CN104596870A - 混凝土介质内冲击波压力测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土介质内冲击波压力测量装置和方法，主要由炸药装药、固定结构件、膜片压力传感器、混凝土板组成，其中测量装置为多层混凝土板结构，膜片压力传感器安装于混凝土板的表面几何中心，并夹装在两层混凝土板之间，混凝土板的表面经过精细打磨并具有将导线引出的线槽，固定结构件将炸药装药、膜片压力传感器和混凝土板紧固。本发明解决了混凝土介质中冲击波压力测量中传感器和爆心定位困难、传感器与混凝土介质界面的紧密结合等问题，不仅适用于混凝土介质中的冲击波测量，也适用于土壤、岩石等其他固体介质中的冲击波测量。本发明是一种成本较低、操作方便、测量精度较高的混凝土介质内冲击波压力测量装置和方法。
Description
技术领域
本发明属于爆炸冲击测试技术领域，主要涉及一种测量固体介质中冲击波压力测量装置和方法，具体一种测量混凝土介质中冲击波压力测量装置和方法。
背景技术
随着军事防御的发展，大批具有战略价值的军事目标(如指挥所、控制和通讯站等)转入地下深层，而且许多目标均为坚固的混凝土结构。例如反机场跑道的武器用的侵彻子母弹，通过大面积的抛洒子弹，利用动能使子弹侵彻入混凝土内部爆炸，使跑道产生足够大的弹坑或使混凝土层产生凸起，在跑道上不留下任何可能供飞机起降的完整路面，并使其在短期内难以修复，从而达到阻止飞机起飞，控制制空权的目的。因此，在军事领域，如何有效地攻击混凝土目标、增强混凝土设施的抗攻击能力，都需要研究混凝土结构内的冲击应力，为侵彻武器的研究以及防护材料/结构的性能改进研究提供必要的数据和理论。
然而，混凝土是具有大量缺陷的非均匀脆性材料，材料的动态本构关系、爆炸载荷与介质的耦合作用、介质在爆炸冲击波作用下的失效方式以及脆性材料的裂纹和破碎机制等研究，由于受到测试技术和成本等因素的限制，研究工作具有很大的难度。
现有的混凝土中冲击波压力测试技术方案是将压力传感器预先埋设在混凝土中，固化完成后再进行压力测量，这种测量方法存在以下问题：(1)传感器安装定位难。压力传感器的敏感面不能与爆心完全垂直，且在浇筑过程中容易受到位置易发生位置和偏转，导致传感器敏感面与爆心不能在同一平面或冲击波传播方向与传感器的法线不在一条直线上；(2)爆心定位难。传感器与爆心的距离很难精确定位，在浇筑过程中也不容易保证定位管是与地面垂直的，而且定位管较轻时容易上浮，较重时容易下沉；(3)压力传感器与混凝土介质的结合界面。固化过程中压力传感器与混凝土介质之间可能产生空隙，导致二者不能紧密结合，从而影响测量结果。
对于装药在混凝土介质内部爆炸的冲击波的测量，国内学者利用锰铜和压电压力传感器做了一定量的工作，但由于阻抗匹配性差、传感器的测试距离和敏感面的方向难于精确控制，导致测试重复性差、精度也较低，误差大多在50％以上，有的甚至达几倍，各单位的测试数据差异也较大，目前还没有较合理和完善的方法。
本发明申请人对国内外专利文献和公开发表的期刊论文检索，尚未发现与本发明密切相关和一样的报道或文献。
发明内容
本发明的目的是针对混凝土介质内爆炸冲击波压力测量重复性差、精度较低，还没有较准确测量方法的现状，设计了一种成本较低、精度较高的测量装置和方法，可用于炸药装药在混凝土等固体介质内爆炸冲击波压力的测量。
