CN108490228A - 一种用于冲击波测量的电探针及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冲击波测量的电探针及其制作方法。该电探针主要是由金属毛细管、漆包金属丝、金属引线和热缩管组成；漆包金属丝一端涂有绝缘涂层并穿置于金属毛细管内。顶部涂上导电胶固化固定，尾部用树脂胶粘结固定；漆包金属丝另一端刮漆浸锡。金属引线绕接于金属毛细管尾部，套上热宿管固定。金属引线与漆包金属丝作为电探针的两个电极；检验合格后为一根高灵敏度冲击波测量用电探针。本发明的电探针有较好的冲击波响应性，响应时间达到纳秒量级，响应范围广，可从十几吉帕到几百吉帕，而且具有体积小，安装环节简单，使用方便，制作成本低，能够显著降低研究成本。

Description

一种用于冲击波测量的电探针及其制作方法

技术领域

本发明属于冲击波测量装置领域，具体涉及一种用于冲击波测量的电探针及其制作方法，更确实地说，是涉及一种高速脉冲电开关元件，用于监测冲击波波阵面或者运动物体表面到达某一预定位置的元件及其制作方法。

背景技术

在冲击波物理和部分爆轰物理实验中，飞片动态碰撞角，冲击波速度和波阵面倾角经常采用电探针测量。飞片动态碰撞角是指飞片平面和靶平面相碰撞时的夹角，它反映了单轴碰撞的近似程度；波阵面倾角是指冲击波波阵面与靶端面之间的夹角，受飞片动态碰撞角影响。在冲击实验中将电探针接入电脉冲网络电路中，作为高速脉冲电开关。实验前将网络电路中的电容器充电，当高速运动的飞片与电探针碰撞时或者冲击波到达电探针处，将产生一个电脉冲信号，由记录仪器采集作为时间信号。此外，电探针产生的脉冲电信号有时候作为一种触发信号提供给其他测试设备。由此可见，电探针在冲击实验中起着非常重要的作用，因此电探针的可靠性和对时间的测量精度要求非常高，测量的不确定度要求在几十个纳秒以内。

文献《经福谦.实验物态方程导引(第二版).北京：科学出版社，1999》，《王金贵.实气体炮原理及技术.北京：国防工业出版社，2001》和文献《孙承纬.应用爆轰物理学.北京：国防工业出版社，2000》中提供了多种用于冲击波物理和爆轰物理实验测试所用的电探针种类、形状、尺寸和材料，总结如下：

就其功能来说，电探针是一种高脉冲电开关元件，广泛用于动高压实验领域。电探针有多种结构形式，主要包括光杆式探针、同轴式探针、盖帽式探针、压电式探针、组合式探针等，其中：

光杆式探针：一种结构形式最简单的测量冲击波速度的电探针，通体是由一根光滑的杆状导电体和金属引线组成，尺寸(直径)可以做到1mm，甚至更小。头部被加工成半球面，也被称为球头式探针。使用时需要与被测样品构成闭合回路，探针作为一极，被测样品作为一极，两极之间用一层微米级绝缘膜隔开。如果被测样品为非导体，需要在其表面和探针之间增加一金属箔才能使用，因此应用受到限制。总的来说，光杆式探针结构简单，制作成本低，但是样品安装环节复杂，应用范围有限。

同轴式探针：光杆式探针的改进型，即在光杆导体外面增加一金属外壳，中间用绝缘导管隔离。端面通过微米绝缘膜与被测样品表面接触，冲击波达到时端面时，绝缘膜被刺穿，外壳与光杆导体通过样品接通，形成放电回路。对于非导电样品，同样需要在两者之间增加一金属箔才能使用。样品安装环节复杂，应用范围受限。

盖帽式探针：同轴式探针的改进型，即在同轴式探针端面增加一金属盖帽。盖帽与内导体之间由一绝缘膜隔开，并与金属外壳相连。金属盖帽的作用是隔开空气冲击对内导体的影响。盖帽式探针加工和工艺要求较高，因此其价格也比较昂贵。此外，盖帽式探针一致性比较难控制，所以测得的数据比较分散。

压电式探针：同轴式探针的改进型，即在同轴式探针端面嵌入压电晶体。压电晶体一端面与内导体接触，另一端面通过铜片与金属外壳接触。由于压电晶体的绝缘性，无需在样品与电探针之间垫微米级绝缘膜，简化了样品安装环节。同时，由于压电晶体本身就是一个电压源，冲击实验时不需要附加网络电路，简化了测试系统。但是压电式探针加工工艺要求较高，制作复杂，因此价格比较昂贵，大大增加了实验成本。

