楊軍， 李焰， 張德志， 史國(guó)凱， 張敏， 劉文祥， 王昭， 熊琛

(西北核技術(shù)研究所， 陜西 西安 710024)

光子多普勒測(cè)速儀與壓桿相結(jié)合的沖擊波反射壓力測(cè)試技術(shù)

楊軍， 李焰， 張德志， 史國(guó)凱， 張敏， 劉文祥， 王昭， 熊琛

(西北核技術(shù)研究所， 陜西 西安 710024)

為在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下測(cè)量爆炸沖擊波的壁面反射壓力，將光子多普勒測(cè)速儀(PDV)與壓桿相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套壓力測(cè)試系統(tǒng)。采用滑動(dòng)安裝結(jié)構(gòu)消除探頭在應(yīng)力波作用下產(chǎn)生的軸向速度，根據(jù)桿中彈性波多次反射的壓桿自由面速度曲線，提取起跳點(diǎn)，擬合得到了壓桿聲速。對(duì)壓力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了響應(yīng)特性、有效測(cè)量時(shí)間和測(cè)量下限分析，并采用該系統(tǒng)測(cè)量了球形炸藥爆炸的沖擊波反射壓力。研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)頻響低于桿表面粘貼的應(yīng)變片電測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量下限優(yōu)于應(yīng)變片電測(cè)系統(tǒng)；測(cè)得的球形炸藥爆炸的沖擊波最大反射壓力為463.5 MPa，上升沿為5 μs；PDV和壓桿相結(jié)合的沖擊波壁面反射壓力測(cè)試技術(shù)可行。

爆炸力學(xué)； 壓桿； 壓力傳感器； 光子多普勒測(cè)速儀； 爆炸沖擊波

0 引言

爆炸近區(qū)沖擊波壓力的測(cè)量對(duì)于研究爆炸與結(jié)構(gòu)的相互作用具有重要意義。近區(qū)壓力幅值大、上升沿快、脈沖短、電磁干擾嚴(yán)重，要求傳感器具有大量程、高頻響和強(qiáng)抗干擾能力。硅壓阻式壓力傳感器的量程較低，在強(qiáng)沖擊環(huán)境下容易損壞，易受爆炸強(qiáng)光輻射[1]和電磁輻射干擾。

壓桿測(cè)壓最早由Hopkinson在1914年提出[2]，此后國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這種方法進(jìn)行了大量的研究。Jones[3]使用直徑3 mm的鈹桿研制了上升沿為0.54 μs的壓桿。范良藻等[4]利用壓桿和聚偏氟乙烯(PVDF)研制了上升沿約為20 ns的壓力傳感器。Dick等[5]利用壓桿成功測(cè)得爆炸近區(qū)的沖擊波壓力，峰值達(dá)到2.4 GPa. 張德志等[6]利用壓桿測(cè)得了爆炸容器壁面反射壓力。宜晨虹等[7]采用有限元方法研究了不同壓桿材料對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，分析表明鈹壓桿優(yōu)于鋁壓桿和鋼壓桿。Rigby等[8]利用壓桿陣列研究了小比距離情況下球形炸藥爆炸載荷的空間和時(shí)間分布。為了在強(qiáng)電磁脈沖干擾下使用壓桿測(cè)量沖擊波壁面反射壓力，將光子多普勒測(cè)速儀(PDV)[9]和壓桿測(cè)壓技術(shù)相結(jié)合，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 壓桿測(cè)壓系統(tǒng)原理

1.1 壓桿測(cè)壓力學(xué)原理

壓桿測(cè)壓的基礎(chǔ)是一維應(yīng)力波理論。當(dāng)爆炸沖擊波作用在桿的一端時(shí)，在桿中會(huì)激發(fā)一維彈性應(yīng)力波并沿桿傳播。本文假定壓桿材料各向同性、均勻、線彈性且無(wú)阻尼，實(shí)驗(yàn)中壓桿前端面離爆心保持一定的距離，使得壓力峰值低于屈服強(qiáng)度，確保桿中傳播的是彈性應(yīng)力波。在此前提下忽略波在桿中傳播導(dǎo)致的幅值衰減和上升沿變慢的情況，采用一維應(yīng)力波理論對(duì)桿的力學(xué)行為進(jìn)行近似分析和計(jì)算，滿足工程上對(duì)沖擊波測(cè)試的需求。對(duì)壓桿中彈性應(yīng)力波傳播過(guò)程更深入地分析和計(jì)算，是下一步研究工作的重點(diǎn)，擬另文給出。

