基于ICP技术的炸药冲击波压力测定(1).pdf

3 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 1 卷第4 期 基于I C P 技术的炸药冲击波压力测定’ 朱满林石成英蔡星会王效廉 第二炮兵工程大学 陕西西安，7 1 0 0 2 5 [ 摘要]采用由1 3 7 型传感器、V X I 数据采集和计算机数据处理系统等组成的测定炸药自由场冲击波压力的高 速动态测量系统，测得了某传爆药柱在空中爆炸时产生的空气冲击波超压曲线，并通过计算和数据拟合方法，得到 了超压曲线、超压随时间变化的关系式以及不同条件下的峰值超压、正压作用时间等参数。实验表明随着测点爆 心距的增大，峰值超压递减，且测点爆心距越大，超压衰减速率越小。当爆心距为0 ．6 m 时，超压值为0 ．1 1 4 3M P a ， 而当距离为1 ．2m 时．超压值则为0 ．0 3 2 3M P a 。 [ 关键词] 冲击波峰值超压I C P 技术测定 [ 分类号] T Q 5 6 0 ．7 2 T J 5 1 0 ．6 引言 炸药在空中爆炸时产生空气冲击波，其峰值超 压、正压作用时问、比冲量是炸药能量特性的重要参 数，它们表征了冲击波破坏作用的大小。因此，这些 参数的准确测量可以为武器研制过程中的爆炸类型 判别、威力对比、性能评价等提供重要依据。 1基于I C P 技术的炸药冲击波超压测试系统 基于I C P 技术的炸药冲击波超压测试系统主要 由1 3 7 型压电式压力传感器、V X I 数据采集系统、计 算机数据处理软件、信号适配仪及起爆仪等组成。 1 3 7 型空气冲击波压力传感器是美国压电有限 公司研制的自由场冲击波压力传感器，它以石英为 敏感元件，内嵌集成放大电路技术，使信号能够长距 离传输且受温度影响较小【l 】。 V X I 数据采集系统是整个冲击波超压测试系统 的核心，它由V X I - - 1 0 1 0 B 主机箱和V X I 一1 l1 5 2 0 4 通道2 01 K ／s1 4 B i t 高速并行数据采集模块组成。 V x I 一1 1 1 5 S 2 0 模块主要由V X I 总线接口、高速A ／D 转换器、模拟通道变换器、缓冲存储器、供电系统和 触发电路组成。总体框图如图1 所示。 图1V Ⅺ一1 1 1 5 S 2 0 总体结构框图 V I S 软件是将通用计算机与仪器硬件结合起 来，在计算机上通过友好的图形界面来实现传统仪 器的硬件功能与其软件功能的协调运作。V I S 可完 成多种高级的信号分析和处理，包括时域信号分 析、信号脉冲参数分析、基于F F T 的频域分析等，并 可将采集到的原始数据存盘或从盘中读出分析。 4 8 2 C 5 0 型信号适配仪为标准的I C P 型信号适 配器，它提供适当的电流源以驱动I C P 型压力传感 器，包含4 个独立采集通道，可控制2 6 V 直流电供 给，以提供稳定的电流给每一个通道，并利用B N C 连接器将输入与输出从仪器的背部连接起来BJ 。 其主要作用是采集各通道相对应的初级爆炸信号， 并将其放大，再经射频线将这些放大了的信号送到 各自相对应的V x I 1 1 1 5 S 2 0 模块中。 起爆仪用于起爆雷管。雷管被起爆后，引爆后 续爆炸装置，以实现不同的爆破目的。 2 自由场爆炸冲击波重要参数的计算 2 ．1 峰值超压计算 峰值超压指波阵面压力或冲击波的峰值压力。 目前已有不少学者对于T N T 装药爆轰冲击波近场 超压和传播规律及其经验公式进行了研究”’7J ，在此 引用国家国防工程设计规范 草案 中提供的裸露 耵汀球形装药在空中爆炸时的经验公式J ，即 卸 0 ．0 8 2 ∥疗／R 0 ．2 6 5 ∥席／R 2 0 ．6 8 6 ∥刀／R 3 1 ≤肜矿力≤1 5 1 式中形为炸药的质量，即炸药装药的曰盯当量， k g ；R 为测点距装药中心的距离，r t l 。 收稿习期2 0 1 1 ．1 2 - 2 7 作者俺介朱满林 1 9 6 2 一 ，男，硬士，高级实验师，主要从事战斗部工程技术研究。E - n m i l z h m l j t l s i a a ．C o i n 万方数据 2 0 1 2 年6 月基于I C P 技术的炸药冲击波压力测定朱满林等 适用范围∥矿厅≥0 ．3 5 ，其中日为装药爆炸时 的高度 m 。符合该条件的爆炸可以近似地认为是 在无限空间中的爆炸。 2 ．2 正压区作用时间f ．的计算 正压区作用时间也称为冲击波正压持续时间， 以下 来表示，单位为s ，常用大量实验得到的经验公 式‘9 1 计算 下． 