本发明是一种混凝土介质内冲击波压力测量装置，由炸药装药、固定结构件、膜片压力传感器、混凝土板组成，其中固定结构件包括固定支架顶板、螺杆、固定支架底板和螺帽。本发明的测量装置为多层混凝土板结构，膜片压力传感器安装在混凝土板表面的几何中心，夹装于两层混凝土板之间，炸药装药位于最顶层混凝土板的几何中心，炸药装药的中心轴线、膜片压力传感器的敏感点和混凝土板的几何中心位于混凝土板的中心轴线上；多层混凝土板结构放置在固定支架底板上，固定支架顶板放置在最顶层混凝土板或炸药装药上端，利用螺杆连接固定支架顶板上的螺孔和固定支架底板的螺孔，螺帽拧在螺杆的两端，将炸药装药、膜片压力传感器和混凝土板紧固。
本发明的实现还在于：混凝土板的形状或为立方体或为圆柱体，混凝土板的表面经过精细打磨，使两层混凝土板的接触面能够紧密结合，尽量降低混凝土板的接触面之间空隙带来的实验误差。
本发明的实现还在于：膜片压力传感器安装在混凝土板的表面几何中心，炸药装药的中心轴线、膜片压力传感器的敏感点和混凝土板的几何中心都位于同混凝土板的中心轴线上，用于控制膜片传感器敏感面的位置和方向，提高试验精度。
本发明的实现还在于：混凝土板上的线槽可将导线引出，保证混凝土板之间的紧密结合。
本发明还是一种利用混凝土介质内爆炸冲击波压力测量方法，混凝土介质内冲击波压力测量包括以下步骤：
①依据试验所需测量的压力范围和点数，确定膜片压力传感器的类型、数量和混凝土板的厚度，传感器一般选用膜片压力传感器，其体积较小、厚度≤0.2mm，与混凝土介质的匹配性较好；
②依据膜片压力传感器的长度和混凝土板的半径或边长确定装配方式，混凝土板的半径或1/2边长小于膜片压力传感器的敏感点与传输电缆焊点之间的距离时，直接进行安装；混凝土板的半径或1/2边长大于膜片压力传感器的敏感点与传输电缆的焊点之间的距离时，通过混凝土板上的线槽将导线引出，使两层混凝土板接触面的紧密结合；
③将膜片压力传感器粘贴在混凝土板的几何中心表面，然后连接传输电缆，依次逐层安装，使膜片压力传感器的敏感元件和混凝土板的中心轴线在同一直线上；
④膜片压力传感器和混凝土板全部安装完毕后，在最顶层的混凝土板上表面的几何中心安装炸药装药，利用固定结构件将炸药装药、膜片压力传感器和混凝土板紧固，使炸药装药的中心轴线、膜片压力传感器的敏感点和混凝土板的几何中心位于混凝土板的中心轴线上，达到控制膜片传感器敏感面的位置和方向，提高试验精度的目的；
⑤膜片压力传感器通过低噪声电缆连接适配器，适配器再与高速数据采集仪连接；
⑥调试高速数据采集系统，使高速数据采集系统处于正常工作状态；
⑦炸药药柱上固定好雷管后，雷管线与起爆线连接，引爆炸药装药，进行试验；
⑧高速数据采集仪记录和存储测量到炸药装药爆炸产生的冲击波压力-时间历程，通过数据处理获得其冲击波压力。
本发明的实现还在于：依据膜片压力传感器的长度和混凝土板的半径或边长，确定膜片压力传感器的安装方式。当混凝土板的半径或1/2边长小于膜片压力传感器的敏感点与传输电缆的焊点之间的距离时，可以直接进行安装；当混凝土板的半径或1/2边长大于膜片压力传感器的敏感点与传输电缆的焊点之间的距离时，通过混凝土板上线槽将导线引出，保证两层板之间的紧密结合。
本发明的实现还在于：依据炸药装药的抗压强度，确定炸药装药的安装方式。当炸药柱抗压强度较高时，安装方式参见图1；当炸药柱抗压强度较弱时，安装方式参见图2，防止紧固过程中炸药装药产生裂纹或碎裂。
本发明根据爆炸冲击测量工作的实际需要，设计了较为合理、可靠的混凝土介质冲击压力波测试方法，解决了混凝土介质冲击波压力测试过程中匹配与定位的问题。与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几个方面：
