CN113188696B - 一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置及方法，包括压力产生装置，压力产生装置与阻抗匹配材料底平面接触，阻抗匹配材料上平面和斜面上设有力致荧光材料；力致荧光材料与线性光纤阵列相对，线性光纤阵列输出和光分路器输入连接，光分路器输出通过光纤和光电探测器输入连接，光电探测器输出通过同轴电缆和示波器输入连接；压力产生装置生成的爆轰波或冲击波传播至阻抗匹配材料，在力致荧光材料上产生光信号，线性光纤阵列接收的光信号通过光分路器和光纤传输至光电探测器，光电探测器将光信号转换成电信号，电信号通过同轴电缆传输至示波器，示波器将电信号显示于屏幕上；本发明无需电极引线，且可避免瞬态高温和电磁辐射对信号的干扰。
Description
技术领域
本发明属于超高压力测试技术领域，具体涉及一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置及方法。
背景技术
在动高压物理研究、炸药性能表征以及武器威力评估试验中，往往需要对动态超高压力进行测量，这种压力一般是通过炸药爆炸、高速撞击以及高能粒子轰击等方式获得，具有两个特点：①压力达GPa量级；②伴随瞬态高温。
目前，常用的冲击压力测试采用压阻式压力传感器和压电式压力传感器。压阻式压力传感器是利用材料的压阻效应将压力转换为电信号进行测量，锰铜合金由于具有量程高、线性好、电阻温度系数小等优点，而被用于制作超高压力传感器。压电式压力传感器是基于材料的压电效应将压力转换为电信号进行测量，PVDF因其具有压电常数大、频响高、响应快、声阻抗低等特点，而被广泛用于冲击压力测试。但是，上述传感器在冲击压力测试过程中还存在一些缺点：第一，在冲击环境中电极引线降低了传感器信号传输的可靠性；第二，电信号容易受到爆炸产生电磁辐射的干扰；第三，接触式测量易使传感器受到瞬态高温的影响。
因此，为了获得更为理想的冲击压力测试方法，就必须同时克服上述三个缺点，开发一种适用于高温高压环境的冲击压力测试方法已成为一项亟待解决的关键问题。
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力致发光材料的冲击压力测试装置及方法，无需电极引线，且可避免瞬态高温和电磁辐射对信号的干扰。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置，包括压力产生装置1，压力产生装置1与阻抗匹配材料2的底平面2-3紧密接触，阻抗匹配材料2的上平面2-1和斜面2-2上设有力致荧光材料3；力致荧光材料3与线性光纤阵列4相对布置，线性光纤阵列4的输出和光分路器5的输入连接，光分路器5的输出通过光纤6和光电探测器7的输入连接，光电探测器7的输出通过同轴电缆8和示波器9的输入连接。
所述的压力产生装置1为炸药装药或高速弹丸。
所述的阻抗匹配材料2由已知雨贡纽参数的金属材质制成；厚度为2～4mm，直径根据压力产生装置1冲击压力施加面积决定。
所述的斜面2-2位于上平面2-1的中心处，斜面2-2与上平面2-1成10°～90°角度。
所述的力致荧光材料3通过射频磁控溅射、离子镀或刮涂法制成，厚度为1μm；力致荧光材料3的形状呈圆形，直径由线性光纤阵列4中光纤的数值孔径以及线性光纤阵列4与上平面2-1的距离决定；在阻抗匹配材料2的轴线方向上，力致荧光材料3以等高度差形式离散地覆盖在上平面2-1和斜面2-2上，力致荧光材料3的轴线均处于阻抗匹配材料2的某一轴截面上；力致荧光材料3的数量为5～10个。
所述的线性光纤阵列4采用多模光纤，光纤数量与力致荧光材料3的数量相同；在阻抗匹配材料2的轴线方向上，线性光纤阵列4的光纤中心与力致荧光材料3的中心一一对齐；线性光纤阵列4与上平面2-1有2～5mm的距离。
所述的光电探测器7的上升时间小于冲击波在阻抗匹配材料2中传播力致荧光材料3高度差距离所需时间；光电探测器7的增益可调且输出阻抗为50Ω。
