CN108680290B - 一种超高压力场测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种超高压力场测量装置，包括爆炸容器，爆炸容器的上腔体与下腔体通过腔体通道透光，下腔体侧壁上开有一个透光窗口；爆炸容器的上腔体内底部装有有机玻璃垫块，有机玻璃垫块的上部中心的圆柱凹槽内放有基于硫化锌的敏感元件，有机玻璃垫块的上方安装有垫片壳体，垫片壳体中心安装有垫片；垫片壳体的上方安装有装药壳体，装药壳体的中心下方安装有装药体，装药体通过伸出装药壳体的引线引爆；爆炸容器的下腔体内放置有一块平面反射镜，爆炸容器外部放置有通过数据线连接的相机与计算机；相机的镜头对准爆炸容器下腔体的透光窗口；本发明通过基于硫化锌的敏感元件可以实现小尺寸超高压力场的测量。
Description
技术领域
本发明属于超高压力测量技术领域，具体涉及一种超高压力场的测量装置。
背景技术
对于超高压力的测量，目前使用最广泛的传感器是压阻式传感器和压电式传感器。压阻式传感器是利用金属、合金及半导体的压阻效应制成的传感器，压阻效应是指材料受到压力作用后会产生电阻值的变化，如锰铜合金，其电阻值随压力的升高呈线性增大，这种材料经过处理并进行压力标定，可测定出压力和电阻值变化关系，即成为电阻式压力计；根据已标定材料的压阻系数，可以由材料的电阻值的变化，推算出外界的压力值；常用的压阻材料有硅、碳、镱和锰铜等。压电式传感器是利用物质的压电效应制成的传感器，压电效应是指电介质在压力作用下发生极化而在两端表面上产生的电荷符号相反，当作用力方向发生改变，电荷的极性也随之发生改变，当外力去掉后，该电介质又恢复到不带电的状态，典型的压电材料有石英压电晶体、压电陶瓷和聚偏二氟乙烯(PVDF)等。
上述两种超高压力测量得到的压力值，均是作用在传感器敏感元件表面的平均压力值，而无法获得某一位置处的压力值。此外，在测量大尺寸超高压力场时，可以通过在多点布置上述传感器来获得压力场分布，但是由于传感器尺寸的限制，获得的数据点少，导致压力场的测量精度不高。尤其在测量小尺寸超高压力场时，传统的超高压力测试方法更无法满足要求。因此，满足超高压力场的测量且能适用于小尺寸测量条件的超高压力测试方法已经成为一个非常重要的研究课题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种超高压力场的测量装置，能够满足超高压力场的测量，特别是小尺寸超高压力场的测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种超高压力场测量装置，包括爆炸容器1，爆炸容器1包括上腔体1-1和下腔体1-2，上腔体1-1与下腔体1-2通过腔体通道1-3透光，下腔体1-2侧壁上开有一个透光窗口1-4；
爆炸容器1的上腔体内底部装有有机玻璃垫块5，有机玻璃垫块5的上部中心的圆柱凹槽内放有基于硫化锌的敏感元件4，基于硫化锌的敏感元件4的直径、高度与圆柱凹槽的高度保持一致；有机玻璃垫块5的上方安装有垫片壳体3，垫片壳体3中心安装有垫片10；垫片壳体3的上方安装有装药壳体11，装药壳体11的中心下方安装有装药体2，装药体2通过伸出装药壳体11的引线12引爆；
爆炸容器1的下腔体内放置有一块平面反射镜6，爆炸容器1外部放置有相机7与计算机8；相机7与计算机8通过数据线连接；相机7的镜头对准爆炸容器1下腔体的透光窗口；
基于硫化锌的敏感元件4的直径、垫片10的直径和装药体2的装药直径保持一致；
基于硫化锌的敏感元件4的表面设有一层黑色的隔光层9。
所述的有机玻璃垫块5、垫片壳体3、装药壳体11和爆炸容器1为过渡配合，垫片10通过过渡配合置于垫片壳体3的中心处，垫片10与基于硫化锌的敏感元件4紧密接触，装药体2通过过渡配合置于装药壳体11的中心处。
