CN202994729U

CN202994729U - 脉冲高电压下炸药爆轰性能测试系统

Info

Publication number: CN202994729U
Application number: CN 201220724349
Authority: CN
Inventors: 金兆鑫; 康小平; 张帆; 田川; 谢江远; 赵程光; 闫自让; 何鹏军; 荆晓鹏; 王彦; 谢军; 王亚杰
Original assignee: Xian Electronic Engineering Research Institute
Current assignee: Xian Electronic Engineering Research Institute
Priority date: 2012-12-23
Filing date: 2012-12-23
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2022-12-23

Abstract

本实用新型涉及一种脉冲高电压下炸药爆轰性能测试系统，通过电容储能及充电单元和脉冲宽度控制单元实现所需脉冲宽度的微秒级脉冲高电压产生，并将其加载在被测炸药装药部件上，然后通过起爆传爆单元时序起爆被测炸药，最终利用爆速爆压测试单元和耐高压测试单元来测量所需脉冲宽度的微秒级脉冲高电压条件下被测炸药的耐高压性能、时序起爆稳定性能和爆轰输出性能等。本实用新型适合应用于脉冲高电压下炸药爆轰性能测试，并具有成本低、结构简单、脉冲宽度可调等特点。

Description

脉冲高电压下炸药爆轰性能测试系统

技术领域

本发明属于脉冲功率技术和炸药爆轰性能测试领域，具体涉及一种脉冲高电压下炸药爆轰性能测试系统，是能够产生微秒级脉冲高电压的装置。

背景技术

在脉冲功率技术领域，特别是爆炸脉冲功率技术方面，经常需要使用高能炸药，并使其处于脉冲高电压的作用下，要求该炸药在正常工作前不会因脉冲高电压而误触发起爆，且爆轰过程及爆速和爆压等参数也不受脉冲高电压的影响。典型的使用对象为爆磁压缩发生器、高电压爆炸开关等。

爆磁压缩发生器(MFCG)是根据磁场冻结效应设计的一种脉冲电流放大装置。它利用炸药的化学能驱动螺线管、电枢等所形成的回路迅速变形，压缩磁场作功，同时使回路电感减小、电流增大，最终将炸药的化学能转化为负载上的电磁能。爆磁压缩发生器可用作电磁发射器、等离子聚焦、高功率电磁辐射、激光器、产生强磁场的电源以及用作激励二极管从而产生强流带电粒子束的电源等。另外，由于其单次使用的特点，主要是在高能电磁武器中用作高功率脉冲源。其中炸药在脉冲高电压下爆轰性能的好坏将直接影响MFCG的输出性能，因此相关性能检测至关重要。

而在炸药爆轰性能测试方面，炸药的爆速和爆压是决定炸药爆轰性能的最重要参数，目前相关测试方法比较成熟，也得到了广泛的应用。爆速测量通常采用电探针法，爆压的测量通常采用锰铜压阻法。

目前，尚没有公开发表的针对脉冲高电压下炸药爆轰性能测试的方法及装置，而常用的高电压性能测试主要依靠耐压仪等直流耐压设备完成，但由于相关设备产生高电压的脉冲宽度难以精确调节，且与炸药爆轰性能测试方法不易相互匹配使用，因此将其应用于爆炸脉冲功率技术方面的测试难度较大，精度不高，无法满足脉冲高电压条件下对炸药爆轰性能测试的要求。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种脉冲高电压下炸药爆轰性能测试系统及被测炸药装药部件，解决上述现有技术中存在的难题。

技术方案

一种脉冲高电压下炸药爆轰性能测试系统，其特征在于包括电容储能及充电单元、爆炸同步开关、起爆器、雷管、第一导爆索、爆炸分流器、第二导爆索、第三导爆索被测炸药装药部件、脉冲形成网络、脉冲恒流源和第一示波器；测试系统连接关系为：起爆器、雷管和第一导爆索顺序串联，第一导爆索的输出连接爆炸分流器，爆炸分流器的输出并行连接第二导爆索和第三导爆索；第二导爆索所谓输出控制爆炸同步开关，爆炸同步开关输入端的高压电极连接电容储能及充电单元的高压输出端，爆炸同步开关输出端的高压电极连接被测炸药装药部件的高压电极3；第三导爆索的输出端通过被测炸药装药部件的导爆索连接孔1控制被测炸药，被测炸药装药部件的低压电极14接地，第一触发探针5和第二触发探针6的输出端连接脉冲形成网络，脉冲形成网络的输出连接第一示波器；被测炸药装药部件的第三触发探针7控制脉冲恒流源为被测炸药装药部件的锰铜压阻传感器15提供恒定电流信号，锰铜压阻传感器15的信号输出端连接第一示波器。

