CN114740243B - 一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器，每个电探针的另一端均连接有一个第二电阻和第二电容，多个第二电容、第二电阻和电探针组成的支路并联连接，且多个第二电阻远离电探针的一端通过同轴电缆与示波器连接。电探针导通后，第二电容的充电过程实现了输出电压陡降，之后缓慢回升，直到下一根电探针被导通，使得输出电压始终在较高的数值范围内变化，每个支路的第二电阻阻值都不会太小，从而增大了支路的时间常数，使电压降的下降时间始终限定在极低水平上，因此减小了测量噪声对电压突变点判读的影响，提高了电压突变点判读的时间精度。

Description

一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器

技术领域

本发明涉及冲击压缩领域，具体涉及一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器。

背景技术

冲击波的传播规律及其稳定性一直是天体物理学、惯性约束聚变和爆炸力学关注的焦点。在实际工程应用中，冲击波在到达任何界面时都会发生变形，具体形变特征与材料的物性紧密相关，学者们通过理论和实验均进行了一些有益的探索。理论方面，D′yakov首先利用非均匀扰动研究了冲击波的稳定性，给出了稳定性准则，他发现在不稳定的情况下，冲击波扰动随时间呈指数增长。Lordanskii有不同的看法，他认为冲击波扰动是遵循幂指数衰减规律。Kontorovich解释了上述二者结论之间存在差异的可能原因，并进一步明确了D′yakov稳定性标准的正确性。在实验上如何观测冲击波在传播过程中其波阵面的演化规律，并分析它的稳定性呢？俄罗斯科学家Sakharov提出了一种观察冲击波扰动演化的实验技术。他的实验靶主要由表面加工有正弦形凹槽的基板、契形样品和反光板组成，爆轰加载形成平面冲击波，当冲击波进入基板，在基板中形成具有正弦形扰动的冲击波，冲击波继续在样品中传播，利用高速相机记录下冲击波到达样品后界面时的发光信号，从而还原扰动冲击波的波形及其演化过程。

而Sakharov的设计对实验平台的要求较高，且存在一些不确定因素。所以在20世纪90年代末，一种应用于轻气炮平台的飞片碰撞扰动技术应运而生，实验设计有两个重要环节：1.扰动冲击波的产生；2.扰动冲击波波阵面的测量。前者利用高速运动的平面飞片撞击加工有正弦形曲面的契形样品，在样品中产生扰动冲击波。后者利用离散式电探针测量技术，是飞片碰撞扰动实验的关键环节。

离散式电探针测量装置的主要结构为一系列固定在与样品对称设计的契形支架内的若干列间距均匀的纤细电探针阵列，电探针阵列测量端与样品后界面紧密接触，另一端接入串联电路对应位置处。样品后界面镀有薄绝缘层，实验前电探针与支架和样品绝缘。当平面冲击波水平向右传播，到达样品较薄处的后界面时，绝缘层破裂，电探针与样品共地，与对应探针相连的电阻被短路，串联电阻阵列的总阻值减小，进而串联电阻阵列的总电压瞬间降低。随着冲击波不断传播到样品较厚处的后界面，契形支架上对应位置处的电探针依次接地被短路，串联电阻阵列的总电压依次降低，示波器输出每一列电探针所在串联电路两端的阶梯状下降的电压信号。每一个电压下降点即可确定冲击波到达对应电探针位置的时刻，利用若干列电压信号，获得不同厚度处扰动冲击波的波形，以及波形随传播距离的演化规律。

公开号CN202010159414.4的发明专利具体公开了，“一种用于正弦波面样品轻气炮加载实验的检测系统，包括正弦波面样品、探针固定件、加热管套、触发探针、多根电探针、第一电阻单元、电容、电源、充电电阻和示波器，所述正弦波面样品和探针固定件分别设置在加热管套内，正弦波面样品和探针固定件分别为楔形结构，且正弦波面样品的楔形面与探针固定件的楔形面相对应。”上述专利中的检测系统采用了串联电阻式传感电路。

