第十二讲瞬态参量测量121

1、瞬态参量测量一 时间和速度测量 各种弹丸和飞片的飞行速度，不同介质的冲击波（激波）速度、粒子速度或自由表面运动速度，炸药的爆轰和燃烧速度，物体的位移速度，固体裂纹的传播速度，以及金属射流的侵彻速度等电探针法和光探针法。电探针法是一种成熟而实用的方法，电探针的构造多种多样，其响应时间都在纳秒量级。采集装置多用电子计数式测时仪，时间分辨率可达十纳秒。光探针法是用高速摄影机拍摄物体的表面运动或激波到达时产生的光强变化，有闪光隙法、平面镜反射法、倾斜镜反射法、刀刃反射法和光学杠杆反射法等。这些光学方法多是通过对底片的分析获得数据的，时间分辨率通常受高速摄影机的限制。1 除上述电探针法和光探针法外，还有

2、变电阻法、电容法、电磁法、变磁阻法、光栅法和光导纤维法等多种测速方法。这些方法和所获得的输出信号是连续变化的模拟信号，因而可测出连续的速度变化过程。此外，还有X射线阴影照相法，可拍摄物体内部的变化过程，例如金属中射流的侵彻过程等。2压力和应力测量 包括不同承载物上的压力历程，流体中的激波，固体中的应力波以及炸药中的爆轰波。 采用各种压力传感器作为检测元件。 以应变片受载后电阻值发生变化为原理的应变式压力传感器虽频响较低（约在40千赫以下），但性能稳定可靠。以压电电荷效应为原理的晶体压力传感器频响可达数百千赫以上，量程也可达100兆帕以上，但使用不太方便。短路电流法晶体应力计的反应快，可用来检测

3、材料中变化时间为纳秒量级的应力波。3 以压阻效应为原理的硅半导体压力传感器，体积小，频响可高达1兆赫以上，近年来发展很快。薄片状的锰铜压阻传感器和碳膜压阻传感器响应非常快，前者可用于对30吉帕以下应力的检测。此外用纹影照相法、全息干涉法和动态光弹性法拍摄透明流体中的激波和固体中的应力波可获得波的图象。4变形和应变测量 多数采用电阻应变片为敏感元件，可得的最大应变值约在百分之一以内。但是检测快速瞬变现象，对所用的应变片及其测试线路的频响要求高，一般的动态电阻应变仪有时不能满足，必须采用超动态电阻应变测量系统，后者的频响可达1兆赫。由于贴片技术的限制，动态应变测量的精度很难高于5%。动态光弹性法、

4、云纹法、散斑干涉法和全息干涉法都可以记录应变或变形场的变化。5 温度测量 主要是测量在冲击载荷作用下的物体表面或内部温度。在冲击载荷的作用下，物体温度可达数百或上千摄氏度，温度上升时间可小于1微秒。温度测量大多采用快速响应的温差电偶作检测元件，也有用光学方法测量表面温度的。由于在测点上同时还会产生很大的高应变率的应变和压力梯度，会影响传感器，产生虚假信号，并与温度信号混在一起，必须用实验或分析的方法排除这些影响。6 测试技术 电测系统的原理如图所示。数字记忆示波器和波形存贮器是采集快速单次现象的通用仪器。它可以把单次现象的模拟信号数字化后存储在大容量的半导体存贮器里,既可以输出数字信号,也可以

5、输出模拟信号。通过接口与计算机联接直接进行数据处理，就组成了完整的数据采集和处理系统。由于电子技术的飞速发展，其性能不断被刷新。采样速率目前可达102皮秒/字量级（PS/w). 过去使用的记忆示波器把单次波形冻结在荧光屏上，再用照相的方法拍摄，然后进行分析。测量精度低，使用不方便，已经被淘汰。传感器变换电路记录单元处理单元被测信号7 在光测技术中，除了前面提到的一些方法外，由于应用了激光，出现了许多新的测试方法。如测量物体运动速度的遮断法、反射法和干涉法等。其中干涉法类型很多，有迈克耳逊法、延迟臂法、微分法和法布里-珀罗法等。利用激光为光源的纹影法、散斑干涉法和全息干涉法，用于测量固体的应力、

