测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器及装置，属于水下炸药冲击测量【技术领域】。本发明用于水下爆炸近场冲击波压力测量的锰铜压力传感器将敏感元件夹于两块覆铜薄板之间，增加了传感器整体结构强度，延长了传感器的工作寿命；本发明的用于水下爆炸近场冲击波压力测量的装置具备较强的抗干扰能力，能够抵抗炸药爆炸带点产物、水中残留电场、外界电磁场等对近场测量造成的干扰，为水下爆炸冲近场击波压力精确测量的实现提供了可能。
【专利说明】测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器及装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于水下炸药爆炸冲击测量【技术领域】，尤其涉及一种测量水下爆炸近场冲 击波压力的锰铜压力传感器及装置。
【背景技术】
[0002] 炸药水下爆炸近场产生的冲击波压力的变化是非常迅速的，且同时具有压力峰值 高、正压持续时间短、冲量较大等特点。同等质量的TNT水下爆炸与空气中爆炸相比，压力 峰值水下是空中的227. 15?247. 86倍，冲量是8. 48?11. 80倍。因此，水下爆炸近场冲击 波压力的测量相对困难，这主要是因为近场冲击波的压力峰值在几百MPa到几十GPa之间， 超出常用压电传感器的量程，而且爆炸产生的冲击波和爆炸产物在近场范围内还未完全分 离，会对测量造成一定的干扰。
[0003] 对于水下爆炸近场压力国内也开展过一些实验研究工作，其中池家春等 人（池家春，马冰.TNT/RDX (40/60)炸药球水中爆炸波研究[J].高压物理学报， 1999, 13(3) :199-204.)曾利用在高压范围内仍能有效工作的锰铜压阻压力计和PVDF压 电压力计两种测试系统进行了 TNT/RDX炸药球水中爆炸的探索性研究，得到了 I < R/ RtlS l〇(R为传感器距爆心距离，Rtl为炸药半径）范围内冲击波的峰值压力的衰减规律。而 赵继波、谭多望等人（赵继波，谭多望，张远平等.PVDF计在水中爆炸近场压力测试中的应 用[J].火炸药学报.2009, 32(3) : 1-4.)则主要使用了 PVDF计测量了 0. 7到3倍药包半 径内的水下爆炸近场压力，在冲击波峰值小于4GPa的范围内，得到了冲击波的压力衰减历 程。
[0004] 尽管PVDF传感器在水下爆炸冲击波压力测量中得到了很多的运用，但其仍然存 在对温度变化很敏感这一问题，特别在测量类似于水下爆炸近场冲击波压力时，冲击波对 介质压缩和炸药爆炸而产生的温升和PVDF材料本身的热释电性会给测量带来一定的误 差。此外，池家春等人使用的锰铜压力计采用的是低阻值敏感元件和高压脉冲恒流源供电， 通常只能用于IGPa以上压力的测量，不适用于数百MPa压力的测量。进一步的，一般的压 电传感器也不适用于水下爆炸近场冲击波压力的测量，对于常用的压电传感器，其最大量 程一般在一百MPa左右，如PCB 138A系列的传感器，其最高只能测量138MPa的压力。在 水下爆炸近场区域，冲击波压力和粒子速度较高，会造成传感器的破坏，使用PCB类的传感 器，成本很高。
[0005] 综上所述，水下爆炸近场冲击波压力及其测量存在以下要求：（1)近场冲击波的 峰值压力高、冲量大、传播速度快，导致其具有很强的破坏能力，故传感器必须具有一定的 结构强度；（2)炸药爆炸带点产物、水中残留电场、外界电磁场等都会对近场测量造成一定 的干扰，故传感器及其测量系统必须具备足够的抗干扰能力；（3)冲击波峰值高、变化快， 传感器的响应时间必须非常短；(4)在近场测量时，从炸药引爆到冲击波到达传感器，历时 很短，这就要求炸药的起爆电源能做到通电时间很短，且保证100%起爆。现有技术还未能 达到上述要求。
【发明内容】
[0006] 为解决上述问题，本发明提供一种测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感 器及装置，该锰铜压力传感器将敏感元件夹于两块覆铜薄板之间，增加了传感器整体结构 强度，延长了传感器的工作寿命；用于水下爆炸近场冲击波压力测量的装置具备较强的抗 干扰能力，能够抵抗炸药爆炸带点产物、水中残留电场、外界电磁场等对近场测量造成的干 扰，为水下爆炸近场冲击波压力精确测量的实现提供了可能。
[0007] 本发明提供一种测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器，其包括：由锰 铜合金丝制成的敏感元件（2)、两块覆铜薄板、测量线缆（8)和接地线缆（9);
[0008] 其中，每块覆铜薄板均由覆铜层（10)和聚四氟乙烯层（11)构成；敏感元件（2)夹 于两块覆铜薄板的聚四氟乙烯层（11)之间，每块覆铜薄板的覆铜层（10)覆于其聚四氟乙 烯层（11)外部，且两块覆铜薄板的聚四氟乙烯层（11)之间由透明环氧灌封胶（12)灌装使 得敏感元件（2)处于密封环境之中；