利用一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置的方法，包括以下步骤：
进行实验时，压力产生装置1生成的爆轰波或冲击波通过底平面2-3传播至阻抗匹配材料2，冲击波作用在力致荧光材料3上时产生的光信号具有时间差；时序光信号经过线性光纤阵列4、光分路器5和光纤6进入光电探测器7；光电探测器7将光信号转换成时序电信号；时序电信号经过同轴电缆8进入示波器9，示波器9显示出相应的时间—电压幅值图；根据示波器9读取的时间间隔和力致荧光材料3相应的高度差绘制出冲击波在阻抗匹配材料2中传播的时间—距离图，从而获得冲击波在阻抗匹配材料2中的冲击波速度Dm。
对于炸药—金属体系，阻抗匹配公式表示为：
式中，P是被测爆压，Pm是冲击波在金属介质中产生的压力，ρ0和D分别是炸药的密度和爆速；ρm0和Dm分别为金属介质的初始密度和冲击波速度；
根据动量守恒定律，沿金属传播的冲击波前后参数关系为：
Pm＝ρm0Dmum (2)
式中，um是指冲击波阵面后金属介质的粒子速度；
因此，式(1)简化为：
根据冲击波速度—粒子速度关系式，在冲击压力范围内，Dm与um存在如下关系：
Dm＝C0+λum (4)
式中，C0和λ分别是金属介质的流体力学声速和雨贡纽参数；
联立式(3)和(4)，有如下关系式：
根据式(5)知，只要测得冲击波在阻抗匹配材料2的冲击波速度Dm，则根据已知的炸药密度ρ0和爆速D以及阻抗匹配材料2的密度ρm0、流体力学声速C0和雨贡纽参数λ，计算出炸药爆压。
当测量高速弹丸撞击阻抗匹配材料2形成的冲击压力时，联立式(2)和(4)得，
根据式(6)知，只要测得冲击波在阻抗匹配材料2的冲击波速度Dm，则根据已知的阻抗匹配材料2的密度ρm0、流体力学声速C0和雨贡纽参数λ，计算出冲击压力。
本发明的有益效果为：
由于利用线性光纤阵列4、光分路器5、光纤6和光电探测器7等光学仪器采集并转换光信号，所以无需电极引线；
由于光电探测器7远离爆炸环境，且光纤6具有抗电磁干扰特性，故示波器9显示的信号不受爆轰产生电磁辐射的影响；
由于阻抗匹配材料2具有一定厚度，力致荧光材料3的发光特性受温度影响较小，且线性光纤阵列4与阻抗匹配材料2间隔一定距离，故采集的信号受爆轰产生瞬态高温的影响较小；
由于力致荧光材料3采用离散式分布，这样可避免线性光纤阵列4采集光信号时的错位干扰；
由于测试方法是依据阻抗匹配公式和材料的冲击波速度—粒子速度关系式计算冲击压力，故在压力适用范围内无需进行动态标定，大大降低了测试成本。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明阻抗匹配材料的结构示意图，其中图(a)为俯视图，图(b)为图(a)的A-A剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
参照图1和图2，一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置，包括压力产生装置1，压力产生装置1与阻抗匹配材料2的底平面2-3紧密接触，阻抗匹配材料2的上平面2-1和斜面2-2上设有力致荧光材料3；力致荧光材料3与线性光纤阵列4相对布置，线性光纤阵列4的输出和光分路器5的输入连接，光分路器5的输出通过光纤6和光电探测器7的输入连接，光电探测器7的输出通过同轴电缆8和示波器9的输入连接；线性光纤阵列4接收的光信号通过光分路器5和光纤6传输至光电探测器7，光电探测器7将光信号转换成电信号，电信号通过同轴电缆8传输至示波器9，示波器9将电信号显示于屏幕上。
所述的压力产生装置1为炸药装药或高速弹丸，冲击压力施加面积根据实际应用情况决定。
所述的阻抗匹配材料2由已知雨贡纽参数的金属材质制成，由于金属不透光，这样可避免炸药或冲击产生的光对测量结果造成影响；厚度为2～4mm，直径根据压力产生装置1冲击压力施加面积决定。
所述的斜面2-2位于上平面2-1的中心处，且与上平面2-1成10°～90°的角度。