爆炸同步开关的输入端还通过电阻分压器连接第二示波器。

所述电容储能及充电单元包括储能电容器、电源、高压直流变换器、第一限流电阻和限流电阻和第二限流电阻；电源、高压直流变换器、第一限流电阻和储能电容器顺序串联并接地形成储能回路，储能电容器通过第二限流电阻连接爆炸同步开关的高压输入端。

本发明的主要工作过程如下：首先，利用电容储能及充电单元控制储能电容器充电到指定电压值；然后利用脉冲宽度控制单元将储能电容器的高电压加载被测炸药装药部件上，并精确控制脉冲宽度；进而利用起爆传爆单元时序起爆被测炸药；最后利用爆速爆压测试单元和耐高压测试单元测试被测炸药的耐压、爆速、爆压等性能指标。通过上述测试结果能够得出被测炸药的耐高压性能、时序起爆稳定性能及爆轰输出性能等。

有益效果

本发明提出的一种脉冲高电压下炸药爆轰性能测试系统，通过电容储能及充电单元和脉冲宽度控制单元实现所需脉冲宽度的微秒级脉冲高电压产生，并将其加载在被测炸药装药部件上，然后通过起爆传爆单元时序起爆被测炸药，最终利用爆速爆压测试单元和耐高压测试单元来测量所需脉冲宽度的微秒级脉冲高电压条件下被测炸药的耐高压性能、时序起爆稳定性能和爆轰输出性能等。

本发明是一套微秒级脉冲高电压产生系统，并巧妙结合常用的炸药爆轰性能测试方法，提供一套适合爆炸脉冲功率技术领域应用的微秒级脉冲高电压下炸药爆轰性能测试装置。该装置能够测量微秒级脉冲高电压条件下被测装药的绝缘耐压性能、时序起爆稳定性能及爆轰输出性能。并具有成本低、结构简单、脉冲宽度可调、适合爆炸测试应用等特点，完全能够满足爆炸脉冲功率技术对炸药耐高压及相关爆轰性能测试的要求。

本发明适合应用于脉冲高电压下炸药爆轰性能测试，并具有成本低、结构简单、脉冲宽度可调等特点。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1可用于检测微秒级脉冲高电压条件下被测炸药的绝缘耐压性能；2可用于检测微秒级脉冲高电压条件下被测炸药的时序起爆稳定性能；3可用于检测微秒级脉冲高电压条件下被测炸药的爆轰输出性能。

附图说明

图1：本发明的脉冲高电压下炸药爆轰性能测试装置基本框图；

图2：本发明的脉冲高电压下炸药爆轰性能测试装置详细组成框图；

图3：本发明的被测炸药装药部件结构图；

1—第三导爆索连接孔；2—高压测试平板；3—高压电极；4—环氧树脂；5—第一触发探针；6—第二触发探针；7—第三触发探针；8—尼龙外壳；9—有机玻璃隔板；10—传感器接示波器的引线；11—有机玻璃底板；12—聚四氟乙烯边盖；13—聚四氟乙烯外壳；14—低压电极及引线；15—低压测试平板；16—被测炸药；17—传感器接脉冲恒流源的引线；18—锰铜压阻传感器；

图4：本发明实施例的爆炸分流器结构图；

图5：本发明实施例的爆炸同步开关结构图；

19—第二导爆索连接孔；20—第一开关电极；21—第一尼龙套筒；22—第二尼龙套筒；23—尼龙边盖；24—铜管；25—第二开关电极；26—主装炸药。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