通過(guò)測(cè)量桿適當(dāng)位置的力學(xué)參量(應(yīng)變、粒子速度、應(yīng)力等)，可以計(jì)算得到承壓端的沖擊波時(shí)間歷程。比較常用的測(cè)量方法是在桿表面粘貼應(yīng)變片來(lái)測(cè)量應(yīng)變?chǔ)?t),本文的方法是采用PDV測(cè)量桿自由面的速度v(t)(見(jiàn)圖1)，圖1中L為桿長(zhǎng)，Lε為應(yīng)變片到桿自由端的距離。

圖1 壓桿測(cè)壓原理圖Fig.1 Schematic diagram of pressure bar

桿中的應(yīng)變或桿末端自由面速度換算壓力的公式為

p(t)=Eε(t)，

(1)

p(t)=ρ0c0v(t)/2=kv(t)，

(2)

式中：ε(t)為桿表面應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變；v(t)為PDV測(cè)得的桿自由面速度；p(t)為桿前端面的沖擊波反射壓；E為桿材的彈性模量；ρ0為桿材密度；c0為桿中彈性波波速；k為從自由面速度轉(zhuǎn)換為桿端反射壓的系數(shù)。

圖2為壓桿結(jié)構(gòu)示意圖。作為敏感元件的壓桿材料為34CrNi3MoA，準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度為1 020 MPa，尺寸為φ8 mm×1 500 mm，壓桿系統(tǒng)總長(zhǎng)約為1 620 mm. 壓桿與套筒之間放置多組橡膠密封圈以實(shí)現(xiàn)聲絕緣。

圖2 壓桿結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of pressure bar

1.2 PDV原理

基于激光多普勒原理和光纖器件發(fā)展起來(lái)的PDV具有非接觸測(cè)量、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體會(huì)使反射的激光發(fā)生多普勒頻移，通過(guò)一定的方法檢測(cè)出該頻移量隨時(shí)間的變化，即可獲得物體的運(yùn)動(dòng)速度歷程。采用光混頻技術(shù)(光外差技術(shù))，將包含頻移的信號(hào)光和參考光干涉后在光電探測(cè)器上轉(zhuǎn)換為差拍電信號(hào)。通過(guò)時(shí)頻變換將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)頻譜后提取出頻率隨時(shí)間的變化歷程，最終轉(zhuǎn)換為速度曲線。

圖3 PDV系統(tǒng)組成Fig.3 Schematic diagram of PDV

圖3為PDV系統(tǒng)組成圖。窄線寬光纖激光器輸出波長(zhǎng)1 550 nm的激光，經(jīng)光纖分束器分成兩路：一路為參考光；另一路為測(cè)量光，經(jīng)光纖環(huán)形器輸出至探頭、照射到目標(biāo)上，同時(shí)接收反射光并傳輸至合束器，與聲光移頻器調(diào)制并且經(jīng)衰減器衰減后的參考光混頻，光電探測(cè)器響應(yīng)該信號(hào)并用高速示波器記錄。

2 探頭安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)

用于測(cè)量壓桿自由面速度的PDV探頭安裝于壓桿后端的結(jié)構(gòu)中，并與自由面保持適當(dāng)距離。探頭安裝結(jié)構(gòu)最初設(shè)計(jì)為與支撐套筒固定連接，考核實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)PDV測(cè)試結(jié)果不正確(見(jiàn)圖4)。分析認(rèn)為，爆炸在壓桿和套筒中均激發(fā)了應(yīng)力波并向后傳播。套筒中的應(yīng)力波傳遞到探頭上，使得探頭具有軸向運(yùn)動(dòng)速度，且時(shí)間上與壓桿自由面速度的歷程幾乎重疊，探頭最終測(cè)得的是自由面速度與探頭自身速度的差值。將探頭安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)為如圖5所示的滑動(dòng)結(jié)構(gòu)(內(nèi)筒相對(duì)于外筒滑動(dòng))，使得探頭在一定時(shí)間內(nèi)相對(duì)于大地保持靜止，圖6為改進(jìn)后PDV和應(yīng)變片測(cè)得壓力波形的對(duì)比，表明該結(jié)構(gòu)較好地解決了附加速度問(wèn)題。