(1)针对目前混凝土介质内爆炸冲击波测试中存在传感器安装定位难、爆心定位难和压力传感器与混凝土介质的结合界面等导致测试重复性差、精度较低的问题，设计了一种重复性较好、精度较高的实验方法，测量误差可控制在15％以内，能够满足工程试验的需求，可用于炸药装药在混凝土等固体介质内爆炸冲击波的测量。
(2)本发明使用了多成混凝土板叠加的结构，使膜片压力传感器夹装于两层混凝土板之间，使炸药装药的中心轴线、膜片压力传感器的敏感点和混凝土板的几何中心位于混凝土板的中心轴线上，可以精准控制传感器敏感面的方向和传感器敏感面与爆心的距离，有效地解决了混凝土介质中冲击波压力测量中的压力传感器和爆心定位、压力传感器与混凝土介质界面的紧密结合等问题。
(3)本发明中使用的膜片压力传感器不仅厚度很薄(≤0.2mm)，还具有量程宽、抗冲击性能好、动态响应快等特点，与混凝土介质具有较好的阻抗匹配性，解决了传感器与混凝土介质的阻抗不匹配问题。
(4)本发明不仅适用于混凝土介质中的冲击波测量，也适用于土壤、岩石等其他固体介质中的冲击波测量。本发明是一种成本较低、操作方便、重复性较好、测量精度较高的混凝土介质内冲击波压力测量装置和方法。
附图说明：
图1是本发明的混凝土介质内冲击波压力测量装置A。
图2是本发明的混凝土介质内冲击波压力测量装置B。
图3是本发明的正方形固定支架顶板。
图4是本发明的正方形固定支架底板。
图5是本发明的长方形固定支架顶板。
图6是本发明的长方形固定支架底板。
图7是本发明的圆形固定支架顶板。
图8是本发明的圆形固定支架底板。
图9是本发明混凝土板的半径或1/2边长小于膜片压力传感器的敏感点与传输电缆的焊点之间的距离时的安装方式。
图10是混凝土板的半径或1/2边长大于膜片压力传感器的敏感点与传输电缆的焊点之间的距离时的安装方式。
图11是带线槽的混凝土板的侧面剖视图。
具体实施方式：
下面结合附图及优选实施例对本发明进一步详细说明：
实施例1：
本发明是一种混凝土介质内冲击波压力测量装置和方法，由炸药装药1、固定结构件、膜片压力传感器3、混凝土板4组成，其中固定结构件包括固定支架顶板2、螺杆5、固定支架底板6和螺帽7，测量装置为多层混凝土板4结构，膜片压力传感器3安装在混凝土板4表面的几何中心，夹装于两层混凝土板4之间，逐层安装完毕后，将多层混凝土板结构放置在固定支架底板6上，固定支架顶板2放置在最顶层混凝土板上，通过螺孔9和螺孔10利用螺杆5连接固定支架顶板2和固定支架底板6，螺帽7拧在螺杆5的两端，将炸药装药1、膜片压力传感器3和混凝土板4紧固，完成整个装置的安装。采用混凝土介质内冲击波压力测量装置A的结构形式时，预留孔8为雷管安装孔，参见图1；采用混凝土介质内冲击波压力测量装置B的结构形式时，预留孔8为炸药装药1安装孔，参见图2。预留孔8的大小依据混凝土介质内冲击波压力测量装置的形式和炸药装药1的直径确定。
本发明还是一种利用混凝土介质内爆炸冲击波压力测量方法，混凝土介质内冲击波压力测量包括以下步骤：
①依据试验所需测量的压力范围和点数，确定传感器的数量和混凝土板4的厚度，传感器一般选用膜片压力传感器，膜片压力传感器不仅厚度很薄(≤0.2mm)，还具有量程宽、抗冲击性能好、动态响应快等特点，与混凝土介质具有较好的阻抗匹配性。