组合式探针：以上各种探针均属于单体探针，受尺寸限制，很难在被测样品表面安装多组电探针。组合式探针将漆包金属丝、样品支架、样品结合在一起，使探针的密度大大提高。组合式探针只在特定实验中使用，使用率较低。

以上介绍的各种结构形式的电探针或多或少地存在不足，使用受到限制：光杆式探针和同轴式探针，结构简单，制作成本低，但是样品安装环节复杂；盖帽式探针和压电式探针能够简化样品安装环节，但是其结构复杂，加工工艺要求较高，价格不菲，实验成本较高；而组合式探针只适用于特定实验中，使用率较低。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：提供一种用于冲击波测量的电探针及其制作方法，以便解决上述电探针在被测样品安装环节或者制作成本上的不足。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的用于冲击波测量的电探针，是由金属毛细管、漆包金属丝、金属引线、绝缘涂层、导电涂层、热缩管、树脂和镀锡层组成，其中：漆包金属丝穿出金属毛细管头部内腔的一端涂有一层绝缘涂层，漆包金属丝穿出金属毛细管尾部内腔的另一端刮漆浸锡；金属毛细管尾部用树脂与漆包金属丝胶粘结固定，金属毛细管头部涂上导电涂层固化固定；金属引线绕接于金属毛细管尾部，涂上导电胶固化后套上热宿管固定。

所述金属毛细管采用不锈钢或黄铜材质。

所述漆包金属丝为聚氨酯漆包线，绝缘耐温155℃，外径稍小于金属毛细管内径，长度显著大于金属毛细管长度。

所述绝缘涂层为聚氨酯层，涂层厚度≤0.1mm，涂层均匀，完全包覆漆包金属丝端面。

所述导电涂层厚度为0.1-0.2mm。

所述金属引线与金属毛细管采用冷接方法，避免锡焊，防止金属毛细管内漆包金属丝热熔而导通。

本发明提供的用于冲击波测量的电探针的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：将金属毛细管和漆包金属丝两端端口用细砂纸打磨光滑，并清洁干净；

步骤2：金属引线一端脱去绝缘层并浸锡，漆包金属丝一端刮漆浸锡，形成镀锡层，使用时方便焊接；

步骤3：室温下将聚氨酯漆、稀释剂、固化剂按质量比1：X：0.5(X＝0.3-0.8)配制，3组分混合均匀后，涂在漆包金属丝另一端面，小心放入电热干燥箱中，固化后形成绝缘涂层；

步骤4：将漆包金属丝涂有绝缘涂层的一端穿置于金属毛细管内，漆包金属丝顶端距离金属毛细管顶端0.1-0.2mm，用尖端磨平的大头针或缝衣针进行定位，保证该批次生产的电探针一致性；

步骤5：室温下，将环氧树脂的甲、乙组分按质量比1：1比例进行配制，混合均匀后涂抹在金属毛细管尾部，放入电热干燥箱中，使树脂充分固化；

步骤6：室温下，将导电胶、稀释剂按质量比1：x(x＝0.5-0.8)比例进行配制，混合均匀后，涂抹在金属毛细管顶端，若金属毛细管外壁不小心沾上导电胶，用沾有酒精的脱脂棉清洁干净，然后放入电热干燥箱中，使导电胶充分固化；

步骤7：待金属毛细管顶端导电胶充分固化后，用细砂纸磨去端面多余的导电胶，保证与端面齐平；

步骤8：金属引线另一端脱去绝缘层，紧密缠绕在金属毛细管尾部并均匀涂上导电胶，套上热缩管，用电热吹风间断地吹热缩管使其收缩，然后放入电热干燥箱中，使尾部导电胶固化；

步骤9：检验合格，包装后即得到所需产品。

上述方法步骤3、5、6、8中，电热干燥箱内的温度不宜超过80℃，电探针在电热干燥箱中放置的时间不少于1小时。

上述方法步骤8中，金属引线缠绕在金属毛细管尾部的圈数不少于3圈。

上述方法步骤8中，禁止电热吹风一直吹热缩管，防止温度过高使得漆包金属丝绝缘层热熔。

本发明与现有技术相比具有以下主要的有益效果：

1.与传统盖帽探针相比，抛弃使用金属盖帽这个部件，因为1mm以下甚至1、2mm金属盖帽加工非常困难，精度难以控制，而且在使用过程中会出现金属帽与金属管连接不够紧密而脱落现象，本发明采用导电涂层替代金属帽，只需要调节好聚合物银导电浆料粘稠度，省去了机械加工环节。