所述的基于硫化锌的敏感元件4主要成分为硫化锌，其中还掺杂锰离子，通过掺杂提高了硫化锌的化学稳定性以及发光效率；对于小尺寸超高压力场的测量，基于硫化锌的敏感元件4的尺寸也需要相应的减小，减小基于硫化锌的敏感元件4的方法有两种，一种是通过MEMS技术中的溅射沉积法；另一种是通过PDMS匀胶法。
所述的隔光层9通过离子镀膜、溅射薄膜或蒸镀薄膜方法形成在基于硫化锌的敏感元件4的表面。
所述的垫片10厚度保持在1mm以下。
所述的平面反射镜6与水平面的角度可调整，呈45度角。
所述的相机7在测量之前需要进行标定，在同一标准压力值下，采集多幅敏感元件发出的光的图像，提取图像的光强值，再求取该压力值下多幅图像光强值的平均值；通过求取多个标准压力下的光强度值，通过数据拟合就得到光强值与压力值之间的关系；这样可以有效防止由于相机像素点偶然误差所产生的标定误差。
所述的计算机8需要标定程序和测量程序才能够对图像数据进行处理，标定程序基于标准压力源的压力值与采集到的图像的灰度值获得，测量程序基于采集到的图像和标定的关系式来求取被测的压力值。
本发明的有益效果为：
由于基于硫化锌的敏感元件4的发光强度与被施加压力之间有一定的关系，因此，通过标定后的关系式就可以利用发光强度计算出被施加压力的大小，这样就实现了超高压力的测量。
基于硫化锌的敏感元件4在不同位置处由于所受压力不同，会产生不同的发光强度，因此，可以实现超高压力场的测量。
由于基于硫化锌的敏感元件4可以通过MEMS技术制备，因此，可以实现小尺寸下超高压力场的测量。
附图说明
图1为爆炸容器的结构示意图，图(a)为正视图，图(b)为俯视图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为相机7的标定设备示意图。
图4为相机7的标定流程图。
图5为计算机8的测量程序流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
参照图1，一种超高压力场测量装置，包括爆炸容器1，爆炸容器1包括上腔体1-1和下腔体1-2，上腔体1-1与下腔体1-2通过腔体通道1-3透光，下腔体1-2侧壁上开有一个透光窗口1-4；爆炸容器1的材料选择钢材；
参照图2，爆炸容器1的上腔体内底部装有有机玻璃垫块5，有机玻璃垫块5的上部中心的圆柱凹槽内放有基于硫化锌的敏感元件4，有机玻璃垫块5当作承压衬底，基于硫化锌的敏感元件4的直径、高度与圆柱凹槽的高度保持一致；有机玻璃垫块5的上方安装有垫片壳体3，垫片壳体3中心安装有垫片10；垫片壳体3的上方安装有装药壳体11，装药壳体11的中心下方安装有装药体2，装药体2通过伸出装药壳体11的引线12引爆；
爆炸容器1的下腔体内放置有一块平面反射镜6，有机玻璃垫块5是透明的，可以将光传播至下方平面反射镜6；爆炸容器1外部放置有相机7与计算机8；相机7与计算机8通过数据线连接；相机7的镜头对准爆炸容器1下腔体的透光窗口；
基于硫化锌的敏感元件4的直径、垫片10的直径和装药体2的装药直径保持一致；
基于硫化锌的敏感元件4的表面设有一层黑色的隔光层9，隔光层9可以阻挡爆轰过程中产生的光透射进垫片10，从而对基于硫化锌的敏感元件4的发光产生影响。
所述的有机玻璃垫块5、垫片壳体3、装药壳体11和爆炸容器1为过渡配合，垫片10通过过渡配合置于垫片壳体3的中心处，垫片10与基于硫化锌的敏感元件4紧密接触，装药体2通过过渡配合置于装药壳体11的中心处。
所述的基于硫化锌的敏感元件4主要成分为硫化锌，其中还掺杂锰离子，通过掺杂提高了硫化锌的化学稳定性以及发光效率；此外，基于硫化锌的敏感元件4既适用于大尺寸超高压力场的测量，也适合于小尺寸超高压力场的测量；特别地，对于小尺寸超高压力场的测量，基于硫化锌的敏感元件4的尺寸也需要相应的减小，减小基于硫化锌的敏感元件4的方法有两种，
