CN110926281B - 一种基于mems压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统 - Google Patents

Abstract

一种基于MEMS压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统，包括起爆装置，起爆装置下端和微尺度装药体上端连接固定，微尺度装药体下端和惰性介质上端固定，惰性介质下端和底板连接固定；微尺度装药体和惰性介质边缘嵌有MEMS压导探针，MEMS压导探针的引线从惰性介质和底板的界面引出；MEMS压导探针的引线、电阻以及恒压源组成一个电流回路；MEMS压导探针的引线与示波器的输入端连接；起爆装置与起爆器连接，起爆器通过电流环与示波器的输入端连接，示波器的输出端与计算机连接；MEMS压导探针可同时获得炸药爆速和介质冲击波初始速度，计算得到微尺度装药的爆速成长曲线以及端面输出爆压，适用于微尺度装药输出性能的测量，并提高测量精度。

Description

一种基于MEMS压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统

技术领域

本发明属于微尺度装药爆压与爆速测试技术领域，具体涉及一种基于MEMS压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统。

背景技术

随着微小型火工品的不断发展，微尺度下火工药剂输出性能测试已成为一项亟待解决的关键问题，其中爆压与爆速是表征火工药剂输出性能的重要参数。在现有的爆压测量方法中，阻抗匹配法是最常用的一种方法，它是通过间接测量邻近介质中的冲击波参数，利用阻抗匹配原理反推爆轰压力。在现有的爆速测量方法中，电探针法是最常用的一种测试手段，它是利用爆轰波阵面的导电性，通过两组电探针的间距及信号时间差计算平均爆速。但是，上述方法在表征微尺度装药输出性能时存在一些问题：第一，测量爆压和爆速需要两套不同的测试系统，这将造成较高的测试成本；第二，传统电探针尺寸较大且相互干扰，会引起一定的爆速测量误差；第三，传统电探针法只能获得某些测量点之间的平均爆速，而不能得到爆速成长曲线。因此，为了低成本获取微尺度装药的爆压以及爆速成长曲线，就必须同时解决上述三个问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于MEMS压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统，可以同时获得炸药/介质界面两端炸药的爆速和介质冲击波的初始速度，从而计算得到微尺度装药的爆速成长曲线以及端面输出爆压；适用于微尺度装药输出性能的测量，并提高测量精度；可以满足各种微尺度装药条件下输出性能的测量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于MEMS压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统，包括起爆装置1，起爆装置1下端和微尺度装药体2上端连接固定，微尺度装药体2下端和惰性介质3上端固定，惰性介质3下端和底板4连接固定；微尺度装药体2和惰性介质3边缘嵌有MEMS压导探针5，MEMS压导探针5的引线从惰性介质3和底板4的界面引出；MEMS压导探针5的引线、电阻6以及恒压源9组成一个电流回路；MEMS压导探针5的引线与示波器8的输入端连接；起爆装置1与起爆器11连接，起爆器11通过电流环10与示波器8的输入端连接，示波器8的输出端与计算机7连接。

所述的起爆装置1包括雷管壳体1-1，雷管壳体1-1通过中心处的通孔结构固定有雷管1-2，雷管壳体1-1采用不锈钢材料。

所述的微尺度装药体2包括装药壳体2-1，装药壳体2-1通过中心处的微尺度通孔结构装有炸药药剂2-2，炸药药剂2-2直径在1～5mm范围内，装药壳体2-1采用硅、有机玻璃或不锈钢材料。

所述的惰性介质3包括介质壳体3-1，介质壳体3-1中心处通过通孔结构固定有介质3-2，介质壳体3-1和介质3-2均采用有机玻璃材料。

所述的底板4外径尺寸与雷管壳体1-1、装药壳体2-1以及介质壳体3-1相等，保证雷管1-2、炸药药剂2-2和介质3-2的中心对齐。

所述的MEMS压导探针5包括压电层5-5，压电层5-5上下溅射有电阻层5-4，上、下的电阻层5-4引出引线5-6；电阻层5-4周围沉积有绝缘层5-3，绝缘层5-3外侧溅射有屏蔽层5-2，屏蔽层5-2接地，且屏蔽层5-2周围沉积有保护层5-1。

所述的压电层5-5采用氮化铝陶瓷通过溅射形成，厚度500nm；电阻层5-4采用铜材料通过溅射形成，厚度1μm；绝缘层5-3采用派瑞林通过气相沉积形成，厚度5μm；屏蔽层5-2采用镍通过溅射形成，厚度2μm；保护层5-1采用聚酰亚胺通过旋涂形成，厚度5μm。

