兩種組合電探針在爆轟實驗中的應用

金山，湯鐵鋼，陳永濤，李慶忠，王健

(中國工程物理研究院 流體物理研究所，四川 綿陽621900)

0 引言

利用電探針測量爆轟陣面、沖擊波陣面或運動物體表面到達預定位置的時間，是爆轟實驗中常用測試手段之一［1］。1945年，Roberts 和Nedzed 即利用電探針測量了鋼中的沖擊波速度和自由表面速度。1955年Minshall 利用光桿探針測量了鋼中彈性波和塑性波的波速。1965年Richard 等研究了蓋帽式電探針，彌補了光桿探針不能測量非導體材料沖擊波速度的缺點。隨著電探針測試技術的發展，探針的種類、應用范圍、測試精度及效率也進一步提高，如時間分辨率為亞納秒級的同軸探針技術［2］、可在一發實驗中得到更多實驗數據的高密集度小型組合探針技術［3］等。

本研究同時采用縱向多臺階組合探針和橫向多層次組合探針測試平面爆轟波驅動的金屬飛片到達某點的時刻，同時利用雙靈敏度VISAR 取得飛片的實時自由面速度及位移歷史，對比不同組合電探針的測試結果，同時與VISAR 測試數據進行對比，探索研究不同組合電探針在爆轟實驗中的應用。

1 平面爆轟波驅動金屬飛片實驗

1.1 電探針簡介

爆轟實驗中常用電探針有光桿探針、同軸探針、蓋帽探針、彈簧探針等［4］。當爆轟波、沖擊波和飛片等到達或接近電探針敏感部分所在剖面時，電探針開關狀態突變，并輸出信號，測試系統主要包括電探針、脈沖形成網絡、信號傳輸與記錄、數據處理等。圖1為電探針測試系統中常用的脈沖形成網絡等效電路示意圖。

圖1 脈沖形成網絡等效電路示意圖Fig.1 RLC circuit diagram

圖2為電探針得到的典型開關信號。

圖2 電探針典型信號圖像Fig.2 Representative signal image

單個探針只能測得目標到達某一點的時刻，為了在一次實驗中取得更多的信息，可用組合探針進行測試。常用探針組合方法有縱向多臺階組合探針和橫向多層次組合探針?？v向組合探針即在一個點布置多根探針，同時測量一個點多個層面的數據;橫向組合探針是在多個點布置探針，每個點只布置一根探針，探針可以布置在同一層面或多個層面，同時測量多個點的數據。

1.2 實驗裝置

實驗裝置如圖3所示。利用炸藥透鏡產生平面爆轟波驅動金屬飛片，利用兩種組合探針記錄飛片到達某個剖面的時刻，利用雙靈敏度VISAR 記錄飛片自由面速度。雙靈敏度VISAR 的條紋常數分別選取350 m/(s·Fr)、450 m/(s·Fr).

圖3 實驗裝置示意圖Fig.3 Sketch of experiment setup

1.3 探針布局

組合電探針布局如圖4所示。橫向組合探針共3 組，每組2 個，3 組探針分別距離飛片表面5 mm、10 mm、15 mm.縱向組合探針共3 個臺階，距離飛片表面分別為10 mm、15 mm、20 mm.

圖4 組合探針布局示意圖Fig.4 Combination probe array

2 實驗結果分析

2.1 不同組合的電探針測試結果對比

在距炸藥透鏡中心100 mm 的圓周上選取兩個對稱測點進行測試，以減少炸藥透鏡本身波形差的影響，每個測點均布有兩種不同組合的電探針。表1即為電探針測得的飛片到達某一剖面時刻，其中s為飛片到某一剖面的距離，t1、t2分別為每對橫向組合探針測得的飛片到達時間，tv為縱向組合探針測得的飛片到達時間。

表1 組合探針測試結果Tab.1 Experiment results measured by combination probe

從表1中可以看出，每個測點的t1和t2在同一剖面的差值為0.01～0.02 μs，考慮到所用電探針導通時間為0.01～0.02 μs，可以認為同一剖面每組橫向組合探針的測試結果一致。

兩個測點的縱向組合探針第1 臺階，即距離飛層10 mm 處，與同側點的橫向組合探針的測試結果最大差值為0.02 μs，表明縱向組合探針的第1 臺階探針與橫向組合探針測試結果一致;兩個測點的縱向組合探針的第2 臺階探針，即距離飛層15 mm處，與同測點的橫向組合探針的測試結果差值為0.14～0.18 μs，與第1 臺階探針相比，差異明顯增大。

分析認為，造成這種結果的原因是探針對飛片運動的干擾。橫向組合探針由于前后級橫向距離大，前級對后級干擾小，而縱向組合探針前后級橫向間距極小，前級對后級的干擾明顯加大。

