微噴射物質(zhì)作用下脈沖信號電探針的放電機(jī)理*

文雪峰，王 健，王曉燕，胡 楊，陳永濤

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999)

微噴射物質(zhì)作用下脈沖信號電探針的放電機(jī)理*

文雪峰，王 健，王曉燕，胡 楊，陳永濤

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999)

針對脈沖信號電探針在微噴射物質(zhì)作用下出現(xiàn)的“非正常”放電現(xiàn)象，提出了微噴射物質(zhì)K+Rx等效電路模型，用以解釋微噴射物質(zhì)導(dǎo)通電探針放電機(jī)理。開展爆轟實(shí)驗(yàn)，聯(lián)合X射線測試技術(shù)，確定了電探針放電區(qū)域處于微噴射區(qū)與微層裂區(qū)的過渡地帶，并發(fā)現(xiàn)電探針的3類“非正常”放電現(xiàn)象。建立電路仿真模型，將微噴射物質(zhì)等效成K+Rx電路，調(diào)節(jié)K+Rx等效電路模型參數(shù)，模擬電探針的3類“非正常”放電現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明，K+Rx等效電路模型很好地解釋了微噴射物質(zhì)作用下脈沖信號電探針的放電機(jī)理。

信息處理技術(shù)；微噴射；電探針；電路仿真；放電

基于強(qiáng)烈的武器物理和基礎(chǔ)科學(xué)研究需求，爆轟加載下金屬表面運(yùn)動速度和物質(zhì)疏密狀態(tài)成為研究熱點(diǎn)之一。電探針技術(shù)[1-2]是目前測試金屬樣品表面運(yùn)動速度、研究沖擊動力學(xué)特性及校驗(yàn)數(shù)值模擬程序的重要手段，相比其他測試技術(shù)，具有時間測試精度高、工程適用性好、適用于具有狹小空腔結(jié)構(gòu)的金屬樣品等優(yōu)點(diǎn)[3]。目前，常用的電探針測試技術(shù)從本質(zhì)上講是一種“行程開關(guān)”[1]，其放電波形為脈沖信號，為此本文中將其稱為脈沖信號電探針測試技術(shù)。

爆轟加載后，若金屬表面保持較平整且密實(shí)的狀態(tài)，則脈沖信號電探針放電波形將呈現(xiàn)出理想的單脈沖形狀；但是，在一定條件下某些金屬樣品表面會發(fā)生微噴射現(xiàn)象[4-5]，如圖1所示，若此時測量金屬樣品表面到達(dá)時間，則脈沖信號電探針會出現(xiàn)多種“非正常”放電現(xiàn)象，從而無法獲取準(zhǔn)確的時間信息。

電探針放電狀態(tài)與爆轟加載下金屬表面的物質(zhì)疏密狀態(tài)、空氣電離、電探針系統(tǒng)回路有關(guān)，掌握電探針的放電機(jī)理對于正確解讀電探針測試數(shù)據(jù)十分重要。唐敬友等[6]研究了沖擊波加熱的氦氣與氬氣對電探針導(dǎo)通的影響；胡楊等[7-8]探討了分布參數(shù)和絕緣性對電探針脈沖形成電路的影響；王翔等[9-10]對輕氣炮實(shí)驗(yàn)中電探針提前導(dǎo)通現(xiàn)象進(jìn)行了分析，認(rèn)為微噴射物質(zhì)接觸電探針壓力低于20 GPa將導(dǎo)致電探針出現(xiàn)弛豫現(xiàn)象。探索電探針對金屬表面微噴射物質(zhì)的響應(yīng)特性，不但有助于解決脈沖信號電探針測試技術(shù)受微噴射物質(zhì)干擾而出現(xiàn)的“非正常”放電問題，而且有助于研發(fā)更有效的微噴射物質(zhì)診斷技術(shù)，具有重要的科學(xué)與工程意義。然而，到目前為止相關(guān)的認(rèn)識還較欠缺，因此本文中將針對微噴射物質(zhì)作用下電探針的放電機(jī)理展開探討。

1 微噴射物質(zhì)作用下電探針響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計

爆轟加載實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。對Sn金屬樣品進(jìn)行爆轟加載實(shí)驗(yàn)，使其發(fā)生微噴射現(xiàn)象。Sn樣品的尺寸為?25 mm×4 mm，表面粗糙度為0.8 μm。高能炸藥型號為JOB-9003，尺寸為?25 mm×30 mm。采用脈沖信號電探針測試技術(shù)對金屬表面狀態(tài)進(jìn)行測試，觀察脈沖信號電探針系統(tǒng)的響應(yīng)特性。電探針與Sn金屬靶的距離D有4種，分別為25、30、35和40 mm，與Sn金屬靶中心軸線的距離r有3種，分別為4.0、7.5、11.0 mm，相同的D和r處布置2～4根電探針，具體的分布參數(shù)列于表1。聯(lián)合X射線照相技術(shù)，獲取金屬表面物質(zhì)分層圖像，確定電探針的放電區(qū)域。