②依据膜片压力传感器3的长度和混凝土板4的半径或边长确定装配方式，混凝土板4的半径或1/2边长小于膜片压力传感器3的敏感点与传输电缆焊点之间的距离时，直接进行安装；混凝土板4的半径或1/2边长大于膜片压力传感器3的敏感点与传输电缆的焊点之间的距离时，通过混凝土板4上的线槽11将导线引出，使相邻的混凝土板4接触面的紧密结合；
③将膜片压力传感器3粘贴在混凝土板4表面的几何中心，然后连接传输电缆，依次逐层安装，使膜片压力传感器3的敏感元件和混凝土板4的中心轴线在同一直线上；
④将膜片压力传感器3和混凝土板4全部安装完毕后，在最顶层的混凝土板上表面的几何中心安装炸药装药1，利用固定结构件将炸药装药1、膜片压力传感器3和混凝土板4紧固，使炸药装药1的中心轴线、膜片压力传感器3的敏感点和混凝土板4的几何中心位于混凝土板的中心轴线上；
⑤膜片压力传感器3通过低噪声电缆连接适配器，适配器再与高速数据采集仪连接；
⑥调试高速数据采集系统，使高速数据采集系统处于正常工作状态；
⑦炸药药柱1上固定好雷管后，雷管线与起爆线连接，引爆炸药装药1，进行试验；
⑧高速数据采集仪记录和存储测量到炸药装药1爆炸产生的冲击波压力-时间历程，通过数据处理获得其冲击波压力。
本例中炸药装药1为GUHL-2，质量200g，尺寸φ50×55mm，测量装置选用混凝土介质内冲击波压力测量装置A的结构形式，参见图1。依据试验要求和试验药量确定膜片传感器3的数量为1个，混凝土板4强度等级C-35，正方形，边长80mm，厚10mm，混凝土板共3层，确定膜片传感器3安装在第2层混凝土板4的上表面几何中心；膜片压力传感器3为美国Dynasn公司的PVDF薄膜压力传感器，尺寸长15mm、宽90mm、厚0.028mm，敏感元件大小为2.54mm×2.54mm，混凝土板4的半径或1/2边长小于膜片压力传感器3的敏感点与传输电缆的焊点之间的距离，可以直接进行安装，参见图9。固定支架顶板2和固定支架底板6为木板，厚度均为8mm，正方形，参见图3和图4，尺寸120mm×120mm，固定支架顶板2上的预留孔8的稍大于雷管的直径，便于安装雷管，螺杆5为两端带螺纹的钢制结构，螺帽7的螺纹与螺杆5为两端带螺纹相匹配。将膜片压力传感器3粘贴在混凝土板4表面的几何中心，依次逐层安装。膜片压力传感器3和混凝土板4全部安装完毕后，将炸药装药1粘贴在最顶层混凝土板上表面的几何中心，即爆心。将多层混凝土板结构放置在固定支架底板6上，固定支架顶板2放置在最顶层混凝土板4上，利用螺杆5连接固定支架顶板2螺孔9和固定支架底板6螺孔10，将螺帽7拧在螺杆5的两端，将炸药装药1、膜片压力传感器3和混凝土板4紧固。装置安装完毕后，连接雷管线与起爆线，引爆炸药装药1，进行试验，利用高速数据采集仪记录和存储测量到炸药装药1爆炸产生的冲击波压力-时间历程，通过数据处理获得其冲击波压力。试验共进行了3次，数据分别为1.98GPa、1.85GPa和2.12GPa，相对误差为≤6.6％。
针对目前混凝土介质内爆炸应力波测试重复性差、精度较低的问题，本例的测试方案经过多次试验验证，是一种测试成本较低、精度较高的实验方法，可用于炸药在混凝土等固体介质内爆炸冲击波的测量。
实施例2