6、应变场和流体的流场。在光测时，记录快速过程的设备主要是快速光电器件和高速摄影机。 8固体激波测量方法 当一平面纵激波在固体中传播时，根据跨过波阵面的质量、动量和能量守恒条件，在相对于激波前方材料为静止的空间坐标系中，可得到联系初态和终态五个参数（密度、质点速度u、正应力、比内能e和激波相对前方介质的空间波速D）的三个方程，即激波的基本方程。如果给定材料的状态方程已知，那么只要由实验方法测定五个参数中的任意一个，其余四个即可确定。如果状态方程未知，则需要测定两个。通过对自由表面的观察，进行自由表面速度ufs和激波速度测量的方法称为自由表面测量；直接观察激波本身的（一般是测压力和密度）称直接测量。

7、9自由表面测量 根据冲击波理论，当激波通过试件到达自由表面时发生反射。图12.1是用压力速度平面表示这种关系。OA是材料的雨贡尼奥曲线，AB是等熵的卸载路径。B的速度就是ufs。因此，如果材料的雨贡尼奥曲线和卸载的等熵P-u曲线已知， 那么，只要测出ufs和激波速度D，就可求出波后质点速度u1等参量。如果激波不太强，熵增很小，再对试件材料作流体模型的假设，那么ufs=2u1，测出ufs可以立即得到u1。 P O BA u 图12.110自由表面速度测量光测法 1闪光隙法 利用一些物质，如氩气、硝酸钡粉末等受强烈压缩会发出闪光的现象，在试件中设置闪光隙，用高速扫描摄影记录下闪光的时间差，从而测量

8、激波速度和自由表面速度。图12.2 的（a）图是间断记录的装置和扫描图象； （b）图是连续记录的装置和扫描图象； （c）图是同时测量激波速度和自由表面速度的装置。是如何测量的？扫描图象是怎样的？11（a）图是间断记录的装置和扫描图象； （b）图是连续记录的装置和扫描图象； （c）图是同时测量激波速度和自由表面速度的装置。是如何测量的？扫描图象是怎样的？122 斜镜法 当激波在一些自由表面反射时，其反射光的性能会发生变化，这一现象可利用来进行自由表面速度的测量。装置和扫描图象见图 。三面镜子用强光照明。当激波到达驱动板的自由表面时（t0)，与驱动板接触的两面镜子反射光强突然发生变化。激波穿过试件

9、后(t1),试件自由表面开始运动撞击斜镜，使斜镜的反射光强发生变化，扫描相机记录下撞击点的轨迹，由此可测得撞击点的速度 。 13其中 是斜镜与试件自由表面夹角。撞击会引起激波在斜镜中传播，也会引起反射光强的变化，因此 必须大于镜内的冲击波速度。狭缝应是什么方向？ua、ufs与扫描图象曲线的斜率的关系如何？143 光杠杆法 将被观察的自由表面磨成镜面，点光源N在距离磨光自由表面d处，冲击波与自由表面成角入射。波阵面与自由表面交点A以速度 沿自由表面运动,设激波速度为 D,则 可看成是自由表面位移波的速度。153 光杠杆法 当冲击波到达图示位置时，原始平面被分割为未扰动的和受冲击扰动的两个平面。点