本发明的有益效果为：

由于MEMS压导探针5嵌入微尺度装药体2和惰性介质3边缘，故可同时获得微尺度装药体2的爆速和惰性介质3的冲击波初始速度，从而能得到炸药药剂2-2的爆速成长曲线以及端面输出爆压；MEMS压导探针5具有微型化与薄膜化的特点，可减弱对爆轰波传播的影响，使其能够适用于微尺度装药输出性能的测量；同时，MEMS压导探针5还具有电磁屏蔽特性，提高了信噪比以及测量精度；此外，MEMS压导探针5具有一定的柔性，可以满足各种微尺度装药条件下输出性能的测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明起爆装置的结构示意图，其中图(a)为俯视图，图(b)为图(a)的A-A剖视图。

图3为本发明微尺度装药体的结构示意图，其中图(a)为俯视图，图(b)为图(a)的B-B剖视图。

图4为本发明惰性介质的结构示意图，其中图(a)为俯视图，图(b)为图(a)的C-C剖视图。

图5为本发明底板的结构示意图。

图6为本发明MEMS压导探针的结构示意图，其中图(a)为纵向截面示意图，图(b)为图(a)的D-D剖视图。

图7为本发明起爆装置、微尺度装药体、惰性介质、底板以及MEMS压导探针的装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

参照图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7，一种基于MEMS压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统，包括起爆装置1，起爆装置1的雷管壳体1-1中心处通过通孔结构固定有雷管1-2，雷管壳体1-1的下端通过胶水和微尺度装药体2的装药壳体2-1上端连接固定，装药壳体2-1中心处通过微尺度通孔结构装有炸药药剂2-2；装药壳体2-1下端通过胶水和惰性介质3的介质壳体3-1连接固定，介质壳体3-1中心处通过通孔结构固定有介质3-2；介质壳体3-1下端通过胶水和底板4连接固定；雷管壳体1-1、装药壳体2-1、介质壳体3-1以及底板4通过相等的外径尺寸对准，保证雷管1-2、炸药药剂2-2和介质3-2的中心对齐；炸药药剂2-2和介质3-2的边缘嵌有MEMS压导探针5，MEMS压导探针5的引线5-6从介质壳体3-1和底板4的界面引出；

所述的MEMS压导探针5的引线5-6与电阻6、恒压源9组成一个电流回路；MEMS压导探针5的引线5-6与示波器8的输入端连接，示波器8用于检测MEMS压导探针5的电压变化；示波器8的输出端与计算机7连接，计算机7用于处理电压变化数据；

所述的雷管1-2与起爆器11连接，起爆器11用于起爆雷管1-2；起爆器11通过电流环10与示波器8的输入端连接，电流环10用于同步触发示波器8。

参照图2(a)和(b)，所述的起爆装置1包括雷管壳体1-1，雷管壳体1-1通过中心处的通孔结构固定有雷管1-2，雷管壳体1-1采用不锈钢材料。

参照图3(a)和(b)，所述的微尺度装药体2包括装药壳体2-1，装药壳体2-1通过中心处的微尺度通孔结构装有炸药药剂2-2，炸药药剂2-2直径在1～5mm范围内，装药壳体2-1采用硅、有机玻璃、不锈钢等材料，具体根据装药方式确定。

参照图4(a)和(b)，所述的惰性介质3包括介质壳体3-1，介质壳体3-1中心处通过通孔结构固定有介质3-2，介质壳体3-1和介质3-2均采用有机玻璃材料。

参照图5，所述的底板4外径尺寸与雷管壳体1-1、装药壳体2-1以及介质壳体3-1相等。

参照图6(a)和(b)，所述的MEMS压导探针5包括压电层5-5，压电层5-5上下溅射有电阻层5-4，上、下的电阻层5-4引出引线5-6，引线5-6方便将MEMS压导探针5接入电路；电阻层5-4周围沉积有绝缘层5-3；绝缘层5-3外侧溅射有屏蔽层5-2，屏蔽层5-2接地，且屏蔽层5-2周围沉积有保护层5-1；压电层5-5采用氮化铝陶瓷通过溅射形成，厚度500nm；电阻层5-4采用铜材料通过溅射形成，厚度1μm；绝缘层5-3采用派瑞林通过气相沉积形成，厚度5μm；屏蔽层5-2采用镍通过溅射形成，厚度2μm；保护层5-1采用聚酰亚胺通过旋涂形成，厚度5μm；MEMS压导探针5的长度和宽度根据实际的装药条件确定。