圖4 PDV探頭固定安裝及應(yīng)變片測(cè)得的壓力波形Fig.4 Pressure curves measured by strain gage and PDV probe mounted in fixed structure

圖5 PDV探頭滑動(dòng)安裝結(jié)構(gòu)Fig.5 Sliding structure for PDV probe

圖6 PDV探頭滑動(dòng)安裝及應(yīng)變片測(cè)得的壓力波形Fig.6 Pressure curves measured by strain gage and PDV probe mounted in sliding structure

3 系統(tǒng)性能分析

3.1 壓桿聲速c0的測(cè)定

壓桿在安裝完成后，采用壓力槍發(fā)射100 mm長(zhǎng)的柱形彈撞擊壓桿進(jìn)行碰撞加載，模擬爆炸產(chǎn)生的沖擊波，檢驗(yàn)系統(tǒng)是否工作正常和確定壓桿聲速。圖7為PDV測(cè)量得到的典型調(diào)試波形，可以看出彈性波在桿中來(lái)回反射的過(guò)程，每?jī)蓚€(gè)波之間的行程為兩倍桿長(zhǎng)。讀取各個(gè)波形的起跳點(diǎn)作為彈性波到達(dá)自由面的時(shí)間點(diǎn)，繪制彈性波行程- 時(shí)間曲線并進(jìn)行最小二乘法擬合直線(見(jiàn)圖8)。直線的斜率即為壓桿的聲速c0，值為5 173.5 m/s. 鋼桿密度ρ0為7 800 kg/m3，則根據(jù)(2)式可計(jì)算出鋼桿的壓力轉(zhuǎn)換系數(shù)k為20.18 MPa/(m/s).

圖7 PDV獲得的典型調(diào)試波形Fig.7 Typical test curve obtained by PDV

圖8 彈性波行程曲線及擬合得到的聲速Fig.8 Travel curve of elastic wave and acoustic velocity by fitting the takeoff points

3.2 系統(tǒng)響應(yīng)分析

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)特性由壓桿、PDV和示波器級(jí)聯(lián)確定。示波器帶寬為350 MHz，遠(yuǎn)高于壓桿，因此可以忽略其影響。

壓桿某點(diǎn)的上升時(shí)間τ[10]為

(3)

式中：d為壓桿直徑；x為測(cè)點(diǎn)距承壓端的距離；μ為桿材泊松比。對(duì)于直徑8 mm、泊松比為0.3、波速5 173.5 m/s的壓桿，其桿中心位置(750 mm)的上升時(shí)間為3.15 μs，桿末端自由面(1 500 mm)的上升時(shí)間為3.97 μs.

PDV系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理算法是影響系統(tǒng)響應(yīng)特性的主要因素。假定壓桿自由面輸出一理想三角形脈沖速度信號(hào)(見(jiàn)圖9(c))，速度在4 μs時(shí)達(dá)到峰值30 m/s，然后從4 μs至200 μs直線下降，等效峰值壓力為605.4 MPa. 將此速度波形按照多普勒原理模擬出混頻電信號(hào)，并在其中加入0.5倍幅值的隨機(jī)噪聲(信噪比6.02 dB)，得到如圖9(a)所示模擬電信號(hào)。將該模擬電信號(hào)采用PDV數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行計(jì)算，得到如圖9(b)所示的時(shí)頻圖。計(jì)算參數(shù)為：采樣率500 MS/s，激光波長(zhǎng)1 550 nm，聲光移頻量70 MHz，加窗長(zhǎng)度511點(diǎn)，F(xiàn)FT計(jì)算長(zhǎng)度2 048點(diǎn)，該參數(shù)與實(shí)際使用參數(shù)一致。將計(jì)算得到的速度波形與模擬速度波形進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)圖9(c)和圖9(d))。以峰值的10%～90%計(jì)算上升沿，模擬速度波形的上升沿為3.20 μs，計(jì)算速度波形的上升沿為3.19 μs，兩者相差0.01 μs. 不一致的原因是PDV數(shù)據(jù)處理程序在速度的1階不連續(xù)點(diǎn)(0 μs和4 μs)不能很好地跟蹤，導(dǎo)致計(jì)算速度波形的峰值比模擬速度波形略低，以此峰值速度計(jì)算10%～90%上升沿比模擬速度波形的計(jì)算值略小，從波形整體上看兩者吻合程度很好。綜上可知，PDV和壓桿相結(jié)合，測(cè)壓系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間主要決定于壓桿自身，即桿自由面處上升時(shí)間為3.97 μs，系統(tǒng)能測(cè)量的信號(hào)最高頻率為fmax≈1/(3τ)=84.0 kHz，低于文獻(xiàn)[6]報(bào)道的115 kHz. 分析原因是應(yīng)變片粘貼于桿中前部，而PDV測(cè)量的是桿自由端。在兼顧測(cè)量時(shí)長(zhǎng)的情況下縮短桿長(zhǎng)，可以提高系統(tǒng)頻響。