混凝土介质中冲击波压力测量装置和方法同实施例1，本例中采用混凝土介质内冲击波压力测量装置B的结构形式，参见图2。试验炸药1为AFX-757，质量300g，尺寸φ60×60mm，依据试验要求和试验药量确定膜片传感器3的数量为1个，混凝土板4强度等级为C-45，长方形，参见图5和图6，尺寸：长120mm×宽100mm×厚20mm；膜片压力传感器3为锰铜压力传感器，将锰铜压力传感器焊接传输电缆；混凝土板4的半径或1/2边长大于膜片压力传感器3的敏感点与传输电缆的焊点之间的距离时，需通过线槽11进行安装，参见图10和图11。固定支架顶板2和固定支架底板6为钢板，厚度均为5mm，尺寸100mm×120mm，固定支架顶板2上的预留孔8的稍大于炸药装药1的直径，螺杆5为两端带螺纹的钢制结构，螺帽7的螺纹与螺杆5为两端带螺纹相匹配。将膜片压力传感器3粘贴在混凝土板4的几何中心表面，依次逐层安装。膜片压力传感器3和混凝土板4全部安装完毕后，将炸药装药1粘贴在最顶层混凝土板上表面的几何中心。将多层混凝土板结构放置在固定支架底板6上，固定支架顶板2的预留孔8通过炸药装药1放置在最顶层混凝土板上，利用螺杆5连接固定支架顶板2螺孔9和固定支架底板6螺孔10，将螺帽7拧在螺杆5的两端，将炸药装药1、膜片压力传感器3和混凝土板4紧固。装置安装完毕后，连接雷管线与起爆线，引爆炸药，进行试验，利用高速数据采集仪记录和存储测量到炸药装药1爆炸产生的冲击波压力-时间历程，通过数据处理获得其冲击波压力，经测量20mm处的冲击波压力为1.98GPa。
本发明使用了多成混凝土板叠加的结构，使膜片压力传感器夹装于两层混凝土板之间，使炸药装药的中心轴线、膜片压力传感器的敏感点和混凝土板的几何中心位于混凝土板的中心轴线上，可以精准控制传感器敏感面的方向和传感器敏感面与爆心的距离，有效地解决了混凝土介质中冲击波压力测量中的压力传感器和爆心定位、压力传感器与混凝土介质界面的紧密结合等问题。
实施例3
混凝土介质中冲击波压力测量装置和方法同实施例1-2，试验炸药1为CL-20炸药，质量18.5g，尺寸φ20×30mm，依据试验要求和试验药量确定膜片传感器3的数量为3个，混凝土板4强度等级为C-40，圆形，直径80mm，厚20mm；膜片压力传感器3为PVDF压力传感器，将PVDF压力传感器焊接传输电缆，混凝土板4的半径或1/2边小于大于膜片压力传感器3的敏感点与传输电缆的焊点之间的距离时，可以直接进行安装。固定支架顶板2和固定支架底板6为铝板，参见图7和图8，尺寸φ100mm×5mm，采用混凝土介质内冲击波压力测量装置B的结构形式进行装配。装置安装完毕后，连接雷管线与起爆线，引爆炸药，进行试验，利用高速数据采集仪记录和存储测量到炸药装药1爆炸产生的冲击波压力-时间历程，通过数据处理获得其冲击波压力，经测量20mm处的冲击波压力为1.55GPa，40mm处的冲击波压力为0.21GPa，60mm处的冲击波压力为0.19GPa。
本发明不仅适用于混凝土介质中的应力波测量，也适用于土壤、岩石等其他固体介质中应力波的测量。本发明是一种成本较低、操作方便、重复性较好、测量精度较高的混凝土介质内冲击波压力测量装置和方法。
本发明公开了一种混凝土介质内冲击波压力测量装置和方法，主要由炸药装药1、固定结构件、膜片压力传感器3、混凝土板4组成，其中测量装置为多层混凝土板结构，膜片压力传感器3安装于混凝土板4的表面几何中心，并夹装在两层混凝土板4之间，混凝土板4的表面经过精细打磨并具有将导线引出的线槽11，固定结构件将炸药装药1、膜片压力传感器3和混凝土板4紧固。本发明解决了混凝土介质中冲击波压力测量中传感器和爆心定位困难、传感器与混凝土介质界面的紧密结合等问题，不仅适用于混凝土介质中的冲击波测量，也适用于土壤、岩石等其他固体介质中的冲击波测量。本发明是一种成本较低、操作方便、测量精度较高的混凝土介质内冲击波压力测量装置和方法。
