输出恒值电流，几微秒后雷管爆炸的压力扰动作用于压阻传感器，压阻传感器输出压力模拟信号14，然后经微处理机3记录并打印输出。
4.测试雷管输出压力的设备，由高速同步脉冲恒流源，防爆容器、微处理机、数字存贮器、打印机组成，其特征在于：防爆容器由防爆套205、钢球207、螺钉208、接线基座组成，防爆套的下半部螺纹段与底座201连接，底部內壁圆柱部装有U型橡胶，防爆套的顶部有一小孔，被钢球7堵死，螺钉208拧紧在防爆套205上，接线基座是由底座201、安装在一个环形绝缘板上的四对电极211，四条短电缆212，二个橡胶O形圈213，四决绝缘板214，四个Q9电缆座和底板216组成。
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