CN105628522B - 测量金属密实物质前界面的阶跃信号电探针测试电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光电瞬态测试技术领域，提供一种测量金属密实物质前界面的阶跃信号电探针测试电路，包括电探针和阶跃信号形成电路，阶跃信号形成电路包括电压源、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、第三电阻，第一电阻的一端与电压源连接，第二电阻的一端与电探针连接，第二电阻的另一端、第一电容的一端、第二电容的一端与第一电阻的另一端连接，第一电容的另一端、第二电容的另一端与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端均接地。本发明提出的技术方案具有长时间恒压放电能力，具备深入微喷射物质层并响应金属样品密实物质界面的测试能力。

Description

测量金属密实物质前界面的阶跃信号电探针测试电路
技术领域
本发明属于光电瞬态测试技术领域，特别涉及一种测量金属密实物质前界面的阶跃信号电探针测试电路。
背景技术
目前，脉冲信号电探针测试电路是测试金属样品表面随时间运动的过程、研究冲击动力学特性及校验数值模拟程序的重要手段，图1和图2为金属样品表面状态示意图，其中图1为微喷、基体两层结构示意图，图2为微喷、微层裂、基体三层结构示意图。
在脉冲信号电探针测试电路应用时，如果冲击波到达金属表面并发生反射，可能会导致金属表面发生物质喷射、破碎、熔化等现象。由于上述原因，当脉冲信号电探针测试电路用于这类实验的金属样品密实物质界面到达时间测量时，受到微喷射物质干扰，脉冲信号电探针测试电路会出现多种“不正常”放电现象，导致无法获取准确的时间信息。
发明内容
【要解决的技术问题】
本发明的目的是提供一种测量金属密实物质前界面的阶跃信号电探针测试电路，以解决在测量金属样品密实物质界面到达时间时，目前的脉冲信号电探针测试电路无法获取准确时间信息的问题。
【技术方案】
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明涉及一种测量金属密实物质前界面的阶跃信号电探针测试电路，包括电探针和阶跃信号形成电路，所述阶跃信号形成电路包括电压源、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、第三电阻，所述第一电阻的一端与电压源连接，所述第二电阻的一端与电探针连接，所述第二电阻的另一端、第一电容的一端、第二电容的一端与第一电阻的另一端连接，所述第一电容的另一端、第二电容的另一端与第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端接地。
作为另一种优选的实施方式，所述第一电容的电容值大于第二电容的电容值。
作为一种优选的实施方式，所述第一电容的电容值C按照下式进行计算：
上式中，T恒压为预设的第一电容的恒压时间，RRP为第二电阻的阻值，RRS为第三电阻的阻值，RRX为被测物质的电阻值，ΔVC1/VC1始为恒压时间内的第一电容的电压变化需求值，其中ΔVC1为恒压时间内第一电容电压的变化值，VC1始为恒压时间内第一电容电压的初始值。
作为另一种优选的实施方式，恒压时间内的第一电容的电压变化需求值和/或第二电容的电压变化需求值小于等于1％。
作为另一种优选的实施方式，所述第二电阻的阻值和第三电阻的阻值均为50Ω。
下面对本发明进行详细说明。
本发明对脉冲信号电探针测试电路的信号形成电路改进，通过设计一种阶跃信号形成电路，进而得到了一种阶跃信号电探针测试电路。首先，为了使电探针能够克服微喷射物质的影响，提出采用恒压源代替传统脉冲信号形成电路中小电容的改进方案，并提出大小电容并联的设计方案。具体地，阶跃信号形成电路包括电压源、第一电阻、第一电容、第二电容、第二电阻和第三电阻，其中与电压源连接的第一电阻为限流电阻，第一电容为大电容，第一电容用于保证充足的电荷容量，第二电容为小电容，第二电容用于保证放电回路良好的高频特性，第一电容与第二电容相互并联形成恒压源，本发明中，第一电容的电容值的计算原理为：分析发现电探针“不正常”放电时间一般为亚微秒时间，为保证一定裕量，选取第一电容所需的恒压时间为T恒压，在恒压时间内该电容的电压变化需求ΔVC1/VC1始在1％以内，根据以下公式：