2.2 電探針與VISAR 測試結果對比

利用雙靈敏度VISAR 測得的飛片自由面速度-時間曲線如圖5所示。圖中兩條曲線分別為條紋常數選取350 m/(s·Fr)、450 m/(s·Fr)時的測試結果。

表2為兩種組合電探針與VISAR 測得的飛片到達固定剖面的時刻，其中s 為飛片到固定剖面的距離，th1、th2分別為兩個測點每組橫向組合探針測得的到達時間均值，tv1、tv2分別為兩個測點縱向組合探針測得的到達時間，t 為雙靈敏度VISAR 測得的到達時間(兩個條紋常數測試結果均值)。

考慮到測試電纜及測試光纖的傳輸時間差(約0.12 μs)，修正后的結果對比如圖6所示。其中曲線為VISAR 測得的飛片自由面速度-時間曲線積分得到的位移-時間曲線，h1、h2分別為兩個測點橫向組合探針測試數據，v1、v2 分別為兩個測點縱向組合探針測試數據。

圖5 VISAR 測得的飛片自由面速度-時間曲線Fig.5 v-t curves measured by VISAR

表2 飛片到達固定點的時刻Tab.2 Time when the flyer arrived at some point

圖6 組合探針與VISAR 測試結果Fig.6 Experiment results measured by combination probe and VISAR

經過修正后，測點1 的橫向組合探針與VISAR在5 mm、10 mm、15 mm 處測試結果差值分別為0.21 μs、0.20 μs、0.22 μs，最大偏差為0.71%;縱向組合探針與VISAR 在10 mm、15 mm、20 mm 處測試結果差值分別為0.21 μs、0.07 μs、-0.05 μs，最大偏差為0.67%.

測點2 的橫向組合探針與VISAR 在5 mm、10 mm、15 mm 處測試結果差值分別為0.29 μs、0.29 μs、0.30 μs，最大偏差為0.98%;縱向組合探針與VISAR 在10 mm、15 mm、20 mm 處測試結果差值分別為0.28 μs、0.12 μs、-0.01 μs，最大偏差為0.90%.

由于電探針與VISAR 兩套測試系統之間存在系統誤差，此處差值只能表明相對偏差，而非絕對偏差。

3 結論

根據實驗結果對比，可以得到以下結論:

1)縱向組合探針的第1 臺階探針與橫向組合探針的測試結果一致，第2 臺階探針與橫向組合探針的測試結果存在偏差，隨著縱向組合探針臺階的增加，與橫向組合探針的偏差增大。造成這種結果的原因是探針對飛片運動的干擾。橫向組合探針由于前后級橫向距離大，前級對后級干擾小，而縱向組合探針前后級橫向間距極小，前級對后級的干擾明顯加大。

2)測點1 處橫向組合探針及縱向組合探針與VISAR 的測試結果最大偏差分別為0.71%、0.67%;測點2 處橫向組合探針及縱向組合探針與VISAR 的測試結果最大偏差分別為0.98%、0.90%.

總之，橫向組合探針能夠能更精確地測量單點的數據，但只能測得固定點的一個剖面的數據;縱向組合探針能夠測量固定點多個剖面的數據，但后續臺階會受到前面臺階的影響，從而增大誤差。橫向組合探針可以和縱向組合探針一起，組成更復雜的多層次探針陣列，以獲得多個面上不同點的數據。

References)

［1］ 黃正平.爆炸與沖擊電測技術［M］.北京:國防工業出版社，2006:72 -73.HUANG Zheng-ping.Explosionand shock measuring technique［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2006:72 -73.(in Chinese)

［2］ 王建，文尚剛.以HMX 為基的兩種壓裝高密度炸藥的燃燒轉爆轟實驗研究［J］.高壓物理學報，2009，23(6):441 -446.WANG Jian，WEN Shang-gang.Experimental study on deflagration-to-detonation transition in two pressed high-density explosives［J］.High Pressure Physics，2009，23(6):441 -446.(in Chinese)

［3］ 李雪梅，金孝剛，李大紅，等.內聚爆轟加載下金屬圓管的自由面速度測量初探［J］.兵工學報，2007，28(10):1252 -1255.LI Xue-mei，JIN Xiao-gang，LI Da-hong，et al.Elementary measurement of free surface velocity of cylindrical metal tube under inward detonation［J］.Acta Armamentarii，2007，28(10):1252 -1255.(in Chinese)

［4］ 孫承緯，衛玉章，周之奎.應用爆轟物理［M］.北京:國防工業出版社，2000:177 -180.SUN Cheng-wei，WEI Yu-zhang，ZHOU Zhi-kui.Application of detonation physics［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2000:177 -180.(in Chinese)