两种组合电探针在爆轰实验中的应用

金山，汤铁钢，陈永涛，李庆忠，王健

(中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳621900)

0 引言

利用电探针测量爆轰阵面、冲击波阵面或运动物体表面到达预定位置的时间，是爆轰实验中常用测试手段之一［1］。1945年，Roberts 和Nedzed 即利用电探针测量了钢中的冲击波速度和自由表面速度。1955年Minshall 利用光杆探针测量了钢中弹性波和塑性波的波速。1965年Richard 等研究了盖帽式电探针，弥补了光杆探针不能测量非导体材料冲击波速度的缺点。随着电探针测试技术的发展，探针的种类、应用范围、测试精度及效率也进一步提高，如时间分辨率为亚纳秒级的同轴探针技术［2］、可在一发实验中得到更多实验数据的高密集度小型组合探针技术［3］等。

本研究同时采用纵向多台阶组合探针和横向多层次组合探针测试平面爆轰波驱动的金属飞片到达某点的时刻，同时利用双灵敏度VISAR 取得飞片的实时自由面速度及位移历史，对比不同组合电探针的测试结果，同时与VISAR 测试数据进行对比，探索研究不同组合电探针在爆轰实验中的应用。

1 平面爆轰波驱动金属飞片实验

1.1 电探针简介

爆轰实验中常用电探针有光杆探针、同轴探针、盖帽探针、弹簧探针等［4］。当爆轰波、冲击波和飞片等到达或接近电探针敏感部分所在剖面时，电探针开关状态突变，并输出信号，测试系统主要包括电探针、脉冲形成网络、信号传输与记录、数据处理等。图1为电探针测试系统中常用的脉冲形成网络等效电路示意图。

图1 脉冲形成网络等效电路示意图Fig.1 RLC circuit diagram

图2为电探针得到的典型开关信号。

图2 电探针典型信号图像Fig.2 Representative signal image

单个探针只能测得目标到达某一点的时刻，为了在一次实验中取得更多的信息，可用组合探针进行测试。常用探针组合方法有纵向多台阶组合探针和横向多层次组合探针。纵向组合探针即在一个点布置多根探针，同时测量一个点多个层面的数据;横向组合探针是在多个点布置探针，每个点只布置一根探针，探针可以布置在同一层面或多个层面，同时测量多个点的数据。

1.2 实验装置

实验装置如图3所示。利用炸药透镜产生平面爆轰波驱动金属飞片，利用两种组合探针记录飞片到达某个剖面的时刻，利用双灵敏度VISAR 记录飞片自由面速度。双灵敏度VISAR 的条纹常数分别选取350 m/(s·Fr)、450 m/(s·Fr).

图3 实验装置示意图Fig.3 Sketch of experiment setup

1.3 探针布局

组合电探针布局如图4所示。横向组合探针共3 组，每组2 个，3 组探针分别距离飞片表面5 mm、10 mm、15 mm.纵向组合探针共3 个台阶，距离飞片表面分别为10 mm、15 mm、20 mm.

图4 组合探针布局示意图Fig.4 Combination probe array

2 实验结果分析

2.1 不同组合的电探针测试结果对比

在距炸药透镜中心100 mm 的圆周上选取两个对称测点进行测试，以减少炸药透镜本身波形差的影响，每个测点均布有两种不同组合的电探针。表1即为电探针测得的飞片到达某一剖面时刻，其中s为飞片到某一剖面的距离，t1、t2分别为每对横向组合探针测得的飞片到达时间，tv为纵向组合探针测得的飞片到达时间。

表1 组合探针测试结果Tab.1 Experiment results measured by combination probe

从表1中可以看出，每个测点的t1和t2在同一剖面的差值为0.01～0.02 μs，考虑到所用电探针导通时间为0.01～0.02 μs，可以认为同一剖面每组横向组合探针的测试结果一致。

两个测点的纵向组合探针第1 台阶，即距离飞层10 mm 处，与同侧点的横向组合探针的测试结果最大差值为0.02 μs，表明纵向组合探针的第1 台阶探针与横向组合探针测试结果一致;两个测点的纵向组合探针的第2 台阶探针，即距离飞层15 mm处，与同测点的横向组合探针的测试结果差值为0.14～0.18 μs，与第1 台阶探针相比，差异明显增大。