则可计算出第一电容的电容值C，上式中，T恒压为满足爆轰测试时间条件下预设的第一电容所需的恒压时间，可以将其设置为2μs，作为一种优选的方案，式中，第二电阻的阻值和第三电阻的阻值取50Ω，另外，本发明中，第二电容的电容值的选取与传统脉冲信号电探针电路取值方法相同，按照经验值，一般将第二电容的电容值取为510pF。
根据阶跃信号的原理可知，上述阶跃信号电探针测试电路具有长时间放电能力，同时可以保证在测试时间内电探针的放电电压恒定，另外，大小电容并联的设计方案也可以保证电路具有良好的高频特性。
【有益效果】
本发明提出的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明电路具有长时间放电能力，具备深入微喷射物质层并响应金属样品密实物质界面的测试能力。
(2)在测试时间内电探针的放电电压恒定，从而可从电探针放电电压信号的幅值变化观察被测物质的电阻变化，具有识别微喷射物质和密实物质的能力。
(3)放电回路具有良好的高频特性，可及时响应爆轰加载下高速飞片撞击过程，具有传统电探针的测试能力。
附图说明
图1为金属表面状态示意图。
图2为金属表面状态示意图。
图3为爆轰加载锡金属样品实验装置的原理图。
图4为本发明实施例提供的阶跃信号电探针测试电路的原理图。
图5为本发明实施例提供的阶跃信号电探针测试电路中的阶跃信号形成电路的原理图。
图6为本发明实施例中理想放电时阶跃信号电探针和脉冲信号电探针信号数据对比图。
图7为本发明实施例中多次放电时阶跃信号电探针和脉冲信号电探针信号数据对比图。
图8为本发明实施例中电信号阶梯上升时阶跃信号电探针和脉冲信号电探针信号数据对比图。
图9为本发明实施例中高速微喷射物质导通时的阶跃信号电探针和脉冲信号电探针信号数据对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的具体实施方式进行清楚、完整的描述。
实施例
本实施例开展爆轰实验，使锡金属样品发生微喷射现象，同时采用本发明提出的阶跃信号电探针测试电路和传统使用的脉冲信号电探针测试电路对金属表面状态进行测试，对比分析两类电探针系统的响应特性，其中，图3为开展爆轰实验的爆轰加载锡金属样品实验装置的原理图，如图3所示，该实验装置包括雷管、高能炸药、锡金属样品和电探针，该电探针为阶跃信号电探针测试电路的一部分，具体地，锡金属样品表面粗糙度为0.8μm，锡金属样品尺寸为Φ25mm×4mm，高能炸药型号为JOB-9003，尺寸为Φ25mm×30mm，需要对比的脉冲信号电探针测试电路的电探针和阶跃信号电探针测试电路的电探针具有同样的界面高度和同样的距离中心半径。图4为本发明实施例阶提供的跃信号电探针测试电路的原理图，如图4所示，该测试电路包括被测试的金属样品、电探针、阶跃信号形成电路和示波器，其中金属样品为锡金属样品，锡金属样品等效电阻为RX，电探针与阶跃信号形成电路连接，示波器与阶跃信号形成电路连接，示波器用于实验结果观察，图5为本发明实施例提供的阶跃信号电探针测试电路中的阶跃信号形成电路的原理图，如图5所示，该阶跃信号形成电路包括电压源E、电阻RE、电阻Rp、电容C1、电容C2、电阻Rs，电压源E连接有限流电阻RE，电阻Rp的一端与电探针连接，电阻Rp的另一端、电容C1的一端、电容C2的一端与电阻RE的另一端连接，电容C1的另一端、电容C2的另一端与电阻Rs的一端连接，电阻Rs的另一端接地。电容C1的电容值C的计算公式为：
式中电阻Rp的阻值RRP和电阻Rs的阻值RRS取50Ω，T恒压为电容C1的恒压时间，取为2μs，RRX为锡金属样品RX的电阻，ΔVC1/VC1始为恒压时间内的电容C1的电压变化需求值，其中ΔVC1为恒压时间内电容C1电压的变化值，VC1始为恒压时间内电容C1电压的初始值。另外，本发明实施例中，电容的电容值C2取为510pF。