圖9 PDV數(shù)據(jù)處理程序的時(shí)間響應(yīng)特性模擬研究Fig.9 Simulation for time response characteristics of PDV signal processing program

3.3 有效測(cè)量時(shí)間

壓桿自由面反射應(yīng)力波傳播到應(yīng)變片時(shí)，反射波與入射波相疊加會(huì)導(dǎo)致波形失真。因此應(yīng)變片有效測(cè)量時(shí)間由應(yīng)變片到桿自由端的距離Lε決定(見(jiàn)圖1)：

t=2Lε/c0.

(4)

沖擊波作用在壓桿前端加載面激發(fā)的彈性波沿桿軸向傳播至壓桿后端自由面，PDV測(cè)得速度起跳。該彈性波波前在后端自由面和前端加載面均反射一次并再次到達(dá)自由面時(shí)會(huì)與首次到達(dá)的彈性波疊加，測(cè)得的速度值是兩者疊加。因此采用PDV測(cè)量自由面粒子速度時(shí)，有效測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度為速度起跳點(diǎn)到彈性波開(kāi)始疊加的時(shí)間間隔，即彈性波波前在桿中傳播一個(gè)來(lái)回的時(shí)間：

t=2L/c0.

(5)

對(duì)于長(zhǎng)度為1 500 mm的壓桿，波速5 173.5 m/s，PDV有效測(cè)量時(shí)間約為580 μs.

3.4 測(cè)量下限分析

激光器輸出激光功率波動(dòng)、自由面反射波動(dòng)、電磁干擾等因素，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的信噪比變差，影響系統(tǒng)所能測(cè)量得到的最小壓力值。為了研究信噪比對(duì)PDV數(shù)據(jù)處理程序測(cè)量速度下限的影響，本文采用模擬速度波形疊加一定幅值隨機(jī)噪聲的方法研究算法的速度分辨性能。

模擬計(jì)算的參數(shù)為峰值速度1 m/s，上升沿有4 μs和10 μs兩種，信號(hào)與噪聲的幅值比從1∶0.1變化至1∶2共11種情況，其余計(jì)算參數(shù)與3.2節(jié)相同。計(jì)算速度曲線和模擬速度曲線相減后得到速度噪聲，并由此計(jì)算出速度噪聲均方根(RMS)值和等效的壓力噪聲RMS值，如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，速度噪聲RMS值與上升沿快慢的關(guān)系較小，與信號(hào)和噪聲的幅值比近似呈線性關(guān)系。信號(hào)與噪聲等幅值(幅值比1∶1)時(shí)，速度噪聲為0.033 m/s，等效壓力噪聲為0.67 MPa. 當(dāng)信號(hào)完全淹沒(méi)在噪聲中(幅值比1∶2)時(shí)，速度噪聲為0.07 m/s，等效壓力噪聲為1.41 MPa，此種情況比較極端，在實(shí)驗(yàn)中較少出現(xiàn)。文獻(xiàn)[6]中信號(hào)噪聲幅值比為1∶0.5時(shí)計(jì)算得到應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)最小可測(cè)壓力約為3.6 MPa. 本文采用的PDV系統(tǒng)信號(hào)噪聲幅值比為1∶0.5時(shí)，等效壓力噪聲為0.34 MPa，假設(shè)高于噪聲一倍即可有效測(cè)量，則系統(tǒng)可測(cè)最小壓力為0.68 MPa，優(yōu)于應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。