2.由于本发明舍弃了金属盖帽，并采用漆包金属丝，所以本发明的电探针可以做到更小的直径，本发明的电探针最小直径可到0.4mm。

3.本发明的电探针不需要精密的机械加工，大大降低了机械加工的成本，制作过程也并不复杂，因此电探针的制造成本显著降低。

4.本发明的电探针使用聚氨酯涂层替代了绝缘膜，聚氨酯的绝缘耐热温度为155℃，能够响应更低的冲击波压力，因此具有较好的冲击波响应性，冲击波压力响应范围更广，能够响应十几吉帕到几百吉帕的压力范围。

附图说明

图1为本发明用于冲击波测量的电探针的结构示意图。

图2为本发明用于冲击波测量的电探针在实验中的安装示意图。

图3为本发明用于冲击波测量的电探针在一次冲击实验中的响应图。

图中：1.金属毛细管，2.漆包金属丝，3.金属引线，4.绝缘涂层，5.导体涂层，6.热缩管，7.树脂，8.镀锡层，9.飞片，10.样品，11.绝缘支架，12.窗口，13.电探针，14.网络电路，15.示波器，16.光纤位移干涉仪，17.同轴电缆，18.光纤。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的用于冲击波测量的电探针，其结构如图1所示，由金属毛细管1、漆包金属丝2、金属引线3、绝缘涂层4、导电涂层5、热缩管6、树脂7和镀锡层8组成，其中：金属引线3作为一个电极连接到金属毛细管1的尾部，漆包金属丝2的一端涂上一层均匀绝缘涂层4，另一端刮漆镀锡作为另一个电极。

所述金属毛细管1的尾部通过树脂7与漆包金属丝2胶粘结固定，金属毛细管1的顶部通过涂上导电涂层5与漆包金属丝连接。该金属毛细管可以采用不锈钢或黄铜材质制成，切口齐平，光滑无毛刺。

所述漆包金属丝2的长度要大于金属毛细管1的长度，漆包金属丝2的外径稍微小于金属毛细管1的内径，使得漆包金属丝1可以轻松穿置金属毛细管2内，长度显著大于金属毛细管1长度。漆包金属丝2为聚氨酯漆包线(QA)，耐热等级F级别(155℃)。该漆包金属丝2的一端切口齐平，光滑无毛刺，切口涂上一层均匀绝缘涂层4；该漆包金属丝2的另一端脱漆浸锡，方便使用时焊接。

涂有绝缘涂层4一端的漆包金属丝2穿置于金属毛细管1内，距离金属毛细管1顶端0.5mm。绝缘涂层为聚氨酯层，涂层厚度要求小于0.1mm，涂层均匀，完全包覆漆包金属丝2端面。

所述金属引线3绕接于金属毛细管1尾部，涂上导电胶固化后套上热宿管6固定。

金属引线3的一端脱去绝缘层并浸锡，漆包金属丝2的一端刮漆浸锡，形成镀锡层8，使用时方便焊接。

金属引线3与金属毛细管1采用冷接方法，避免锡焊，防止金属毛细管1内漆包金属丝热熔而导通。

所述导电涂层5厚度为0.1-0.2mm。导电涂层采用聚合物银导电浆料，导电性能优良，附着力好，涂层均匀耐久。

电探针安装固定在绝缘支架上，然后通过同轴线缆将探针两个电极接入网络电路中，网络电路通过同轴线缆连接示波器或者其他时间记录仪器。

本发明提供的用于冲击波测量的电探针，其制备方法包括以下步骤：

(1)将金属毛细管1和漆包金属丝2切口用细砂纸打磨光滑，并清洁干净；

(2)金属引线3的一端脱去绝缘层并浸锡，漆包金属丝2的一端刮漆浸锡，形成镀锡层8，使用时方便焊接；

(3)室温下将聚氨酯漆、稀释剂、固化剂按1：X：0.5(X＝0.3-0.8)配制，3组分混合均匀后，涂在漆包金属丝2的另一端面，小心放入电热干燥箱中，固化后形成绝缘涂层4；

(4)将漆包金属丝2涂有绝缘涂层4的一端穿置与金属毛细管1内，漆包金属丝2顶端距离金属毛细管顶端0.1-0.2mm，可用尖端磨平的大头针或缝衣针进行定位，保证该批次生产的电探针一致性；