请参考图1，图1是以前实验中使用的离散式电探针测量装置的电路模型，采用串联电阻式传感电路将冲击波到达既定位置的不同时刻转化为阶梯状下降的电压信号输出，虚线框内为电探针。实验中发现，电探针连接线的寄生电感等因素严重影响串联电阻式传感电路的电压信号的判读精度。阶梯式下降的电压信号中靠后的电压突变点会变得平滑，与测量噪声叠加后，电压突变时刻的辨识精度明显下降。电压突变点变得平滑与电压下降时间有关，下降时间定义为电压在下降一个阶梯电压降ΔU的过程中，从下降0.1ΔU到下降0.9ΔU所用的时间。下降时间越长，电压突变点变化越平滑，不易识别；下降时间越短，电压突变点变化越尖锐，识别准确度越高。串联电阻式传感电路的电压下降时间如图5所示，最后一个台阶的下降时间已经达到40ns以上。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供包括样品、探针支架、触发探针、多根电探针、第一电阻、第一电容、电源、第四电阻和示波器，探针支架上设有触发探针孔和至少1列电探针孔，触发探针的一端穿过触发探针孔和样品，触发探针包括外皮和线芯，触发探针另一端的线芯与第一电容连接，外皮与样品连接，样品外接地线，且与示波器共地，电源通过第四电阻和第一电容并联，第一电容和第一电阻串联，电探针与电探针孔一一对应设置，且电探针的一端穿过电探针孔，每个电探针的另一端均连接有一个第二电阻和第二电容，多个第二电容、第二电阻和电探针组成的支路并联连接，且多个第二电阻远离电探针的一端通过同轴电缆与示波器连接。第二电容和第二电阻串联后接入电路的瞬间，第二电容充电，电路的输出电压(即示波器两端的电压)瞬间降低，第二电容充电过程中，输出电压慢慢回升，直到接近第一电容的充电电压，此时，第二电容充电结束，其所在的线路相当于断路，就算与该第二电容连接的电探针与电路断开，对整个电路参数的影响很小；且本装置每个电探针接入电路时的电压降下降时间始终很短，明显提高了输出电压突变点判读的时间精度。

本发明解决技术问题，采用的技术方案如下：

一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器，包括样品、探针支架、触发探针、多根电探针、第一电阻、第一电容、电源、第四电阻和示波器，探针支架上设有触发探针孔和至少1列电探针孔，触发探针的一端穿过触发探针孔和样品，触发探针包括外皮和线芯，触发探针另一端的线芯与第一电容连接，外皮与样品连接，样品外接地线，且与示波器共地，电源通过第四电阻和第一电容并联，第一电容和第一电阻串联，电探针与电探针孔一一对应设置，且电探针的一端穿过电探针孔，每个电探针的另一端均连接有一个第二电阻和第二电容，多个第二电容、第二电阻和电探针组成的支路并联连接，且多个第二电阻远离电探针的一端通过同轴电缆与示波器连接。

进一步的，多个第二电容的参数均相同。

进一步的，第一电容、第一电阻和触发探针组成的支路与第二电阻、第二电容和电探针组成的支路并联连接。

进一步的，示波器上设置有第三电阻，第三电阻与同轴电缆远离第二电阻的一端连接，且与示波器并联连接。

进一步的，多个电探针平行设置，多个电探针穿过探针支架的一端处于一个平面，构成一电探针阵列，且所处平面与探针支架的侧壁平行，多个电探针阵列并排设置构成探针矩阵。

进一步的，设第一电阻的阻值为R，第一个与第二电容连通的第二电阻的阻值为R₁，第二个与第二电容连通的第二电阻的阻值为R₂，第n个与第二电容连通的第二电阻的阻值为R_n，第一电容的充电电压为U_c，第三电阻的阻值为R_load，电探针未短路时的稳态输出电压为U_out，即示波器记录的并联电容阵列的电压，阶梯电压降为u_d；与第一个接入电路的第二电阻串联的第二电容为C₁,电压为U_C1；与第二个接入电路的第二电阻串联的第二电容为C₂，电压为U_C2；与第n个接入电路的第二电阻串联的第二电容为C_n。