表1 電探針信號起跳時間Table 1 Jump time of electric probe signal

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用X射線照相技術(shù)，獲得了Sn金屬樣品運(yùn)動后22.5 μs時的狀態(tài)，經(jīng)過密度反演計算，得到相對密度(相對Sn樣品主體密度)分布圖像，如圖3所示。表1列出了電探針出現(xiàn)放電現(xiàn)象的時刻，其中零時刻修正為金屬樣品運(yùn)動的起始時刻。D=40 mm處的6根電探針的放電時刻平均值為21.65 μs，電探針測得的物質(zhì)運(yùn)動速度約為1.86 km/s。將電探針測試時間與X射線照相時間相比較，得出電探針界面需向后移動1.86 km/s×(22.5-21.65)μs=1.58 mm。對比圖3可知，電探針開始放電的區(qū)域大概對應(yīng)圖中點(diǎn)線位置，即微噴射區(qū)向微層裂區(qū)過渡的區(qū)域。

相比于常規(guī)測試中電探針產(chǎn)生的正常脈沖信號(如圖4(a)所示)，在微噴射實(shí)驗(yàn)中，電探針放電波形發(fā)生畸變，出現(xiàn)3類“非正常”放電波形：(1) 多次放電，見圖4(b)；(2) 信號前沿階梯上升，見圖4(c)；(3) 信號下降沿再次起跳，見圖4(d)。

2 放電現(xiàn)象機(jī)理分析及電路仿真

2.1電探針測試技術(shù)原理

如圖5(a)所示，典型的電探針測試電路主要由4部分組成：電探針、長距離電纜、信號形成電路和信號記錄存儲示波器。忽略長距離電纜的寄生電感、電容和電阻，可對電探針測試電路進(jìn)行簡化，如圖5(b)所示。簡化電路的工作原理為：金屬樣品與電探針測試系統(tǒng)相連接，將電探針安裝至所需測點(diǎn)，不與金屬樣品接觸，電探針測試回路處于開路狀態(tài)，在此狀態(tài)下電源-E向電容C充電；金屬樣品在沖擊加載作用下開始運(yùn)動，直至撞擊電探針末端，電探針測試回路短路，電容C開始放電，電阻Rs兩端產(chǎn)生電壓脈沖信號，脈沖信號前沿的起跳時間即為被測金屬樣品表面到達(dá)電探針端部位置的時間。

2.2建立微噴射物質(zhì)K+Rx等效電路模型

爆轟加載下，若金屬樣品表面仍保持密實(shí)狀態(tài)，則金屬表面撞擊電探針過程就像理想的開關(guān)關(guān)斷一樣，電探針產(chǎn)生正常的脈沖信號；若金屬樣品表面出現(xiàn)微噴射現(xiàn)象，則噴射出的微小顆粒物質(zhì)將提前接觸電探針端部，使電探針測試回路導(dǎo)通，電探針提前放電，只是相較于金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面，該導(dǎo)通性能較差，并且微噴射物質(zhì)的狀態(tài)不同，電探針的導(dǎo)通狀態(tài)也不同。

基于以上分析，在本文中提出將微噴射物質(zhì)等效成一個開關(guān)K與一個可變電阻Rx串聯(lián)的機(jī)理模型(簡稱K+Rx等效電路模型)接入電探針回路中，如圖6所示。由圖4(b)顯示的信號多次起跳現(xiàn)象可知，微噴射物質(zhì)具有多次開關(guān)電探針的特性；而圖4(c)所示的電壓信號幅值階梯上升現(xiàn)象則反映出微噴射物質(zhì)導(dǎo)通電阻Rx具有由大逐漸變小的特點(diǎn)，當(dāng)金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面到達(dá)電探針末端時，Rx最小，電探針保持持續(xù)接通狀態(tài)。

2.3微噴射物質(zhì)作用下電探針放電現(xiàn)象仿真

在實(shí)際的電探針測試系統(tǒng)中，測試設(shè)備遠(yuǎn)離爆炸地點(diǎn)，電探針需要通過長距離電纜與信號形成電路連接，而長距離電纜具有較大的寄生參數(shù)，在電路仿真中不可忽略。本文中使用Matlab-Simulink建立電探針模型，如圖7所示；同時參照文獻(xiàn)[7]，建立長距離電纜模型，即圖7虛線框中的信號傳輸線路模型。電探針主電路參數(shù)為：蓄電電容初始電壓Uc=70 V，示波器端采樣電阻Rs=50 Ω，電探針端匹配電阻Rp=50 Ω，蓄電電容C=0.5 nF。信號傳輸線路的分布參數(shù)為：線路電阻RL=0.05 Ω，線路電容CL=0.16 nF，線路電感LL=1.6 μH。以下分析示波器端采樣電阻Rs兩端電壓Us的波形。

仿真1：正常放電，即電阻Rx取為零，開關(guān)K直接關(guān)斷。所得的脈沖信號電探針仿真波形如圖8(a)所示。可見，其與圖4(a)所示的實(shí)際波形相似。所表現(xiàn)出的金屬樣品前界面特征為：保持密實(shí)狀態(tài)，無明顯的微噴射現(xiàn)象。