3.5 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

在壓桿測(cè)壓系統(tǒng)建立并調(diào)試完成后，開(kāi)展驗(yàn)證系統(tǒng)可行性的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。將如圖2所示測(cè)壓系統(tǒng)安裝于實(shí)驗(yàn)室的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，采用現(xiàn)有內(nèi)徑30 mm的炮管發(fā)射直徑10 mm、長(zhǎng)200 mm的

表1 不同幅值比下的速度噪聲分析

子彈(帶聚碳酸酯彈托)撞擊測(cè)壓壓桿(見(jiàn)圖10)。在壓桿表面距離承壓端200 mm和400 mm處粘貼對(duì)稱(chēng)雙片應(yīng)變片以測(cè)量應(yīng)變信號(hào)，在壓桿自由端面用PDV系統(tǒng)測(cè)量速度信號(hào)，將應(yīng)變信號(hào)和速度信號(hào)均轉(zhuǎn)換為壓力信號(hào)后進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)圖11)。

圖10 子彈及彈托結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure of bullet and sabot

圖11 兩處應(yīng)變片和PDV系統(tǒng)測(cè)得的壓力波形Fig.11 Pressure curves measured by two strain gages and PDV

圖11為距離承壓端200 mm、400 mm的應(yīng)變片和PDV系統(tǒng)測(cè)得的應(yīng)變曲線和速度曲線換算得到的壓力曲線。為了清楚地展示各曲線，將400 mm處壓力曲線整體向下移動(dòng)10 MPa，將PDV測(cè)得壓力曲線整體向下移動(dòng)20 MPa. 由圖11可知，隨著傳播距離的增加，上升沿逐漸變得平緩，上升沿時(shí)間增加。200 mm處測(cè)得的信號(hào)包含更多高頻的信息，400 mm處和PDV測(cè)得的信號(hào)中高頻部分逐漸減少。分析原因?yàn)閺椥圆ㄔ跅U中傳播時(shí)因彌散效應(yīng)導(dǎo)致的高頻成分傳播相速度和群速度低于低頻成分，隨著傳播距離的增加，高頻成分到達(dá)測(cè)試點(diǎn)的時(shí)間變長(zhǎng)(高頻滯后)，PDV信號(hào)中平臺(tái)處的振蕩主要是低頻成分。針對(duì)桿中彈性波的彌散效應(yīng)開(kāi)展深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，可以給出校正方法，目前調(diào)研的方法有反分析法[11-12]和神經(jīng)網(wǎng)路法[13]，相關(guān)工作將另文發(fā)表。

將3條曲線的平臺(tái)部分取均值，200 mm處應(yīng)變片測(cè)得的平臺(tái)壓力為86.77 MPa，400 mm處為84.61 MPa，PDV所測(cè)為84.29 MPa. 以200 mm處信號(hào)為基準(zhǔn)，400 mm處信號(hào)衰減為97.5%，PDV所測(cè)信號(hào)衰減為97.1%. 綜上所述，PDV系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)滿足沖擊波測(cè)試的工程需求，本標(biāo)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

此外，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中采用非等直徑桿碰撞且含彈托結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致產(chǎn)生的信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)信號(hào)有所差別，下一步將改進(jìn)標(biāo)定裝置。

4 壓桿測(cè)壓結(jié)果分析與討論

在項(xiàng)目組開(kāi)展的一次爆炸實(shí)驗(yàn)中，采用該壓桿測(cè)壓系統(tǒng)測(cè)量球形炸藥爆炸的壁面反射壓力。圖12為兩根壓桿的信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)頻變換后得到的時(shí)頻截圖。由于聲光移頻器的頻率會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上有細(xì)微的變化，原始信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)頻變換后，首先通過(guò)程序計(jì)算出速度波形起跳之前基線對(duì)應(yīng)的頻率，并認(rèn)為該頻率在所測(cè)信號(hào)時(shí)間段內(nèi)保持不變。由于聲光移頻器的頻率穩(wěn)定度為10-7量級(jí)，且測(cè)量時(shí)間在毫秒量級(jí)，該近似是合理可靠的。

圖12 兩套壓桿系統(tǒng)測(cè)得的信號(hào)時(shí)頻圖Fig.12 Time-frequency curves of signals measured by two pressure bars