第二电容C₁的初始电压为0，当第二电容C₁接入电路时，输出电压产生电压降u_d,则：

根据公式1能够求得与第二电容C₁串联的第二电阻的阻值R₁；

第二电容C₂的初始电压为0，当第二电容C₂接入电路时，第二电容C₁处于充电完成状态，即U_C1＝U_out；输出电压产生电压降u_d，则：

根据公式2能够求得与第二电容C₂串联的第二电阻的阻值R₂；

第二电容C₃的初始电压为0，当第二电容C₃接入电路时，第二电容C₁和C₂处于充电完成状态，设与第二电容C₁串联的第二电阻R₁和与第二电容C₂串联的第二电阻R₂并联时的阻值为R_x，则：

将公式3代入公式2中R₁的位置，即R₁由R_x代替，能够求得R₂的数值解，即为与第二电容C₃串联的第二电阻R₃的值；

以此类推，第二电容C_n的初始电压为0，当第二电容C_n接入电路时，第二电容C₁至C_n-1处于充电完成状态，则：

将公式4代入公式2中R₁的位置，即R₁由R_x代替，能够求得R₂的数值解，即为与第二电容C_n串联的第二电阻R_n的值。

考虑最后一级探针支路，第二电容C_n需要在间隔t内完成充电，设定3个时间常数后完成充电，则：

根据公式5能够求得第二电容C_n的电容量，将其作为第二电容C₁～C_n的电容量。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明所提供的一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器，每个支路中第二电阻的一端连接一个第二电容，电探针导通后电容的充电过程实现了输出电压陡降，之后缓慢回升，直到下一根电探针被导通，使得输出电压始终在较高的数值范围内变化，每个支路的第二电阻阻值都不会太小，从而增大了支路的时间常数，使电压降的下降时间始终限定在极低水平上(小于1ns)，因此减小了测量噪声对电压突变点判读的影响，提高了电压突变点判读的时间精度。且在实验过程中，即使某一个电探针接入电路后出现断开的情况，导致该探针支路不再接入电路中，只要该电探针串联的第二电容完成充电，其后支路电流近似为零，对整个电路影响很小，从而保证了整个电路的稳定性，输出电压信号的完整性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是现有串联电阻式传感器的电路原理图；

图2是本发明提供的一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器的原理示意图；

图3是本发明提供的一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器的电路原理图；

图4是本发明提供的一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器的输出仿真结果图；

图5是本发明提供的一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器和现有串联电阻式传感器的电压下降时间的比较图。

图标：100、样品；110、探针支架；120、触发探针；130、电探针；140、第一电阻；150、第一电容；160、电源；161、第四电阻；170、示波器；171、同轴电缆；173、第三电阻；180、第二电阻；181、第二电容。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1至图5对本发明作详细说明。

请参考图2至图4所示，图3中虚线框内的部分为电探针阵列的等效结构图。一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器，包括样品100、探针支架110、触发探针120、多根电探针130、第一电阻140、第一电容150、电源160、第四电阻161和示波器170。探针支架110上设有触发探针孔和至少1列电探针孔，触发探针120的一端穿过触发探针孔和样品100，触发探针包括外皮和线芯，触发探针120另一端的线芯与第一电容连接，外皮与样品100连接，样品外接地线，且与示波器170连接。电源160通过第四电阻161和第一电容150并联，第一电容150和第一电阻140串联，电探针130与电探针孔一一对应设置，且电探针130的一端穿过电探针孔，每个电探针130的另一端均串联连接有一个第二电阻180和第二电容181，多个第二电阻180、第二电容181和电探针130组成的支路并联连接，且多个第二电阻180远离电探针130的一端通过同轴电缆171与示波器170连接。多个第二电容181的参数均相同。

具体的，第一电容150、第一电阻140和触发探针120组成的支路与第二电容181、第二电阻180与电探针130组成的支路并联连接。

具体的，示波器170上设置有第三电阻173，第三电阻173与同轴电缆171远离第二电阻的一端连接，且与示波器170并联连接。

具体的，多个电探针130并排设置，多个电探针130穿过探针支架110的一端处于一个平面，构成一电探针阵列，且所处平面与探针支架110的侧壁平行，多个电探针阵列并排设置构成探针矩阵。本实施方式中，探针支架110为平板结构，电探针130的探头所处平面与样品1000的斜面平行，且实验前电探针130的探头与样品绝缘。