1 ．5 1 0 。扯√形 R 1 2 R o 2 式中凰为装药半径，m 。 2 ．3 等效的T N T 当量计算公式H o 】 W l r 职岳 3 式中暇为炸药的质量；职为暇折算的T N T 当量； Q ；为炸药的爆热；Q ，为T N T 的爆热。 3 测试原理 炸药爆炸时，冲击波强度很强，压力非常高，通 常有几万个大气压，有些高能猛炸药甚至能达到几 十万个大气压，一般只能通过转换测量目标来测得 压力，即把压力信号转换成可供测量的其它信号。 实验的冲击波超压测试系统原理如图2 所示。炸药 药柱被引爆后，放置在药柱附近的各传感器受到冲 击波强大的压力冲击作用后会产生一系列压力信 号，当该冲击波信号掠过敏感元件的工作面时，其装 在传感器中的敏感元件石英晶体在压力作用下发生 形变，内部产生“极化现象”，在垂直于电轴的表面 产生电荷，再经内嵌于传感器中的集成放大电路放 大而形成能被精确测量的电信号[ 1 ，这些电信号又 被与传感器连接的4 8 2 C 0 5 型信号适配器获得，再 经4 8 2 C 0 5 型信号适配器中的放大电路放大后，通 过射频线进人V X I I O I O B 数据采集系统，该系统 将这一系列电压模拟信号经过数据采集后，通过 I E E E l 3 9 4 串行总线输送到装有V I S 数据采集软件 的外部计算机进行处理，V I S 数据采集软件获得以 电压为信号的波形图，通过软件可以读取不同时刻 的电压值，再由传感器的灵敏度系数可计算出自由 场某一位置处的峰值超压以及其它时刻的超压。 压电式传感器1 压电式传感器2 压电式传感器3 长线 多 路 信 号 适 配 仪 计 算 机 处 理 系 统 图2冲击波超压测试系统结构示意图 4 自由场冲击波参数的实验值处理 在外界信号的干扰下，原本平滑的压力一时间 曲线上会出现许多毛刺，为此可采用曲线拟合的方 法，得出光滑的曲线以及曲线的函数关系式，这样就 可以准确地求取峰值超压、正压作用时间和比冲量。 用拟合的方法处理曲线的过程如下在波形窗 口中选取适当的波形，保证图形中包含有超压峰值 第一次衰减到零点之间的所有点，然后点击面板中 的波形文件保存波形数据；再用E x c e l 处理数据，使 时间和电压的数据分离开；最后用M A T L A B 进行曲 线拟合，由于曲线走势与指数函数走势相似，所以可 选取指数拟合，在这里选用带修正因子的指数方程， 形式如式 4 引 P ￡ a 1 一t ／_ r e “7 4 式中p t 为某一时刻冲击波波后压力值；￡为时间； 口为峰值超压修正系数；c 为衰减指数；r 为超压时 域脉冲宽。经M A T L A B 指数拟合后得到如图3 所 示的冲击波波后压力一时间曲线。 图3 拟合后的冲击波超压衰减曲线 其函数关系式为 P t 1 ．5 8 0 2 6 1 0 ．0 0 2 5 2 7 6 8 t e 。0 猢‘ 5 式中口、c 、丁由M A T L A B 计算给出。由式 5 得某 一测点压力随时间变化的关系式 P t 口 1 一t ／T e “7 以 6 P t O ．1 1 5 1 8 1 0 ．0 0 2 5 2 7 6 8 t e o 2 位8 ‘ 7 令 7 式中P 0 ，可以得到￡ 3 9 5 ．6 2 1 0 ～s 时，冲击波波后压力为零。 5 不同的条件下。峰值超压、正压作用时间的理论 值和实验值 实验对象是对以太安为主要成分，加有少量钝 感剂，直径2 0 m m ，高度2 0 r n m 的某专用传爆药柱。 相同条件下，在相同测点爆心距 测试取值为 0 ．6I n 、相同爆高 测试取值为1 ．3 m 的传爆药柱 上测得的超压、正压作用时间的实验值与计算值，列 入表l 。由数据可以看出，自由场中测点的超压峰 值测量误差很小，由实验拟合后的函数关系式计算 出的正压作用时间，r 与经验计算基本相符，说明该 系统所测的超压值数据比较可靠。 S|【I数据采集系统 万方数据 3 2 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 l 卷第4 期 袁1相同条件相同测点爆心距测得的 峰值超压卸、正压区作用时间r 时间与经验计算基本相符，且实验数据的方差较小， 说明该系统所测的超压值数据比较可靠。 由于常规的超压测试系统的响应速度太慢，对 邻近炸药装药表面超压的准确测定很难实现。该测 试系统由于采用了目前最先进的基于I C P 技术压力 传感器及其配套系统，对比较准确测量邻近炸药装 药表面的超压会有一定的效果。 参考文献 万方数据