10、光源在两个平面后都要成虚象。设两个象之间的距离为b， 为自由表面转过的角度， 则近似有： 由于 ufs= ua Sin所以，当 角度不太时， 因此只要测出d、b、 ua ，即可求出ufs 、再测出，可求出D。关键是b和ua16 实际应用一组点栅光源，用狭缝高速摄影机拍摄点栅光源的扫描象，见图。一张这样的扫描照片可以提供相当多的信息。 点光源的象自下而上先后发生阶跃。b*是b的象，阶跃点连线是表面位移波的迹线的象，其斜率是 （ua的像）。d和都可以预先测量。因此， 、D 可以测量。ytua*图12.5 xb*激波174 激光干涉法测量自由表面速度 1)多普勒效应 一束光射到以速度v相对于光源运动

11、的物体上，物体接受的光波频率发生了变化： 其中C为光速该频率的光被物体反射回来，由于物体运动，接受器接受到的频率为： 频移 这就是多普勒效应，是波动常见的现象。因为光速太高，物体运动速度与其相比微不足道而不易观察到。18迈克尔逊干涉仪与双光束干涉测速系统 利用干涉测长的原理来测速，当应力波到达样品的自由表面时，镜面运动，信号光束有了多普勒频移，频移很小，信号光束与参考光束产生差频信号，光电倍增管只对差频响应，输出信号的频率即为差频 是激光波长 19f ,v 都是时间的函数，写成 (12.6)可求出自由表面位移 : (12.7) 为0t 时间内的条纹数，从条纹数可以直接求出自由表面的位移，因此也

12、叫位移干涉仪。它的测量精度高，但测量上限很低。20法布里珀罗干涉仪及多光束干涉系统 F-P干涉仪是多光束等倾干涉，较高级次的干涉环在较低级次的环的内侧，愈向边缘干涉级次愈低。在形成干涉环的地方，光程差为： m为整数 由于 是频率用含多普勒频移的光束射入F-P干涉仪则有：代入上式得： 即： 所以， 当激光器、干涉仪选定后，波长等都已知，只要测得干涉条纹级次的变化(dm)即可得到物体速度v。21c d= d/= 2v/c(因为 C）用 代替d22变相管记录光点移动轨迹，从中可计算出dm，这种装置避免了光电管频响低的缺点。测速没有限制，一般用测1公里5公里/秒。测量精度2%。国内研制的多光束干涉测速

13、系统2324多光束干涉测速仪图像如图,里面的级数高,外面的级数低, 干涉级次增加时,条纹从中心向外涌现.由于柱面镜将干涉条纹压缩成点, 靶面运动时光点向外运动形成扫描图像.25电测法 斜电阻法 与光测法的斜镜法相对应。在两个螺丝钉之间张一根细电阻丝（或箔带），电阻丝与自由表面夹角为 ，当导电的自由表面运动撞击电阻丝，电阻丝从上到下逐渐被短路。设未被短路的长度为 l（t）,电阻丝的电阻率为 ，截面积为A0 将长度的变化变为电阻的变化可得：26 式中 、A0、 皆为常数，只要测出动态参数R（t）就可求出ufs。 为确保在测试过程中电阻丝和自由表面不受闭合速度以外的其它扰动，闭合角必须足够小，保证自

14、由表面和丝的接触速度比沿丝运动的冲击波速度快。自由表面和电阻丝的接触电阻要小，常用铂钨合金或镍铬丝作电阻元件。27电探头技术 基本原理是利用电极（触针）作为电接触点，激波或机械作用使多对电极先后接通（或断开），给出有时序的脉冲信号，被记录器记录。可用来测量炸药的爆轰波速度、固体中激波速度、自由表面速度、飞片速度或抛掷体速度等。时间分辨率达到10-9秒。 电探极的种类很多，从形状上分为电探针、丝式电探极、箔式电探极。电探针又分为四类：光杆探针、盖帽探针、同轴探针和组合探针。试件探极脉冲形成网络传输线时间间隔测定器图 电探极方法原理图28电容法 如果被测试件的自由表面是导电平面，可使自由表面与另一