图2所示为本发明实施例的组成框图，包括电容储能及充电单元、爆炸同步开关、起爆器、雷管、第一导爆索、爆炸分流器、第二导爆索、第三导爆索被测炸药装药部件、脉冲形成网络、脉冲恒流源和第一示波器；利用电源、高压直流变换器、限流电阻等实现对储能电容器的充电控制；利用起爆器、雷管、导爆索、爆炸分流器、爆炸同步开关等实现被测炸药起爆和加载在被测炸药部件上的高电压脉冲宽度控制；利用电阻分压器、锰铜压阻传感器、脉冲恒流源、触发探针、脉冲形成网络、示波器等实现对被测炸药部件的绝缘耐压性能、时序起爆稳定性能和爆轰输出参数的测试。

其中的电容储能及充电单元包括储能电容器、电源、高压直流变换器、第一限流电阻和限流电阻2和第二限流电阻；电源、高压直流变换器、第一限流电阻和储能电容器顺序串联并接地形成储能回路，储能电容器通过第二限流电阻连接爆炸同步开关的高压输入端。该单元主要用于实现在储能电容器上产生40kV以上的高电压。其主要过程为：首先由电源提供较低的初始电压，经高压直流变换器后产生40kV以上的高电压，并通过第1限流电阻向储能电容器供电，从而将储能电容器上的电压充电至40kV以上，最终通过第2限流电阻将高电压加载在爆炸同步开关上。

其中的被测炸药装药部件，其特征在于包括导爆索连接孔1、高压测试平板2、高压电极3、环氧树脂4、第一触发探针5、第二触发探针6、第三触发探针7、尼龙外壳8、有机玻璃隔板9、聚四氟乙烯边盖12、聚四氟乙烯外壳13、低压电极14、低压测试平板15、锰铜压阻传感器18和有机玻璃底板11；在聚四氟乙烯外壳13的中轴上设有一矩形通孔，矩形通孔被分为两段；其中一段相对的两个平面上分别设有高压测试平板2和低压测试平板15，端面设有聚四氟乙烯边盖12，聚四氟乙烯边盖12的中心设有导爆索连接孔1；另一段上设有间距相等的三个凹槽，端面设有锰铜压阻传感器18和有机玻璃底板11；聚四氟乙烯外壳13的外部为环氧树脂4，环氧树脂4的外部为尼龙外壳8；高压电极3连接在高压测试平板2上，其引线穿过环氧树脂4至尼龙外壳8之外，低压电极14连接在低压测试平板15上，其引线穿过环氧树脂4至尼龙外壳8之外；第一触发探针5、第二触发探针6和第三触发探针7由中心依次通过三个凹槽置于矩形通孔内，并插入矩形通孔内被测的炸药上，三个触发探针的引线穿过环氧树脂4至尼龙外壳8之外。

该部件主要用于实现脉冲高电压下被测炸药的爆轰速度、爆轰压力等测量，进而得出微秒级脉冲高电压条件下被测装药部件的时序起爆稳定性能及爆轰输出性能。脉冲高电压加载在被测炸药上，并保证脉冲高电压与外部绝缘。脉冲高电压通过高压电极、低压电极、高压测试平板、低压测试平板等加载到被测炸药上下端面，被测炸药外侧采用聚四氟乙烯外壳、环氧树脂及尼龙外壳等实现绝缘封装，以满足外部高压绝缘要求。如图3所示为我方设计的被测炸药装药部件结构图。其高低压电极和测试平板采用螺钉连接金属平板结构，被测炸药部件的后端采用有机玻璃隔板结构，便于输出爆轰压力测量。

其中爆炸同步开关包括导爆索连接孔19、第一开关电极20、第一尼龙套筒21、第二尼龙套筒22、尼龙边盖23、铜管24、第二开关电极25和主装炸药26；第一尼龙套筒21和第二尼龙套筒22相互镶嵌而构成一个圆筒，第二尼龙套筒22为凹槽结构，第一尼龙套筒21上设有尼龙边盖23，尼龙边盖23的中心设有的导爆索连接孔19，圆筒的中心设有主装炸药26，其中一端与导爆索连接孔19相连接；主装炸药26的外部设有铜管24，第一开关电极20穿过第一尼龙套筒21与铜管24连接，第二开关电极25为环状设在铜管24的外圈，第二开关电极25与铜管24之间设有绝缘的第一尼龙套筒21，两个开关电极的引线穿至第一尼龙套筒21之外；所述第一开关电极20为输入端的高压电极，所述第二开关电极25为输出端的高压电极。