具体的，样品100为金属材料，探针支架110的材料不限。在探针支架110的左侧放置样品100，样品100靠近探针支架110的侧面上涂有绝缘层。样品100远离探针支架110的一侧受到金属飞片的撞击时，触发探针120的线芯接地，使整个电路被导通。随后平面冲击波在样品100中传播，由于样品100厚度为上薄下厚，冲击波到达样品100靠近电探针130一侧的先后顺序不同，冲击波使样品100侧面的绝缘层破裂后，电探针130先后导通，与电探针130串联的第二电阻180和第二电容181接入电路中，并与第三电阻173并联。第二电容181开始充电，电路中并入了第二电阻180，使分压电阻的阻值减小，电路的输出电压(即示波器170的输入端电压)瞬间下降；接入电路中的第二电容181充电结束后，其所在的线路相当于断路，电路中的电压上升至接近初始值。此时，另一第二电阻180和与其串联的第二电容181接入电路中，电路的输出电压再次骤降，第二电容181充完电后，电压再次回升至接近初始值。电探针130依次接入电路中，实现了电路输出电压的多次下降和回升。示波器170记录电压的下降幅度、回升幅度及各个电探针130导通的时间节点，并以时间-电压波形图的形式输出。在实验过程中，即使某一个电探针接入电路后出现断开的情况，导致该探针支路不再接入电路中，只要该电探针串联的第二电容完成充电，其后支路电流近似为零，对整个电路影响非常小，可忽略不计，从而保证了整个电路的稳定性，输出电压信号的完整性。

具体的，电路中各元件的参数为：设第一电阻的阻值为R,第一个与第二电容连通的第二电阻的阻值为R₁,第二个与第二电容连通的第二电阻的阻值为R₂，第n个与第二电容连通的第二电阻的阻值为R_n，第一电容的充电电压为U_c，第三电阻的阻值为R_load，电探针未短路时的稳态输出电压为U_out，即示波器记录的并联电容阵列的电压，阶梯电压降为u_d；与第一个接入电路的第二电阻串联的第二电容为C₁,电压为U_C1；与第二个接入电路的第二电阻串联的第二电容为C₂，电压为U_C2；与第n个接入电路的第二电阻串联的第二电容为C_n。

第二电容C₁的初始电压为0，当第二电容C₁接入电路时，输出电压产生电压降u_d,则：

根据公式1能够求得与第二电容C₁串联的第二电阻的阻值R₁；

第二电容C₂的初始电压为0，当第二电容C₂接入电路时，第二电容C₁处于充电完成状态，即U_C1＝U_out；输出电压产生电压降u_d,则：

根据公式2能够求得与第二电容C₂串联的第二电阻的阻值R₂；

第二电容C₃的初始电压为0，当第二电容C₃接入电路时，第二电容C₁和C₂处于充电完成状态，设与第二电容C₁串联的第二电阻R₁和与第二电容C₂串联的第二电阻R₂并联时的阻值为R_x,则：

将公式3代入公式2中R₁的位置，即R₁由R_x代替，能够求得R₂的数值解，即为与第二电容C₃串联的第二电阻R₃的值；

以此类推，第二电容C_n的初始电压为0，当第二电容C_n接入电路时，第二电容C₁至C_n-1处于充电完成状态，则：

将公式4代入公式2中R₁的位置，即R₁由R_x代替，能够求得R₂的数值解，即为与第二电容C_n串联的第二电阻R_n的值。

考虑最后一级探针支路，第二电容C_n需要在间隔t内完成充电，通常设定3个时间常数后完成充电，则：

根据公式5能够求得第二电容C_n的电容量，将其作为第二电容C₁～C_n的电容量。

采用一组设置有第二电容的15级并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器进行仿真实验。设定第一电容的电容量为10μF，初始电压为20V，第三电阻的阻值为50Ω；保持探测器的初始输出电压和现有的串联电阻式传感器的初始输出电压相同，瞬时电压降与现有的串联电阻式传感器的阶梯电压降相同，计算得到第一电阻的阻值为47Ω，第二电容的容量为60.9pF，15个第二电阻的阻值分别为[358.8,336.1,314.9,295,276.3,258.8,242.5,227.1,212.8,199.3,186.7,174.9,163.8,153.5,143.8]Ω。连接线参数为：自感L＝31.45nH，相邻连接线耦合系数k＝0.555。仿真中开关闭合时间间隔t＝70ns。并联电容阵列的输出电压仿真结果如图4所示，根据仿真结果得到的各级电压突变点的下降时间见表1，在初始输出电压和电压突变点电压降相同的条件下串联电阻阵列的各级电压突变点的下降时间也列入其中进行比较，如图5为两种电路设计的电压下降时间的形象对比图。显然，设置有第二电容的并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器输出电压的下降时间始终保持在极低的水平，而串联电阻阵列在后期的下降时间居然超过40ns。下降时间越短，传感器输出的波形图中，下降点所在竖向线与水平线的夹角越接近直角，输出的波形图中突变点判定的时间精度越高，所以基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器的测量精度远高于串联电阻传感器。