第一种方式是通过MEMS技术实现基于硫化锌的敏感元件4小型化和薄膜化，首先通过匀胶、光刻、显影等技术将需要形成敏感元件的区域图形转换到有机玻璃基底上；然后可以通过溅射、蒸发或离子镀膜等技术将敏感元件材料附着在相应的区域。最后通过剥离、划片等技术就可以得到多个敏感元件；在成膜前需要对敏感元件材料和成膜基底进行一定的处理来保证成膜的质量，例如在用离子镀膜法制作敏感元件时，首先，将粉末状的Zn0.985Mn0.015S经过低温等向挤压处理，然后在真空密封的石英玻璃管中处于1000℃左右烧结10小时，这种预处理可以形成高结晶的颗粒，从而可以提供一个非常稳定且容易控制的沉积速率；其次，需要将基底保持在160℃，以保证基底与薄膜的附着性。
第二种是采用PDMS与敏感元件材料的混合液来制备，首先将一定量的PDMS注射到烧杯中，然后添加固化剂，固化剂与PDMS的质量比为1:10；充分搅拌之后，将烧杯放入真空箱中进行抽真空去除气泡，重复搅拌和抽真空，直至将气泡去除干净；接着将敏感元件材料倒入PDMS中进行充分搅拌，然后将混合物通过匀胶的方式涂覆在有机玻璃基底上；接着将其放入烘箱固化一小时(温度设定为70℃)；最后，通过切片获得多个敏感元件成品。
所述的隔光层9通过离子镀膜、溅射薄膜或蒸镀薄膜方法形成在基于硫化锌的敏感元件4的表面。
所述的垫片10厚度保持在1mm以下，这样既可以保证基于硫化锌的敏感元件4可以真实承受炸药爆炸产生的爆轰波阵面上的压力，还可以保护基于硫化锌的敏感元件4。
所述的平面反射镜6与水平面的角度可调整，呈45度角，这样保证基于硫化锌的敏感元件4发出的光可以通过透光窗口1-4被相机7采集。
参照图1，所述的相机7需要根据所测压力范围以及基于硫化锌的敏感元件4的发光效率来选择相应的相机参数和配套的镜头，这些参数及镜头的选择将直接影响到超高压力场的测量精度。
参照图3，所述的相机7在测量之前需要进行标定，标定采用的飞片14从发射管13中飞出，通过磁感应测速系统，然后撞击到有机玻璃靶板17上；基于硫化锌的敏感元件4被安装在有机玻璃靶板17之间；基于硫化锌的敏感元件4受到压力后发出的光被相机7采集到，然后经过计算机8中的标定软件进行数据处理；磁感应测速系统包括磁环15、线圈16及其余的速度计算硬件，能够计算出飞片14撞击有机玻璃靶板17时的速度，根据下式就可以算出基于硫化锌的敏感元件4所受到的压力：
式中，ρ0为有机玻璃靶板17的初始密度，c0,λ为有机玻璃靶板17的冲击波速度关系式中的两个系数，u为飞片14碰撞靶板时的速度，可由磁感应测速系统测定；改变飞片14的速度，可以得到有机玻璃靶板17中不同的载荷值，同时用相机7采集相应的光信号，在同一标准压力值下，采集多幅敏感元件发出的光的图像，提取图像的光强值，再求取该压力值下多幅图像光强值的平均值；通过求取多个标准压力下的光强度值，通过数据拟合就得到光强值与压力值之间的关系；需要注意的是，在测试过程中，必须在暗室里采集光信号才能消除外界光线对标定结果的影响。
参照图4，所述的计算机8需要标定程序对图像数据进行处理，由于在标定的过程中基于硫化锌的敏感元件4承受的是一维冲击波，所以其整个面的发光强度基本是一致的，标定程序遵循的原则是：先将拍摄的敏感元件发光强度图像载入到程序中，对图像中的光强进行图像识别，读取图像中灰度的平均值，同理，依次载入其他压力值之下的灰度值数据，然后拟合灰度值与压力值之间的关系。
参照图5，所述的计算机8需要测量程序对图像数据进行处理，测试程序遵循的原则是：带入灰度值与压力值关系式的各参数，然后将相机采集到的被测压力的图像文件载入，对图像进行灰度值识别，然后依据标定程序计算出图像中各像素点出的压力值，然后将压力值以图像分布的形式显示。