(5)室温下，将树脂的甲、乙按1：1比例进行配制，混合均匀后涂抹在金属毛细管1尾部，放入电热干燥箱中使树脂充分固化；

(6)室温下，将导电胶、稀释剂按1：Y(Y＝0.5-0.8)比例进行配制，混合均匀后，涂抹在金属毛细管1顶端，若金属毛细管2外壁不小心沾上导电胶，用沾有酒精的脱脂棉清洁干净，然后放入电热干燥箱中使导电胶充分固化；

(7)待金属毛细管1顶端导电胶充分固化后，用细砂纸磨去端面多余的导电胶，保证与端面齐平；

(8)金属引线3另一端脱去绝缘层，紧密缠绕在金属毛细管1尾部并均匀涂上导电胶，套上热缩管6，用电热吹风间断地吹热缩管6使其收缩，然后放入电热干燥箱中使尾部导电胶固化；

(9)检验合格，包装后即得到所需产品。

上述步骤(3)、(5)、(6)、(8)中，所述的电热干燥箱内的温度不宜超过80℃，电探针在电热干燥箱中放置的时间不少于1小时。

上述步骤(8)中，金属引线3缠绕在金属毛细管1尾部的圈数不少于3圈。

上述步骤(8)中，禁止电热吹风一直吹热缩管，防止温度过高使得漆包金属丝绝缘层热熔。

应用实施例1

本发明用于冲击波测量的电探针的制作方法，主要包括以下步骤：

(1)将外径1.0mm，壁厚0.1mm的不锈钢毛细管用线切割切成等25mm长，切口用细砂纸打磨光滑，并清洁干净。

(2)将外径0.6mm的聚氨酯漆包线切成等40mm长，切口用细砂纸磨成平面，并清洁干净。漆包金属丝一端刮漆浸锡，形成镀锡层，使用时便于焊接。

(3)室温下将聚氨酯漆、稀释剂、固化剂按1：X：0.5(X＝0.3-0.8)配制，3组分混合均匀后，涂在漆包金属丝另一端。小心放入电热干燥箱中，80℃恒温1小时，固化后形成绝缘涂层。

(4)将涂有绝缘涂层一端的漆包线穿置与金属毛细管内，漆包线顶端距离金属毛细管顶端0.2mm。可用尖端磨平的大头针进行定位，保证该批次生产的电探针一致性。

(5)室温下，将树脂的甲、乙按1：1比例进行配制，混合均匀后涂抹在金属毛细管尾部，放入电热干燥箱中，80℃恒温1小时使树脂充分固化。

(6)室温下，将导电胶、稀释剂按1：Y(Y＝0.5-0.8)比例进行配制，混合均匀后，涂抹在金属毛细管顶端，用沾有酒精的脱脂棉清洁沾在外壁的导电胶，然后放入电热干燥箱中，80℃恒温1小时使导电胶充分固化。

(7)待金属毛细管顶端导电胶充分固化后，用细砂纸磨去端面多余的导电胶，使端面齐平。

(8)金属引线一端脱去绝缘外皮并浸锡。另一端脱去绝缘外皮，在金属毛细管尾部紧密缠绕4圈，并均匀涂上导电胶。套上热缩管，用电热吹风间断地吹热缩管使其收缩，然后放入电热干燥箱中使尾部导电胶固化。

(9)电性能检测，用数字式万用表电阻档测试探针两电极之间的电阻值，电阻值不低于1MΩ为合格。包装后即得到了的电探针。

应用实施例2

本发明应用于动高压实验触发电路中。在安装过程中，待样品10安装完成后，将电探针13插入绝缘支架11预留的孔中，电探针前端面稍微突出样品前表面，用瞬干胶1495粘结固定。将电探针两电极通过同轴电缆17连接在网络电源14中。电探针漆包金属丝接同轴电缆芯线与网络电源正极相连，金属毛细管接同轴电缆皮线与网络电源负极相连，同轴电缆终端负载一个50Ω电阻。网路电源14通过同轴电缆连接至示波器15。窗口12、光纤位移干涉仪16、光纤18为一光学测量系统，测量窗口中的粒子速度。光纤位移干涉仪16和网路电源14通过同轴电缆接至示波器15中。

当冲击波到达电探针端面的时间先于到达样品表面的时间。冲击波刺穿电探针绝缘涂层后，两极连通，网路电路给出一个脉冲信号触发示波器。随后冲击波到达样品表面，光学测量系统将信号转换为电信号，传至示波器记录。

图3为一发二级气体炮冲击实验中电探针响应图。触发信号非常干净完整，可以清晰看到网络电路中电容的放电过程。

本发明用于冲击波测量的电探针具有体积小，被测样品安装环节简单，使用方便，制作成本低廉，并且具有较好的冲击波响应性。不仅可以用于测试系统的触发电路中，还可以用于冲击波速度测量的实验中。