图6为脉冲信号电探针测试电路的电探针(以下简述为脉冲信号电探针)波形和阶跃信号电探针测试电路的电探针(以下简述为阶跃信号电探针)波形对比，如图6所示，阶跃信号电探针波形的前沿上升速度与脉冲信号电探针波形的前沿上升速度一致，阶跃信号电探针测试电路的具有较优的高频响应。
在微喷射爆轰实验中，两类电探针信号均受到微喷射物质的作用影响。典型的脉冲信号电探针和阶跃信号电探针对比测试波形有如下三类：(1)多次放电波形：如图7所示，阶跃信号电探针出现两次放电，第二次放电出现完整的阶跃信号，表示金属样品密实物质界面的到达，到达时间为23.90μs，而脉冲信号电探针出现一次脉冲信号，在金属样品密实物质界面到达后，脉冲信号电探针放电基本完毕而不能再次产生脉冲信号，采用脉冲信号电探针则会误判金属样品的密实物质界面到达时间；(2)电信号阶梯上升：如图8所示，阶跃信号电探针信号的电压呈现阶梯上升，并最后达到最高电平，表征金属样品密实物质界面的到达，到达时间为26.32μs，而脉冲信号电探针则出现多次放电现象，无法有效识别金属样品密实物质界面的到达；(3)高速微喷射物质导通：如图9所示，阶跃信号电探针和脉冲信号电探针均出现了多次放电现象，阶跃信号电探针最后出现了明显区别于前段瞬间放电脉冲信号的阶跃信号，表征金属样品密实物质界面的到达，到达时间为18.90μs，而脉冲信号电探针出现多次相似的脉冲信号，无法识别金属样品密实物质界面的到达。而绝大多数脉冲信号电探针出现“不正常”放电波形，难以识别金属样品密实物质界面的到达。而阶跃电探针信号存在高电平阶跃信号特征，可识别微喷物质对信号的影响部分和密实物质界面的到达。
从以上实施例可以看出，本发明实施例电路具有长时间放电能力，具备深入微喷射物质层并响应金属样品密实物质界面的测试能力；另外，在测试时间内电探针的放电电压恒定，从而可从电探针放电电压信号的幅值变化观察被测物质的电阻变化，具有识别微喷射物质和密实物质的能力；最后，放电回路具有良好的高频特性，可及时响应爆轰加载下高速飞片撞击过程，具有传统电探针的测试能力。
需要说明，上述描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，也不是对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种测量金属密实物质前界面的阶跃信号电探针测试电路，其特征在于包括电探针和阶跃信号形成电路，所述阶跃信号形成电路包括电压源(E)、第一电阻(RE)、第二电阻(Rp)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电阻(Rs)，所述第一电阻(RE)的一端与电压源(E)连接，所述第二电阻(Rp)的一端与电探针连接，所述第二电阻(Rp)的另一端、第一电容(C1)的一端、第二电容(C2)的一端与第一电阻(RE)的另一端连接，所述第一电容(C1)的另一端、第二电容(C2)的另一端与第三电阻(Rs)的一端连接，所述第三电阻(Rs)的另一端接地；
恒压时间内的第一电容(C1)的电压变化需求值小于等于1％。
2.根据权利要求1所述的测量金属密实物质前界面的阶跃信号电探针测试电路，所述第一电容(C1)的电容值大于第二电容(C2)的电容值。
3.根据权利要求1所述的测量金属密实物质前界面的阶跃信号电探针测试电路，其特征在于所述第一电容(C1)的电容值C按照下式进行计算：
上式中，T恒压为预设的第一电容(C1)的恒压时间，RRP为第二电阻(Rp)的阻值，RRS为第三电阻(Rs)的阻值，RRX为被测物质(RX)的阻值，ΔVC1/VC1始为恒压时间内的第一电容(C1)的电压变化需求值，其中ΔVC1为恒压时间内第一电容(C1)电压的变化值，VC1始为恒压时间内第一电容(C1)电压的初始值。
4.根据权利要求1所述的测量金属密实物质前界面的阶跃信号电探针测试电路，其特征在于所述第二电阻(Rp)的阻值和第三电阻(Rs)的阻值均为50Ω。
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