所述的力致荧光材料3通过射频磁控溅射、离子镀或刮涂法制成，厚度为1μm；力致荧光材料3的形状呈圆形，直径由线性光纤阵列4的光纤数值孔径以及线性光纤阵列4与上平面2-1的距离决定；在阻抗匹配材料2的轴线方向上，力致荧光材料3以等高度差形式离散地覆盖在上平面2-1和斜面2-2上，力致荧光材料3轴线均处于阻抗匹配材料2的某一轴截面上；力致荧光材料3的数量为5～10个，以便绘制冲击波的时间—距离图。
所述的线性光纤阵列4采用多模光纤，以保证力致荧光材料3产生的光信号能被采集；线性光纤阵列4的光纤数量与力致荧光材料3的数量相同；在阻抗匹配材料2的轴线方向上，线性光纤阵列4的光纤中心与力致荧光材料3的中心一一对齐；线性光纤阵列4与上平面2-1有2～5mm距离。
所述的光分路器5将多路光信号合成一路，其信号输入路数取决于线性光纤阵列4的光纤数量。
所述的光纤6采用多模光纤，与光电探测器7通过常规接口连接。
所述的光电探测器7的上升时间小于冲击波在阻抗匹配材料2中传播力致荧光材料3高度差距离所需时间，保证时序光信号能够被采集；光电探测器7的增益可调且输出阻抗为50Ω。
所述的同轴电缆8的阻抗为50Ω。
所述的示波器9的带宽为500MHz，每通道最大采样率为2.5GS/s，以确保时序电信号能够被记录。
利用一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置的方法，包括以下步骤：
进行实验时，压力产生装置1生成的爆轰波或冲击波通过底平面2-3传播至阻抗匹配材料2；当冲击波传播至斜面2-2时，由于力致荧光材料3在阻抗匹配材料2的轴线方向上存在一定的高度差，故冲击波作用在力致荧光材料3上时产生的光信号具有一定的时间差；时序光信号经过线性光纤阵列4、光分路器5和光纤6进入光电探测器7；光电探测器7将光信号转换成时序电信号；时序电信号经过同轴电缆8进入示波器9，示波器9显示出相应的时间—电压幅值图；根据示波器9读取的时间间隔和力致荧光材料3相应的高度差绘制出冲击波在阻抗匹配材料2中传播的时间—距离图，从而获得冲击波在阻抗匹配材料2中的冲击波速度Dm。
对于炸药—金属体系，阻抗匹配公式表示为：
式中，P是被测爆压，Pm是冲击波在金属介质中产生的压力，ρ0和D分别是炸药的密度和爆速；ρm0和Dm分别为金属介质的初始密度和冲击波速度；
根据动量守恒定律，沿金属传播的冲击波前后参数关系为：
Pm＝ρm0Dmum (2)
式中，um是指冲击波阵面后金属介质的粒子速度；
因此，式(1)简化为：
根据冲击波速度—粒子速度关系式，在一定的冲击压力范围内，Dm与um存在如下关系：
Dm＝C0+λum (4)
式中，C0和λ分别是金属介质的流体力学声速和雨贡纽参数；
联立式(3)和(4)，有如下关系式：
根据式(5)可知，只要测得冲击波在阻抗匹配材料2的冲击波速度Dm，则根据已知的炸药密度ρ0和爆速D以及阻抗匹配材料2的密度ρm0、流体力学声速C0和雨贡纽参数λ，计算出炸药爆压。
当测量高速弹丸撞击阻抗匹配材料2形成的冲击压力时，联立式(2)和(4)得，
根据式(6)知，只要测得冲击波在阻抗匹配材料2的冲击波速度Dm，则根据已知的阻抗匹配材料2的密度ρm0、流体力学声速C0和雨贡纽参数λ，计算出冲击压力。
Claims (6)
1.一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置，包括压力产生装置(1)，其特征在于：压力产生装置(1)与阻抗匹配材料(2)的底平面(2-3)紧密接触，阻抗匹配材料(2)的上平面(2-1)和斜面(2-2)上设有力致荧光材料(3)；力致荧光材料(3)与线性光纤阵列(4)相对布置，线性光纤阵列(4)的输出和光分路器(5)的输入连接，光分路器(5)的输出通过光纤(6)和光电探测器(7)的输入连接，光电探测器(7)的输出通过同轴电缆(8)和示波器(9)的输入连接；
所述的斜面(2-2)位于上平面(2-1)的中心处，斜面(2-2)与上平面(2-1)成10°～90°角度；