分析认为，造成这种结果的原因是探针对飞片运动的干扰。横向组合探针由于前后级横向距离大，前级对后级干扰小，而纵向组合探针前后级横向间距极小，前级对后级的干扰明显加大。

2.2 电探针与VISAR 测试结果对比

利用双灵敏度VISAR 测得的飞片自由面速度-时间曲线如图5所示。图中两条曲线分别为条纹常数选取350 m/(s·Fr)、450 m/(s·Fr)时的测试结果。

表2为两种组合电探针与VISAR 测得的飞片到达固定剖面的时刻，其中s 为飞片到固定剖面的距离，th1、th2分别为两个测点每组横向组合探针测得的到达时间均值，tv1、tv2分别为两个测点纵向组合探针测得的到达时间，t 为双灵敏度VISAR 测得的到达时间(两个条纹常数测试结果均值)。

考虑到测试电缆及测试光纤的传输时间差(约0.12 μs)，修正后的结果对比如图6所示。其中曲线为VISAR 测得的飞片自由面速度-时间曲线积分得到的位移-时间曲线，h1、h2分别为两个测点横向组合探针测试数据，v1、v2 分别为两个测点纵向组合探针测试数据。

图5 VISAR 测得的飞片自由面速度-时间曲线Fig.5 v-t curves measured by VISAR

表2 飞片到达固定点的时刻Tab.2 Time when the flyer arrived at some point

图6 组合探针与VISAR 测试结果Fig.6 Experiment results measured by combination probe and VISAR

经过修正后，测点1 的横向组合探针与VISAR在5 mm、10 mm、15 mm 处测试结果差值分别为0.21 μs、0.20 μs、0.22 μs，最大偏差为0.71%;纵向组合探针与VISAR 在10 mm、15 mm、20 mm 处测试结果差值分别为0.21 μs、0.07 μs、-0.05 μs，最大偏差为0.67%.

测点2 的横向组合探针与VISAR 在5 mm、10 mm、15 mm 处测试结果差值分别为0.29 μs、0.29 μs、0.30 μs，最大偏差为0.98%;纵向组合探针与VISAR 在10 mm、15 mm、20 mm 处测试结果差值分别为0.28 μs、0.12 μs、-0.01 μs，最大偏差为0.90%.

由于电探针与VISAR 两套测试系统之间存在系统误差，此处差值只能表明相对偏差，而非绝对偏差。

3 结论

根据实验结果对比，可以得到以下结论:

1)纵向组合探针的第1 台阶探针与横向组合探针的测试结果一致，第2 台阶探针与横向组合探针的测试结果存在偏差，随着纵向组合探针台阶的增加，与横向组合探针的偏差增大。造成这种结果的原因是探针对飞片运动的干扰。横向组合探针由于前后级横向距离大，前级对后级干扰小，而纵向组合探针前后级横向间距极小，前级对后级的干扰明显加大。

2)测点1 处横向组合探针及纵向组合探针与VISAR 的测试结果最大偏差分别为0.71%、0.67%;测点2 处横向组合探针及纵向组合探针与VISAR 的测试结果最大偏差分别为0.98%、0.90%.

总之，横向组合探针能够能更精确地测量单点的数据，但只能测得固定点的一个剖面的数据;纵向组合探针能够测量固定点多个剖面的数据，但后续台阶会受到前面台阶的影响，从而增大误差。横向组合探针可以和纵向组合探针一起，组成更复杂的多层次探针阵列，以获得多个面上不同点的数据。

References)

［1］ 黄正平.爆炸与冲击电测技术［M］.北京:国防工业出版社，2006:72 -73.HUANG Zheng-ping.Explosionand shock measuring technique［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2006:72 -73.(in Chinese)

［2］ 王建，文尚刚.以HMX 为基的两种压装高密度炸药的燃烧转爆轰实验研究［J］.高压物理学报，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，金孝刚，李大红，等.内聚爆轰加载下金属圆管的自由面速度测量初探［J］.兵工学报，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］ 孙承纬，卫玉章，周之奎.应用爆轰物理［M］.北京:国防工业出版社，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)