圖12為時(shí)頻變換后截取的圖形，算法為短時(shí)傅里葉變換法(STFT)，加窗長(zhǎng)度為511點(diǎn)，窗型為hanning窗，快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算長(zhǎng)度為2 048點(diǎn)。處理過(guò)程中會(huì)進(jìn)行時(shí)間尺度和頻率尺度上的縮放以觀察波形細(xì)節(jié)，因此兩幅截圖的時(shí)間和頻率尺度均不相同，具體提取出的速度波形見(jiàn)圖13. 此外，圖12所示波形可以看出系統(tǒng)噪聲很小，波形很干凈，分析原因有：1)前端的壓桿和光纖探頭對(duì)電磁干擾不敏感；2)PDV主機(jī)、光電探測(cè)器及示波器等處于幾百米以外的測(cè)試間，探頭和PDV主機(jī)之間以光纖連接，測(cè)試間屏蔽良好；3)參考光和信號(hào)光干涉混頻后輸出的差拍信號(hào)頻率與物體運(yùn)動(dòng)速度呈線性關(guān)系，示波器記錄的電信號(hào)本質(zhì)上是調(diào)頻信號(hào)。該調(diào)頻信號(hào)與光強(qiáng)變化引起的低頻噪聲在頻帶上分離，信噪比較高。綜上所述，PDV和壓桿相結(jié)合的測(cè)壓系統(tǒng)具有很好的抗干擾性能。

圖13 1號(hào)和2號(hào)壓桿的壓力波形Fig.13 Pressure curves measured by Bar 1 and Bar 2

圖13為1號(hào)和2號(hào)壓桿所測(cè)得的壓力波形。表2為兩套壓桿系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)匯總。1號(hào)壓桿測(cè)得的峰值壓力為463.5 MPa，上升沿5.0 μs，2號(hào)壓桿測(cè)得的峰值壓力為409.4 MPa，上升沿5.0 μs.

表2 兩套壓桿系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯總

兩套壓桿的實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)峰值差別較大，分析原因是：爆心周?chē)惭b有其他裝置，該裝置影響了沖擊波的傳播過(guò)程，進(jìn)而導(dǎo)致入射至兩桿端面的沖擊波為不均勻平面波，導(dǎo)致峰值和波形不一致。

5 結(jié)論

本文將PDV與壓桿相結(jié)合，研制了一套沖擊波反射壓力測(cè)試系統(tǒng)。研究結(jié)果表明：

1)PDV探頭的滑動(dòng)安裝結(jié)構(gòu)消除了應(yīng)力波對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在爆炸考核實(shí)驗(yàn)中測(cè)得有效波形。

2)通過(guò)對(duì)桿中彈性波多次反射的PDV測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出了壓桿聲速為5 173.5 m/s，壓力轉(zhuǎn)換系數(shù)為20.18 MPa/(m·s-1)。

3)壓桿自由面處的上升時(shí)間是系統(tǒng)響應(yīng)的主要因素，系統(tǒng)上升時(shí)間為3.97 μs，響應(yīng)頻率為84.0 kHz.

4)系統(tǒng)有效測(cè)量時(shí)間為580 μs.

5)在信號(hào)與噪聲的幅值比為1∶0.5時(shí)，系統(tǒng)可測(cè)最小壓力為0.68 MPa，優(yōu)于文獻(xiàn)[6]中的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)(3.6 MPa)。

6)在爆炸實(shí)驗(yàn)中成功測(cè)得了上升沿5.0 μs，峰值463.5 MPa的沖擊波反射壓力波形。

下一步改進(jìn)：

1)對(duì)應(yīng)力波在桿中傳播導(dǎo)致的末端峰值衰減和上升沿變慢進(jìn)行深入的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。

2)改進(jìn)壓桿和探頭的安裝技術(shù)和系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)。

References)

[1] 杜紅棉, 祖靜, 張志杰. 壓阻傳感器8530B閃光響應(yīng)規(guī)律研究[J]. 測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 25(1):78-81. DU Hong-mian, ZU Jing, ZHANG Zhi-jie. Research on photoflash response of piezoresistive transducers 8530B[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2011, 25(1):78-81.(in Chinese)

[2] 王禮力. 應(yīng)力波基礎(chǔ)[M]. 第2版.北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2005:29-35. WANG Li-li. Foundation of stress waves[M]. 2nd ed. Beijing: National Defense Industry Press, 2005:29-35.(in Chinese)

[3] Jones I R. Beryllium pressure bar having submicrosecond rise time[J].The Review of Scientific Instruments, 1966, 37(8):1059-1061.