Claims (6)
1.一种混凝土介质内冲击波压力测量装置，包括炸药装药(1)、固定结构件、膜片压力传感器(3)、混凝土板(4)，其中固定结构件由固定支架顶板(2)、螺杆(5)、固定支架底板(6)和螺帽(7)组成，其特征在于：测量装置为多层混凝土板结构，膜片压力传感器(3)安装在混凝土板(4)表面的几何中心，夹装于两层混凝土板(4)之间，炸药装药(1)位于最顶层混凝土板(4)的几何中心，炸药装药(1)的中心轴线、膜片压力传感器(3)的敏感点和混凝土板(4)的几何中心位于混凝土板(4)的中心轴线上；多层混凝土板结构放置在固定支架底板(6)上，固定支架顶板(2)放置在最顶层混凝土板(4)或炸药装药(1)上端，利用螺杆(5)连接固定支架顶板(2)上的螺孔(9)和固定支架底板(6)的螺孔(10)，螺帽(7)拧在螺杆(5)的两端，将炸药装药(1)、膜片压力传感器(3)和混凝土板(4)紧固。
2.根据权利要求1所述的混凝土介质内冲击波波压力测量装置，其特征在于：混凝土板(4)的形状或为立方体或为圆柱体，各层混凝土板(4)的接触面紧密结合。
3.根据权利要求1所述的混凝土介质内冲击波波压力测量装置，其特征在于：混凝土板上设置有线槽(11)。
4.一种混凝土介质内冲击波波压力测量方法，其特征在于：混凝土介质内冲击波波压力测量包括以下步骤：
步骤1：依据试验所需测量的压力范围和点数，确定膜片压力传感器(3)的类型、数量和混凝土板(4)的厚度；
步骤2：依据膜片压力传感器(3)的长度和混凝土板(4)的半径或边长确定装配方式，混凝土板(4)的半径或1/2边长小于膜片压力传感器(3)的敏感点与传输电缆焊点之间的距离时，直接进行安装；混凝土板(4)的半径或1/2边长大于膜片压力传感器(3)的敏感点与传输电缆的焊点之间的距离时，通过混凝土板(4)上的线槽(11)将导线引出，使两层混凝土板(4)接触面的紧密结合；
步骤3：将膜片压力传感器(3)粘贴在混凝土板(4)表面的几何中心，然后连接传输电缆，依次逐层安装，使膜片压力传感器(3)的敏感元件和混凝土板的中心轴线在同一直线上；
步骤4：膜片压力传感器(3)和混凝土板(4)全部安装完毕后，在最顶层的混凝土板(4)上表面的几何中心安装炸药装药(1)，利用固定结构件将炸药装药(1)、膜片压力传感器(3)和混凝土板(4)紧固，使炸药装药(1)的中心轴线、膜片压力传感器(3)的敏感点和混凝土板(4)的几何中心位于混凝土板(4)的中心轴线上；
步骤5：膜片压力传感器(3)通过低噪声电缆连接适配器，适配器再与高速数据采集仪连接；
步骤6：调试高速数据采集系统，使高速数据采集系统处于正常工作状态；
步骤7：炸药药柱(1)上固定好雷管后，雷管线与起爆线连接，引爆炸药装药(1)，进行试验；
步骤8：高速数据采集仪记录和存储测量到炸药装药(1)爆炸产生的冲击波压力-时间历程，通过数据处理获得其冲击波压力。
5.根据权利要求5所述的混凝土介质内冲击波压力测量方法，其特征在于：依据膜片压力传感器(3)的长度和混凝土板(4)的半径或边长，确定膜片压力传感器(3)的安装方式。
6.根据权利要求5所述的混凝土介质内冲击波压力测量方法，其特征在于：依据炸药装药(1)的抗压强度，确定炸药装药(1)的安装方式。
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