爆炸同步开关能够实现在高电压条件下利用导爆索传递爆轰波驱动其接通，导通所需时间能够精确控制。如图5所示为爆炸同步开关结构图。采用第二导爆索实现主装炸药起爆，采用第一开关电极连接外部的被测炸药部件，采用第二开关电极连接外部的限流电阻和电容储能器，尼龙套筒和尼龙边盖主要用于高压绝缘，铜管连接第一开关电极，主要用于在主装炸药驱动下击碎尼龙绝缘层，使第一和第二开关电极和导通。其主要工作过程为：第二导爆索传递的爆轰波驱动主装炸药起爆，进而驱动铜管膨胀，击碎铜管与开关电极之间的尼龙绝缘层，从而实现第一和第二开关电极的导通。

其中爆炸分流器能够实现单路导爆索的爆轰波的输入，双路或多路导爆索的爆轰波同时输出。如图4所示为爆炸分流器的结构图，其主体部分采用钢质或铁制结构，以提供足够的强度保证导爆索中爆轰波的正常传递。同时在三个方向开螺纹孔，可连接聚四氟乙烯套管，以方便导爆索的接入。其中上端面的开孔主要用于连接单路输入第一导爆索，左右端面的开孔主要用于连接双路输出第二和第三导爆索。

本系统的连接关系为：起爆器、雷管和第一导爆索顺序串联，第一导爆索的输出连接爆炸分流器，爆炸分流器的输出并行连接第二导爆索和第三导爆索；第二导爆索所谓输出控制爆炸同步开关，爆炸同步开关输入端的高压电极连接电容储能及充电单元的高压输出端，爆炸同步开关输出端的高压电极连接被测炸药装药部件的高压电极3；第三导爆索的输出端通过被测炸药装药部件的导爆索连接孔1控制被测炸药，被测炸药装药部件的低压电极12接地，第一触发探针5和第二触发探针6的输出端连接脉冲形成网络，脉冲形成网络的输出连接第一示波器；被测炸药装药部件的第三触发探针7控制脉冲恒流源为被测炸药装药部件的锰铜压阻传感器15提供恒定电流信号，锰铜压阻传感器15的输出端连接第一示波器。

具体工作过程如下：首先，电容储能及充电单元开始工作，利用电源、高压直流变换器、第一限流电阻等将储能电容器充电到指定电压值，并通过第二限流电阻将高电压加载在爆炸同步开关上。然后，脉冲宽度控制单元和起爆传爆单元开始工作，起爆器控制雷管起爆，进而引爆第一导爆索，通过爆炸分流器将第一导爆索输入的爆轰波转换为第二导爆索和第三导爆索同时输出爆轰波，其中第二导爆索驱动爆炸同步开关闭合，将储能电容器的高电压加载在被测炸药装药部件上；第三导爆索直接连接在被测炸药装药部件上，实现被测炸药的起爆。而由于第二导爆索和第三导爆索的长度可以分别精确控制分别设定为l₁和l₂，导爆索的爆速v相对稳定，因此利用第二导爆索和第三导爆索之间的长度差可以控制爆炸同步开关闭合和被测炸药起爆两个时间点之间的时间间隔t＝l₂-l₁/v，也即为加载在被测炸药上脉冲高电压的脉冲宽度。最后，爆速爆压测试单元和耐高压测试单元开始工作，利用第一触发探针和脉冲形成网络等测量被测炸药起爆后爆轰速度；利用锰铜压阻传感器、脉冲恒流源、第二触发探针等测量被测炸药起爆后爆轰压力的变化曲线；利用电阻分压器和第二示波器等测量被测炸药起爆前后的整个过程中加载到被测炸药上的电压变化曲线。根据上述测试结果，并对比被测炸药典型的爆轰性能参数可得出被测炸药的耐高压性能、时序起爆稳定性能和爆轰输出性能等。