本发明的工作原理如下：
通过引线加电流引爆小尺寸装药，从而产生爆轰压力；压力首先作用在垫片10上，然后经过隔光层9作用在基于硫化锌的敏感元件4上；基于硫化锌的敏感元件4受到压力后产生的光经过有机玻璃垫块5，通过腔体通道1-3入射到平面反射镜6上；光线经过平面反射镜6与透光窗口1-4之后被相机7采集；相应的光强度信号通过数据线载入到计算机8的测量程序中；数据经过计算机8处理，最终可以得出小尺寸装药爆轰波阵面上的压力分布。
Claims (7)
1.一种超高压力场测量装置，包括爆炸容器(1)，其特征在于：爆炸容器(1)包括上腔体(1-1)和下腔体(1-2)，上腔体(1-1)与下腔体(1-2)通过腔体通道(1-3)透光，下腔体(1-2)侧壁上开有一个透光窗口(1-4)；
爆炸容器(1)的上腔体内底部装有有机玻璃垫块(5)，有机玻璃垫块(5)的上部中心的圆柱凹槽内放有基于硫化锌的敏感元件(4)，基于硫化锌的敏感元件(4)的直径、高度与圆柱凹槽的高度保持一致；有机玻璃垫块(5)的上方安装有垫片壳体(3)，垫片壳体(3)中心安装有垫片(10)；垫片壳体(3)的上方安装有装药壳体(11)，装药壳体(11)的中心下方安装有装药体(2)，装药体(2)通过伸出装药壳体(11)的引线(12)引爆；
爆炸容器(1)的下腔体内放置有一块平面反射镜(6)，爆炸容器(1)外部放置有相机(7)与计算机(8)；相机(7)与计算机(8)通过数据线连接；相机(7)的镜头对准爆炸容器(1)下腔体的透光窗口；
基于硫化锌的敏感元件(4)的直径、垫片(10)的直径和装药体(2)的装药直径保持一致；
基于硫化锌的敏感元件(4)的表面设有一层黑色的隔光层(9)；
所述的基于硫化锌的敏感元件(4)主要成分为硫化锌，其中还掺杂锰离子，通过掺杂提高了硫化锌的化学稳定性以及发光效率；对于小尺寸超高压力场的测量，基于硫化锌的敏感元件(4)的尺寸也需要相应的减小，减小基于硫化锌的敏感元件(4)的方法有两种，一种是通过MEMS技术中的溅射沉积法；另一种是通过PDMS匀胶法。
2.根据权利要求1所述的一种超高压力场测量装置，其特征在于：所述的有机玻璃垫块(5)、垫片壳体(3)、装药壳体(11)和爆炸容器(1)为过渡配合，垫片(10)通过过渡配合置于垫片壳体(3)的中心处，垫片(10)与基于硫化锌的敏感元件(4)紧密接触，装药体(2)通过过渡配合置于装药壳体(11)的中心处。
3.根据权利要求1所述的一种超高压力场测量装置，其特征在于：所述的隔光层(9)通过离子镀膜、溅射薄膜或蒸镀薄膜方法形成在基于硫化锌的敏感元件(4)的表面。
4.根据权利要求1所述的一种超高压力场测量装置，其特征在于：所述的垫片(10)厚度保持在1mm以下。
5.根据权利要求1所述的一种超高压力场测量装置，其特征在于：所述的平面反射镜(6)与水平面的角度可调整，呈45度角。
6.根据权利要求1所述的一种超高压力场测量装置，其特征在于：所述的相机(7)在测量之前需要进行标定，在同一标准压力值下，采集多幅敏感元件发出的光的图像，提取图像的光强值，再求取该压力值下多幅图像光强值的平均值；通过求取多个标准压力下的光强度值，通过数据拟合就得到光强值与压力值之间的关系；这样可以有效防止由于相机像素点偶然误差所产生的标定误差。
7.根据权利要求1所述的一种超高压力场测量装置，其特征在于：所述的计算机(8)需要标定程序和测量程序才能够对图像数据进行处理，标定程序基于标准压力源的压力值与采集到的图像的灰度值获得，测量程序基于采集到的图像和标定的关系式来求取被测的压力值。
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