[发明专利]一种基于PVDF的水下爆炸压力测量装置

说明书

本发明涉及工程爆破技术领域，且公开了一种基于PVDF的水下爆炸压力测量装置，包括：基板，数量为两个，前端开槽，后端开孔，以用于使用悬挂；PVDF传感器，位于两个基板之间，并进行防水设置；屏蔽线，与PVDF传感器的两端连接。本发明提出一种基于PVDF的水下爆炸压力测量装置，本发明其受冲击方向与基板平行，最大程度上保护了传感器在受冲击时的完整性，并且能够测量完整的冲击波下降沿，降低损坏的现象。

技术领域

本发明涉及工程爆破领域，尤其涉及一种基于PVDF的水下爆炸压力测量装置。

背景技术

目前，关于水下爆炸机理已经有了较为完善的理论和分析，但是对于水下爆炸近场范围内数据较少，测试近区压力时由于压力过大和爆生气体温度较高等因素导致传感器损坏，此类实验现阶段测试成本极高，因此，开发低成本、测试数据精准、使用方便的水下爆炸压力传感器对于此类实验尤为重要。

现阶段，大多数水下爆炸压力测量通常采用美国PCB公司生产的138A系列传感器，压电敏感元件电气石放置于充满硅油的PVC柔性软管中，使用时通常左端正对爆心或竖直放置，对于远场爆炸有着较好的压力时程曲线，但是由于其高昂的价格和较低的测压上限(不高于350MPa)，难以用于测量水下爆炸近区压力；使用时前端需采用该公司生产的恒流源，使用条件受限制较大。

部分人选用霍普金森杆原理测量水下爆炸压力，测压上限高并且测试结果精确，但是此种测量方式受限较大，通常只能用于实验室测量，实际使用中不具有实施条件。

PVDF薄膜能够测量冲击波压力，具有薄、柔性、高信噪比、输出信号稳定等特点，常用于材料界面、表面的冲击波测量，受限于本身强度，难以直接用于水下爆炸近场区压力测量。

通常PVDF作为传感器测量水下近场爆炸压力时，常用的方式仍然是以面外方向正对冲击波，但是此种方法需要较大的基板正对爆源，测量时对冲击波发展影响较大。有学者采用无基板方式进行测量，但是此种方式导致传感器极易损毁，通常只能测量冲击波下降沿的1/5时间长度。也有学者以其他薄膜传感器测量水下近场爆炸冲击波压力，如锰铜传感器，但均是采用正对冲击波方式进行测量，有较大局限性。

作为一种半晶体聚合物，PVDF薄膜具有晶体的所有物理性质，并满足所有控制方程。忽略水分的影响，其控制晶体电学和力学性质的一阶(线性)方程如下：

其中，各个符号所代表含义如下表所示：

测量爆炸冲击波压力时，由于热传导相比冲击波慢很多，因此并不考虑电场和温度变化对电荷输出影响，上式可以简化为：

[q]＝[d][σ]

其中1，2为面内方向，3为面外方向。

通常使用时，由于测量信号为电压，其压电信号转换关系如下：

实验中，K是传感器灵敏度系数，R是连接传感器的电阻，参考图3，A是传感器面积。

水作为流体，其压力没有明显的方向性，但金属结构和传感器的压电效应具有很强的方向性。当冲击波入射到金属板尖端时，在面外方向(z)产生较强的压缩信号，此时在冲击波传播方向(x)由于泊松效应会在x方向产生应变。由于金属中的波速远大于水中波速，因此这一信号将先于水中的压缩波在金属板中传播，而此应变会导致传感器产生负信号，此信号产生机理与应变片测量原理相同。然而此信号峰值远小于研究关注的水下压力信号，且其作用时间也与水下压力信号存在一定区别，因此可以忽略泊松效应引起的稀疏波信号对测试结果的影响。当水中冲击波掠射经过金属结构时，其压力传递到金属结构的z方向。此时金属中z方向的压力与水中的压力达到一致，并随水中的压力变化而变化。