[4] 范良藻, 李國(guó)彬, 李廣達(dá). 標(biāo)定激波管的激波前沿構(gòu)造和毫微秒傳感器[J].力學(xué)學(xué)報(bào), 1986, 18(6):558-560. FAN Liang-zao, LI Guo-bin, LI Guang-da. The structure of shock-wave front in calibration shock-tube and the pressure transducer with nano-second response[J]. Acta Mechanica Sinica, 1986, 18(6):558-560.(in Chinese)

[5] Dick R D, Williams J D, Wang X J. Measurement of pressure from explosives in a closed chamber and the free field, ARL-CR-309[R]. College Park, MD, US:University of Maryland, 1996:36-42.

[6] 張德志, 李焰, 鐘方平，等. 沖擊波壁面反射壓力的壓桿測(cè)試法[J].兵工學(xué)報(bào), 2007, 28(10):1256-1260. ZHANG De-zhi, LI Yan, ZHONG Fang-ping, et al. Pressure bar method to measure the reflected blast wave pressure in small scale distance[J]. Acta Armamentarii, 2007, 28(10): 1256-1260.(in Chinese)

[7] 宜晨虹,胡美娥, 于錦泉，等. 壓桿材料對(duì)反射超壓測(cè)量影響研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 54(5):487-490. YI Chen-hong, HU Mei-e, YU Jin-quan, et al. Research on effects of materials of pressure bar on measure of reflected pressure[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2014, 54(5):487-490.(in Chinese)

[8] Rigby S E, Tyas A, Clarke S D, et al. Observations from preliminary experiments on spatial and temporal pressure measurements from near-field free air explosions[J]. International Journal of Protective Structures, 2015, 6(2):175-190.

[9] 楊軍, 王克逸, 徐海斌，等. 光纖位移干涉儀的研制及其在Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].紅外與激光工程, 2013, 42(1):102-107. YANG Jun, WANG Ke-yi, XU Hai-bin, et al. Development of an optical-fiber displacement interferometer and its application in Hopkinson pressure bar experiment[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(1):102-107.(in Chinese)

[10] 黃正平，何遠(yuǎn)航. 爆炸測(cè)試技術(shù)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2005：147-150. HUANG Zheng-ping, HE Yuan-hang. Explosion measurement techniques[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2005:147-150. (in Chinese)

[11] Tyas A, Pope D J. Full correction of first-mode Pochammer-Chree dispersion effects in experimental pressure bar signals[J]. Measurement Science and Technology, 2005,16(3):642-652.

[12] Tyas A, Ozdemir Z. On backward dispersion correction of Hopkinson pressure bar signals[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 2013, 372:20130291-1-20130291-11.

[13] Wang L, Xu M, Zhu J, et al. A method of combined SHPB technique and BP neural network to study impact response of materials[J]. Strain, 2006, 42(3):149-158.

Measuring Technique of Reflected Blast Wave Pressure Based on Pressure Bar and Photonic Doppler Velocimeter

YANG Jun, LI Yan, ZHANG De-zhi, SHI Guo-kai, ZHANG Min, LIU Wen-xiang, WANG Zhao, XIONG Chen

(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, Shaanxi, China)

A pressure measuring system with combining pressure bar with photonic Doppler velocimeter (PDV) is developed for measuring the reflected blast wave pressure in strong electromagnetic interference environment. The axial velocity of PDV probe is eliminated by mounting it in a sliding structure. The velocity curve of bar’s rear surface has many peaks on it due to the multiple reflection of elastic wave in the bar. The velocity of elastic wave is obtained by fitting the takeoff points of the curve. The system response characteristics, effective measuring time and minimum measured pressure are analyzed. The system has been successfully used to measure the reflected blast wave pressure of spherical explosive. The results show that the response of the proposed system is lower than that of strain measuring system, and the minimum measured pressure of the proposed system is better than that of strain measuring system. The maximum pressure of explosion shock wave of spherical explosive is 463.5 MPa with rising edge of 5 μs. This research illustrates that the measuring technique based on pressure bar and PDV is feasible.

explosion mechanics; pressure bar; pressure sensor; photonic Doppler velocimeter; blast wave

2016-09-01

楊軍(1985—)，男，助理研究員。E-mail: yangjun@nint.ac.cn

O384

A

1000-1093(2017)07-1368-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.07.015