15、块金属板组合一个平行板电容器。自由表面的运动将引起电容值的变化。测量出电容的变化可以换算成自由表面的速度。29直接测量 自由表面测量，不是直接观察冲击波本身，比如要求质点速度，就必须已知质点速度和自由表面速度之间的关系，如果此关系是未确定的，那就要求直接测量试件中冲击波的性质，这就是直接测量。直接测量一般是测压力和密度。1.压电法 广义的压电法包括两类：一类是指压电晶体传感器测压；另一类是指非压电晶体的“冲击极化” 传感器测压。无论绝缘体或半导体，只要有在外界压力的作用下，能在两个平行的端面电极上产生唯一确定的电压或电流效应，就都可利用来实现压力的测量。 30压电晶体法石英晶体传感器使用示意图

16、如图 12.9 ，必须正向设置（能使应力波从负极向正极传播）。当冲击波传进石英晶体时，由压电效应产生的电流流过负载电阻R，UR被示波器记录下来，就可计算晶体界面上的压力时间曲线。对于冲击型传感器冲击波波阵面进入晶体后，将石英晶体分成两部分。前部是未扰动区，后部是极化区。在极化区因为压力的作用，产生了极化电荷。设极化强度（电荷密度）为D，则体元dx的电矩为Ddx,Ddx的积分等于总电量Q；A是晶体有效面积，L是晶体厚度。31电路电流为； 设极化强度正比于应力,并且晶体中传播的是弹性波，即： k是压电系数，c为应力波速度。 于是 32在冲击波到达石英晶体外表面之前 即 当冲击波到达外表面以后，I与

17、 不成正比，所以传感器只有工作在0 L/C 这个时间区域内。平衡式的无此限制。 思考： 石英晶体的应力波速度为5.72km/s,因此 6mm厚的冲击型传感器，记录时间为大约多少？。3334 的关系只在有限应力范围内成立，一般石英晶体用于25千巴以下。应力高，精确度下降，更高应力下，晶体发生剪切破坏，虽对压力仍有响应，但性能不稳定。压电晶体所记录的应力历史只是界面上的应力历史，因此必须考虑阻抗匹配，来推算不加晶体时试件中应有的应力历史。铝或硷金属卤化物的冲击阻抗与石英相近，修正量很小。35 压电薄膜（PVDF)80年代中期开始应用的新型压电传感器，性能好价格昂贵。压电传感器的应用有很多种：测量碰

18、撞应力波通过靶板后的应力。装在碰撞面的对面。传感器作为抛体头，所测应力即为靶试样中的应力。作为被碰撞靶，研究晶体压电响应特性。连续加载或卸载中的反射板。综合应用。 实际应用时应根据试件的大小、加载方式选用合适的类型和安装方式。36冲击极化法许多电介质具有“冲击极化”效应，就是当冲击波从 电介质的一个界面向另一个界面传播时，在电介质的两个界面上形成电荷。一种有机材料的极化电流与应力的关系见图12.10。0为阈值压力，一般在几kbar几十kbar。有冲击极化效应的材料很多，性能有很大不同，有不少材料可以制成传感器，总的共性为： 测量范围几千kbar几百kbar。 较高的时间分辨率。 使用之前必须进行标定（飞片 碰撞实验）。 I图12.1037锰铜压阻法 锰铜有压阻效应，被广泛应用于测量压力。 锰铜的特点是电阻率高，很短的锰铜丝或很薄的箔，就有足够的电阻，这样应力波在其中反射多次从而平均化所需的时间很短，因此时间分辨率很高。如果试件是绝缘体，只要把锰铜丝夹在试件中就可测得压力时间曲线；如果试件是导体，就必须用环氢树脂、云母、有机玻璃等材料，同试件隔离。如果所用材料波阻抗与试件相同，测试的压力就是试件的压力；如果波阻抗不同，往往是金属试件的波阻抗高，绝缘材料的低，如图所示。38OA、OB分别是压力计和试件在压力速度平面上的Hugoniot曲线。试件中激波的压力从