表1各级电压突变点的下降时间

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器，包括样品、探针支架、触发探针、多根电探针、第一电阻、第一电容、电源、第四电阻和示波器，探针支架上设有触发探针孔和至少1列电探针孔，触发探针的一端穿过触发探针孔和样品，触发探针包括外皮和线芯，触发探针另一端的线芯与第一电容连接，外皮与样品连接，样品外接地线，且与示波器共地，电源通过第四电阻和第一电容并联，第一电容和第一电阻串联，电探针与电探针孔一一对应设置，且电探针的一端穿过电探针孔，其特征在于：每个电探针的另一端均串联连接有一个第二电容，每个第二电容各串联有一个第二电阻，每个电探针、第二电容和第二电阻分别构成一个依次串联的支路，多个第二电容、第二电阻和电探针组成的支路并联连接，且多个第二电阻远离电探针的一端通过同轴电缆与示波器连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器，其特征在于：多个第二电容的参数均相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器，其特征在于：第一电容、第一电阻和触发探针组成的支路与第二电阻、第二电容和电探针组成的支路并联连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器，其特征在于：示波器上设置有第三电阻，第三电阻与同轴电缆远离第二电阻的一端连接，且与示波器并联连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器，其特征在于：多个电探针平行设置，多个电探针穿过探针支架的一端处于一个平面，构成一电探针阵列，且所处平面与探针支架的侧壁平行，多个电探针阵列并排设置构成探针矩阵。

6.根据权利要求4所述的一种基于并联电容阵列的冲击波位置及波形探测器，其特征在于：设第一电阻的阻值为R，第一个与第二电容连通的第二电阻的阻值为R₁，第二个与第二电容连通的第二电阻的阻值为R₂，第n个与第二电容连通的第二电阻的阻值为R_n，第一电容的充电电压为U_c，第三电阻的阻值为R_load，电探针未短路时的稳态输出电压为U_out，即示波器记录的并联电容阵列的电压，阶梯电压降为u_d；与第一个接入电路的第二电阻串联的第二电容为C₁，电压为U_C1；与第二个接入电路的第二电阻串联的第二电容为C₂，电压为U_C2；与第n个接入电路的第二电阻串联的第二电容为C_n；

第二电容C₁的初始电压为0，当第二电容C₁接入电路时，输出电压产生电压降u_d，则：

根据公式1能够求得与第二电容C₁串联的第二电阻的阻值R₁；

第二电容C₂的初始电压为0，当第二电容C₂接入电路时，第二电容C₁处于充电完成状态，即U_C1＝U_out；输出电压产生电压降u_d，则：

根据公式2能够求得与第二电容C₂串联的第二电阻的阻值R₂；

第二电容C₃的初始电压为0，当第二电容C₃接入电路时，第二电容C₁和C₂处于充电完成状态，设与第二电容C₁串联的第二电阻R₁和与第二电容C₂串联的第二电阻R₂并联时的阻值为R_x,则：

将公式3代入公式2中R₁的位置，即R₁由R_x代替，能够求得R₂的数值解，即为与第二电容C₃串联的第二电阻R₃的值；

以此类推，第二电容C_n的初始电压为0，当第二电容C_n接入电路时，第二电容C₁至C_n-1处于充电完成状态，则：

将公式4代入公式2中R₁的位置，即R₁由R_x代替，能够求得R₂的数值解，即为与第二电容C_n串联的第二电阻R_n的值；

考虑最后一级探针支路，第二电容C_n需要在间隔t内完成充电，认定3个时间常数后完成充电，则：

根据公式5能够求得第二电容C_n的电容量，将其作为第二电容C₁～C_n的电容量。