Claims (10)

1.一种用于冲击波测量的电探针，其特征是由金属毛细管(1)、漆包金属丝(2)、金属引线(3)、绝缘涂层(4)、导电涂层(5)、热缩管(6)、树脂(7)和镀锡层(8)组成，其中：漆包金属丝(2)穿置在金属毛细管(1)头部内腔的一端涂有一层绝缘涂层(4)，漆包金属丝(2)穿出金属毛细管(1)尾部内腔的另一端有镀锡层(8)；金属毛细管(1)尾部用树脂(7)与漆包金属丝(2)胶粘结固定，金属毛细管(1)头部涂上导电涂层(5)固化固定；金属引线(3)绕接于金属毛细管(1)尾部，涂上导电胶固化后套上热宿管(6)固定。

2.根据权利要求1所述的用于冲击波测量的电探针，其特征在于：金属毛细管(1)采用不锈钢或黄铜材质。

3.根据权利要求1所述的用于冲击波测量的电探针，其特征在于：漆包金属丝(2)为聚氨酯漆包线，绝缘耐温155℃，外径稍小于金属毛细管(1)内径，长度显著大于金属毛细管(1)长度。

4.根据权利要求1所述的用于冲击波测量的电探针，其特征在于：绝缘涂层(4)为聚氨酯层，涂层厚度≤0.1mm，涂层均匀，完全包覆漆包金属丝(2)端面。

5.根据权利要求1所述的用于冲击波测量的电探针，其特征在于：导电涂层(5)厚度为0.1-0.2mm。

6.根据权利要求1所述的用于冲击波测量的电探针，其特征在于：金属引线(3)与金属毛细管(1)采用冷接方法，避免锡焊，防止金属毛细管(1)内漆包金属丝热熔而导通。

7.一种用于冲击波测量的电探针的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：将金属毛细管(1)和漆包金属丝(2)两端端口用细砂纸打磨光滑，并清洁干净；

步骤2：金属引线(3)一端脱去绝缘层并浸锡，漆包金属丝(2)一端刮漆浸锡，形成镀锡层(8)，使用时方便焊接；

步骤3：室温下将聚氨酯漆、稀释剂、固化剂按质量比1：X：0.5(X＝0.3-0.8)配制，3组分混合均匀后，涂在漆包金属丝(2)另一端面，小心放入电热干燥箱中，固化后形成绝缘涂层(4)；

步骤4：将漆包金属丝(2)涂有绝缘涂层(4)的一端穿置于金属毛细管(1)内，漆包金属丝(2)顶端距离金属毛细管顶端0.1-0.2mm，用尖端磨平的大头针或缝衣针进行定位，保证该批次生产的电探针一致性；

步骤5：室温下，将环氧树脂的甲、乙组分按质量比1：1比例进行配制，混合均匀后涂抹在金属毛细管(1)尾部，放入电热干燥箱中，使树脂充分固化；

步骤6：室温下，将导电胶、稀释剂按质量比1：x(x＝0.5-0.8)比例进行配制，混合均匀后，涂抹在金属毛细管(1)顶端，若金属毛细管(2)外壁不小心沾上导电胶，用沾有酒精的脱脂棉清洁干净，然后放入电热干燥箱中，使导电胶充分固化；

步骤7：待金属毛细管(1)顶端导电胶充分固化后，用细砂纸磨去端面多余的导电胶，保证与端面齐平；

步骤8：金属引线(3)另一端脱去绝缘层，紧密缠绕在金属毛细管(1)尾部并均匀涂上导电胶，套上热缩管(6)，用电热吹风间断地吹热缩管(6)使其收缩，然后放入电热干燥箱中，使尾部导电胶固化；

步骤9：检验合格，包装后即得到所需产品。

8.根据权利要求7所述的用于冲击波测量的电探针的制作方法，其特征在于：步骤3、5、6、8中，电热干燥箱内的温度不宜超过80℃，电探针在电热干燥箱中放置的时间不少于1小时。

9.根据权利要求7所述的用于冲击波测量的电探针的制作方法，其特征在于：步骤8中，金属引线(3)缠绕在金属毛细管(1)尾部的圈数不少于3圈。

10.根据权利要求7所述的用于冲击波测量的电探针的制作方法，其特征在于：步骤8中，禁止电热吹风一直吹热缩管，防止温度过高使得漆包金属丝绝缘层热熔。