所述的线性光纤阵列(4)采用多模光纤，光纤数量与力致荧光材料(3)的数量相同；在阻抗匹配材料(2)的轴线方向上，线性光纤阵列(4)的光纤中心与力致荧光材料(3)的中心一一对齐；线性光纤阵列(4)与上平面(2-1)有2～5mm的距离；
所述的光电探测器(7)的上升时间小于冲击波在阻抗匹配材料(2)中传播力致荧光材料(3)高度差距离所需时间；光电探测器(7)的增益可调且输出阻抗为50Ω；
利用一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置的方法，包括以下步骤：
进行实验时，压力产生装置(1)生成的爆轰波或冲击波通过底平面(2-3)传播至阻抗匹配材料(2)，冲击波作用在力致荧光材料(3)上时产生的光信号具有时间差；时序光信号经过线性光纤阵列(4)、光分路器(5)和光纤(6)进入光电探测器(7)；光电探测器(7)将光信号转换成时序电信号；时序电信号经过同轴电缆(8)进入示波器(9)，示波器(9)显示出相应的时间—电压幅值图；根据示波器(9)读取的时间间隔和力致荧光材料(3)相应的高度差绘制出冲击波在阻抗匹配材料(2)中传播的时间—距离图，从而获得冲击波在阻抗匹配材料(2)中的冲击波速度Dm。
2.根据权利要求1所述的一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置，其特征在于：所述的压力产生装置(1)为炸药装药或高速弹丸。
3.根据权利要求1所述的一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置，其特征在于：所述的阻抗匹配材料(2)由已知雨贡纽参数的金属材质制成；厚度为2～4mm，直径根据压力产生装置(1)冲击压力施加面积决定。
4.根据权利要求1所述的一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置，其特征在于：所述的力致荧光材料(3)通过射频磁控溅射、离子镀或刮涂法制成，厚度为1μm；力致荧光材料(3)的形状呈圆形，直径由线性光纤阵列(4)中光纤的数值孔径以及线性光纤阵列(4)与上平面(2-1)的距离决定；在阻抗匹配材料(2)的轴线方向上，力致荧光材料(3)以等高度差形式离散地覆盖在上平面(2-1)和斜面(2-2)上，力致荧光材料(3)的轴线均处于阻抗匹配材料(2)的某一轴截面上；力致荧光材料(3)的数量为5～10个。
5.根据权利要求1所述的一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置，其特征在于：对于炸药—金属体系，阻抗匹配公式表示为：
式中，P是被测爆压，Pm是冲击波在金属介质中产生的压力，ρ0和D分别是炸药的密度和爆速；ρm0和Dm分别为金属介质的初始密度和冲击波速度；
根据动量守恒定律，沿金属传播的冲击波前后参数关系为：
Pm＝ρm0Dmum (2)
式中，um是指冲击波阵面后金属介质的粒子速度；
因此，式(1)简化为：
根据冲击波速度—粒子速度关系式，在冲击压力范围内，Dm与um存在如下关系：
Dm＝C0+λum (4)
式中，C0和λ分别是金属介质的流体力学声速和雨贡纽参数；
联立式(3)和(4)，有如下关系式：
根据式(5)知，只要测得冲击波在阻抗匹配材料(2)的冲击波速度Dm，则根据已知的炸药密度ρ0和爆速D以及阻抗匹配材料(2)的密度ρm0、流体力学声速C0和雨贡纽参数λ，计算出炸药爆压。
6.根据权利要求5所述的一种基于力致发光材料的冲击压力测试装置，其特征在于：当测量高速弹丸撞击阻抗匹配材料(2)形成的冲击压力时，联立式(2)和(4)得，
根据式(6)知，只要测得冲击波在阻抗匹配材料(2)的冲击波速度Dm，则根据已知的阻抗匹配材料(2)的密度ρm0、流体力学声速C0和雨贡纽参数λ，计算出冲击压力。
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