本发明中通过起爆器控制起爆雷管，雷管进而引爆第一导爆索实现传爆，利用导爆索长度可精确控制传爆时间，起爆器可采用传统工程起爆用手持式起爆器。

利用爆炸分流器、第二导爆索和第3导爆索实现对第一导爆索的同步分路作用。其中第二导爆索连接爆炸同步开关，通过第二导爆索中的炸药膨胀，驱动爆炸同步开关闭合，开关闭合所需时间可精确测定。开关闭合后，与第二限流电阻连接的储能电容器将高电压加载在被测炸药装药部件上；而第三导爆索经过时间t延时后起爆被测炸药。由于炸药爆轰过程中具有导电性，因此炸药被起爆后接近短路状态，此时加载到被测炸药装药部件上的高电压脉冲截断。而通过测试并计算爆炸同步开关闭合时间、被测炸药起爆时间等参数，合理选取导爆索的爆速，以及第二导爆索的长度l₁和第三导爆索的长度l₂，利用公式t＝l₂-l₁/v可实现对高电压脉冲宽度t的精确控制。

所述的被测炸药爆轰速度测量主要利用第1触发探针、脉冲形成网络、第1示波器等实现。将两组触发探针分别加载在被测炸药侧面，并确定两组探针之间的距离，脉冲形成网络连接在触发探针末端。当被测炸药爆轰经过一组触发探针时，由于炸药的爆轰产物具有一定导电性，使该组探针接通，与其连接的脉冲形成网络将产生一个脉冲信号。通过第一示波器记录两组探针接通时对应的脉冲信号时间间隔，进而测量炸药的爆轰速度。

所述的被测炸药爆轰压力测量主要利用锰铜压阻传感器、脉冲恒流源、第二触发探针、第一示波器等实现，将锰铜压阻传感器通过被测炸药装药部件上的有机玻璃隔板装在被测炸药末端，其两侧电极分别连接脉冲恒流源和示波器。第二触发探针加载在被测炸药中部，并连接脉冲恒流源触发端，炸药起爆后，经过触发探针时，探针导通，从而触发脉冲恒流源对锰铜压阻传感器开始供电，当爆轰传输到被测炸药末端时，通过有机玻璃隔板在锰铜压阻传感器上产生输出压力时，通过示波器记录压力曲线，得出炸药的爆轰压力。

耐高压测试单元主要由电阻分压器和第二示波器组成，该单元主要用于实现加载在被测炸药上的脉冲高电压波形及被测炸药的绝缘耐压性能测量。将电阻分压器的高压探头连接在爆炸同步开关与被测炸药装药部件之间，爆炸同步开关导通以后，储能电容器的高电压通过第二限流电阻、爆炸同步开关加载在被测炸药装药部件上。当被测炸药起爆后，由于爆轰产物具有一定电导率，电压值迅速下降，此过程可利用电阻分压器和第二示波器记录，其总时间通常小于100μs，根据示波器上记录的电压波形变化，可推断出被测炸药耐高压性能是否符合要求，从而实现对被测炸药绝缘耐压性能测量。

Claims

1.一种脉冲高电压下炸药爆轰性能测试系统，其特征在于包括电容储能及充电单元、爆炸同步开关、起爆器、雷管、第一导爆索、爆炸分流器、第二导爆索、第三导爆索被测炸药装药部件、脉冲形成网络、脉冲恒流源和第一示波器；测试系统连接关系为：起爆器、雷管和第一导爆索顺序串联，第一导爆索的输出连接爆炸分流器，爆炸分流器的输出并行连接第二导爆索和第三导爆索；第二导爆索所谓输出控制爆炸同步开关，爆炸同步开关输入端的高压电极连接电容储能及充电单元的高压输出端，爆炸同步开关输出端的高压电极连接被测炸药装药部件的高压电极（3）；第三导爆索的输出端通过被测炸药装药部件的导爆索连接孔（1）控制被测炸药，被测炸药装药部件的低压电极（12）接地，第一触发探针（5）和第二触发探针（6）的输出端连接脉冲形成网络，脉冲形成网络的输出连接第一示波器；被测炸药装药部件的第三触发探针（7）控制脉冲恒流源为被测炸药装药部件的锰铜压阻传感器（15）提供恒定电流信号，锰铜压阻传感器（15）的输出端连接第一示波器。

2.根据权利要求2所述的测试系统，其特征在于：爆炸同步开关的输入端还通过电阻分压器连接第二示波器。

3.根据权利要求2所述的测试系统，其特征在于：所述电容储能及充电单元包括储能电容器、电源、高压直流变换器、第一限流电阻和限流电阻和第二限流电阻；电源、高压直流变换器、第一限流电阻和储能电容器顺序串联并接地形成储能回路，储能电容器通过第二限流电阻连接爆炸同步开关的高压输入端。