参照图7，所述的MEMS压导探针5置于炸药药剂2-2和介质3-2的边缘，MEMS压导探针5的引线5-6从介质壳体3-1和底板4的界面引出；由于MEMS压导探针5的厚度和宽度在微米级别，故对爆轰波传播的影响可以忽略不计。

本发明测试系统的工作原理为：

进行测试实验时，手动触发起爆器11起爆雷管1-2，触发电流通过电流环10同步触发示波器8开始记录数据；雷管1-2爆炸后起爆炸药药剂2-2，炸药药剂2-2的爆轰波阵面呈曲面，波阵面压力在中心处最大，并沿着径向衰减，呈轴对称分布；当MEMS压导探针5受到爆轰波阵面的侧向冲击作用时，压电层5-5受压区域产生的电荷导致上下电阻层5-4导通，从而形成一个电阻，该电阻通过MEMS压导探针5、电阻6以及恒压源9组成的电流回路转换成电压信号，并由示波器8采集；由于压电层5-5的受压区域随爆轰波或冲击波波阵面而移动，故可以采集到与炸药药剂2-2的爆速以及介质3-2中的冲击波初始速度相关的电压信号，利用以下公式通过计算机7进行数据处理即可得到炸药药剂2-2的爆速成长曲线与端面输出爆压。

爆速计算公式如下：

式中，R₀为仪器内阻，V₀是恒压源电压，r_l表示MEMS压导探针单位长度的电阻值，V(t)是示波器采集到的电压信号。

爆压计算公式如下：

式中，D_g为有机玻璃的冲击波初始速度，D_e是炸药的稳定爆速，ρ₀和ρ_g分别是炸药和有机玻璃的初始密度。

Claims (7)

1.一种基于MEMS压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统，包括起爆装置(1)，起爆装置(1)与起爆器(11)连接，示波器(8)的输出端与计算机(7)连接，其特征在于：起爆装置(1)下端和微尺度装药体(2)上端连接固定，微尺度装药体(2)下端和惰性介质(3)上端固定，惰性介质(3)下端和底板(4)连接固定；微尺度装药体(2)和惰性介质(3)边缘嵌有MEMS压导探针(5)，MEMS压导探针(5)的引线从惰性介质(3)和底板(4)的界面引出；MEMS压导探针(5)的引线、电阻(6)以及恒压源(9)组成一个电流回路；MEMS压导探针(5)的引线与示波器(8)的输入端连接；起爆器(11)通过电流环(10)与示波器(8)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统，其特征在于：所述的起爆装置(1)包括雷管壳体(1-1)，雷管壳体(1-1)通过中心处的通孔结构固定有雷管(1-2)，雷管壳体(1-1)采用不锈钢材料。

3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统，其特征在于：所述的微尺度装药体(2)包括装药壳体(2-1)，装药壳体(2-1)通过中心处的微尺度通孔结构装有炸药药剂(2-2)，炸药药剂(2-2)直径在1～5mm范围内，装药壳体(2-1)采用硅、有机玻璃或不锈钢材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统，其特征在于：所述的惰性介质(3)包括介质壳体(3-1)，介质壳体(3-1)中心处通过通孔结构固定有介质(3-2)，介质壳体(3-1)和介质(3-2)均采用有机玻璃材料。

5.根据权利要求2、3或4所述的一种基于MEMS压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统，其特征在于：所述的底板(4)外径尺寸与雷管壳体(1-1)、装药壳体(2-1)以及介质壳体(3-1)相等，保证雷管(1-2)、炸药药剂(2-2)和介质(3-2)的中心对齐。

6.根据权利要求1所述的一种基于MEMS压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统，其特征在于：所述的MEMS压导探针(5)包括压电层(5-5)，压电层(5-5)上下溅射有电阻层(5-4)，上、下的电阻层(5-4)引出引线(5-6)；电阻层(5-4)周围沉积有绝缘层(5-3)，绝缘层(5-3)外侧溅射有屏蔽层(5-2)，屏蔽层(5-2)接地，且屏蔽层(5-2)周围沉积有保护层(5-1)。

7.根据权利要求6所述的一种基于MEMS压导探针的微尺度装药爆压与爆速测试系统，其特征在于：所述的压电层(5-5)采用氮化铝陶瓷通过溅射形成，厚度500nm；电阻层(5-4)采用铜材料通过溅射形成，厚度1μm；绝缘层(5-3)采用派瑞林通过气相沉积形成，厚度5μm；屏蔽层(5-2)采用镍通过溅射形成，厚度2μm；保护层(5-1)采用聚酰亚胺通过旋涂形成，厚度5μm。

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