仿真2：多次放電信號，即電阻Rx取為零，開關(guān)K進(jìn)行多次開關(guān)，最后保持關(guān)斷狀態(tài)。仿真結(jié)果(見圖8(b))顯示：出現(xiàn)多次脈沖波形，脈沖幅值逐漸下降，與圖4(b)所示的實(shí)際波形相似。所表現(xiàn)出的金屬樣品前界面特征為：出現(xiàn)微噴射現(xiàn)象，且微噴射物質(zhì)不連續(xù)。

仿真3：電阻Rx大階梯變化，即開關(guān)K保持接通，電阻Rx分3次由600 Ω等梯度減小至零。仿真結(jié)果(見圖8(c))顯示：脈沖信號電探針信號幅值階梯上升，與圖4(c)所示的實(shí)際波形相似。所表現(xiàn)出的金屬樣品前界面特征為：出現(xiàn)微噴射現(xiàn)象，微噴射物質(zhì)較為稀疏，密度呈現(xiàn)出階梯式增大現(xiàn)象。

仿真4：電阻Rx小階梯變化，即開關(guān)K保持接通，電阻Rx分3次由150 Ω等梯度減小至零。仿真結(jié)果(見圖8(d))顯示：脈沖信號電探針信號幅值逐漸下降，脈沖波形在下降沿出現(xiàn)起跳現(xiàn)象，與圖4(d)所示的實(shí)際波形相似。所表現(xiàn)出的金屬樣品前界面特征為：出現(xiàn)微噴射現(xiàn)象，微噴射物質(zhì)的密度相比圖4(c)較大，同樣呈現(xiàn)出密度階梯式增大現(xiàn)象。

綜合以上仿真結(jié)果可以得到以下結(jié)論：模擬再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中脈沖信號電探針信號出現(xiàn)的3類“非正常”放電現(xiàn)象，驗(yàn)證了采用K+Rx等效電路模型解釋微噴射物質(zhì)導(dǎo)通電探針放電機(jī)理的合理性。不同的微噴射物質(zhì)狀態(tài)導(dǎo)致電探針出現(xiàn)兩大類“非正常”放電情況：(1) 物質(zhì)的稀疏程度大，呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，該特征會引起電探針放電回路的多次開斷現(xiàn)象；(2) 物質(zhì)密度很小，在電探針回路中呈現(xiàn)出電阻較大的特性，該狀態(tài)會引起電探針放電波形出現(xiàn)階梯式跳變現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

針對脈沖信號電探針在微噴射物質(zhì)作用下出現(xiàn)的“非正常”放電現(xiàn)象，開展了實(shí)驗(yàn)與電路仿真研究，得到以下結(jié)論：

(1) 通過Sn金屬樣品微噴射實(shí)驗(yàn)，結(jié)合X射線照相技術(shù)，確定了電探針放電區(qū)域處于微噴射區(qū)向微層裂區(qū)過渡的區(qū)域，電探針的“非正常”放電是由微噴射物質(zhì)導(dǎo)致；

(2) 通過實(shí)驗(yàn)獲取了3類典型的電探針“非正常”放電現(xiàn)象，即多次放電、信號前沿階梯上升和信號下降沿再次起跳；

(3) 提出K+Rx等效電路模型描述微噴射物質(zhì)，解釋了微噴射物質(zhì)導(dǎo)通電探針放電的機(jī)理，通過電路仿真模擬出脈沖信號電探針的3類“非正常”放電現(xiàn)象，驗(yàn)證了K+Rx等效電路模型的合理性。

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Abstract: For the “abnormal discharge” phenomenon of the pulse signal electric probe due to the micro-jetting, we proposed a K+Rxequivalent circuit model of the micro-jetting and conducted the explosive loading experiments to explain the discharging mechanism of the electric probe conducted by the micro-jetting. According to the X-ray testing data, the discharging position of the electric probe obtained was in the transition zone from the micro-jetting to the micro-spall, and the abnormal discharge phenomena of the electric probe were classified into three types. Thus we proposed a circuit simulation model where the micro-jetting is equivalent to a K+Rxcircuit. By adjusting the parameters of the K+Rxequivalent circuit model, the three types of the “abnormal discharging” phenomena of the electric probe were simulated. The simulation results show that the K+Rxequivalent circuit model provides an excellent explanation for the discharging of the pulse signal electric probe conducted by the micro-jetting.

Keywords: information processing technology; micro-jetting; electric probe; circuit simulation; discharge

(責(zé)任編輯 王 影)

Dischargingmechanismofpulsesignalelectricprobeconductedbymicro-jetting

Wen Xuefeng, Wang Jian, Wang Xiaoyan, Hu Yang, Chen Yongtao

(InstituteofFluidPhysics,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

O384國標(biāo)學(xué)科代碼1303599

A

10.11883/1001-1455(2017)05-0887-06

2016-03-09；

2016-05-30

國家自然科學(xué)基金項目(11502253)；中國工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金項目(2015B0201002)

文雪峰(1988-)，男，碩士，助理研究員；

王 健，wj19660606@sina.cn。