[0009] 其中，敏感元件（2)包括：敏感部分（5)、两根引线（4)和基底（3);敏感部分（5) 和两根引线（4)均固定于基底（3)上；每根引线（4) 一端连接敏感部分（5)，另一端设置敏 感元件信号输出焊点（6);两敏感元件信号输出焊点（6)分别连接测量线缆（9)的芯线和 皮线；
[0010] 令一块覆铜薄板为敏感元件（2)的底板（1)，另一块覆铜薄板为敏感元件（2)的盖 板（7);盖板（7)和底板（1)的铜外壳均与接地线缆（9)的芯线和皮线焊接。
[0011] 进一步的，敏感兀件⑵的总厚度为0? 04mm，宽9mm，长60mm，底板长80mm，宽 20mm,厚 0? 45mm,盖板长 52mm,宽 20mm,厚 0? 45mm。
[0012] 进一步的，敏感元件（2)的敏感部分（5)为螺旋体，直径5_，且敏感部分（5)的中 心距离两块覆铜薄板的外边界垂直距离为l〇mm。
[0013] 进一步的，两根引线（4)长47mm，宽2mm，两根引线之间的间距1mm。
[0014] 进一步的，敏感元件信号输出焊点（6)宽2mm，长2mm。
[0015] 进一步的，敏感元件信号输出焊点（6)与测量电缆（8)的接头处，以及盖板（7)和 底板（1)的铜外壳与接地线缆（9)的焊接处，均用铜箔包裹，形成法拉第笼。
[0016] 进一步的，敏感元件信号输出焊点（6)与测量电缆（8)的接头处，以及盖板（7)和 底板（1)的铜外壳与接地线缆（9)的焊接处，均用热熔胶密封。
[0017] 进一步的，基底（3)为绝缘材料构成。
[0018] 进一步的，敏感元件（2)为电阻值为50欧的锰铜合金丝。
[0019] 本发明还提供一种用于水下爆炸冲击波压力测量的装置，其包括：锰铜仪（13)、 示波器（14)、脉冲起爆器（15)和上述四个锰铜压力传感器；
[0020] 将四个锰铜压力传感器的测量线缆连接到锰铜仪（13)，锰铜仪（13)输出端接示 波器（14)，且锰铜仪（13)、示波器（14)的地线一起接地；脉冲起爆器（15)连接炸药； [0021] 其中，两个锰铜压力传感器在炸药周向位置对称放置，两个锰铜压力传感器在炸 药一端面一侧布置，四个锰铜压力传感器的厚度方向均正对炸药爆心；四个锰铜压力传感 器利用钢丝固定；
[0022] 利用脉冲起爆器（15)起爆炸药，四个锰铜压力传感器将水下爆炸冲击波压力作 用下电阻变化经电缆传输给锰铜仪（13)，经锰铜仪（13)调理放大后发送给示波器（14)，在 示波器（14)上获得冲击波的波形曲线，利用该波形曲线利用现有技术计算水下爆炸冲击 波压力。
[0023] 有益效果：
[0024] 1.本发明的锰铜压力传感器将敏感元件夹于两块覆铜薄板之间，传感器整体结构 呈现薄片状，增加了传感器整体结构强度，延长了传感器的工作寿命。
[0025] 2.本发明的锰铜压力传感器将两块覆铜薄板表面的铜箔与线缆接头处缠绕的铜 箔相连接，形成了一个法拉第笼，且采用独立的屏蔽接地线路，减少了爆轰带电产物、外界 电磁信号、水中电场等因素对测量的干扰，有效的提高了测量系统的信噪比。
[0026] 3.本发明的测量水下爆炸近场冲击波压力的装置在测量时将锰铜压力传感器的 厚度方向指向炸药爆心，这就使冲击波在传感器的内部传播距离非常短，传感器的内部应 力能够很快的达到平衡，缩短传感器的响应时间，从而提高了传感器的测量精度。
[0027] 4.本发明的测量水下爆炸近场冲击波压力的装置在测量时，炸药起爆后裸露的雷 管接头会在水中形成一个电场，故该装置的电源采用脉冲起爆器，其电压脉冲时间可调，在 实际测量中脉冲时间调至小于雷管发火时间，确保了冲击波信号的测量不会受到残余电场 的干扰。
[0028] 5.本发明的锰铜压力传感器将接地线缆与测量线缆分开，确保因外壳漏电等问题 导入到地线的电荷不会影响到内部测量系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器去掉盖板后的 结构示意图；
[0030] 图2为本发明的测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器的主视图；
[0031] 图3为本发明的测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器的A-A剖面示意 图；
[0032] 图4为本发明的测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器的立体图；
[0033] 图5为本发明的测量水下爆炸近场冲击波压力的方法的布置图。
[0034] 附图标记为：
[0035] 1-覆铜薄板（底板），2-敏感元件，3-敏感元件基底，4-敏感元件引线，5-敏感元 件敏感部分，6-敏感元件信号输出焊点，7-覆铜薄板（盖板），8-测量线缆，9-接地线缆， 10-覆铜层，11-聚四氟乙烯层，12-透明环氧树脂粘接层，13-锰铜仪，14-示波器，15-脉冲 起爆器。
【具体实施方式】
[0036] 本发明的测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器的敏感元件是电阻值 为50Q的锰铜合金丝。研究表明，尽管锰铜合金的压阻系数不高，但由于其电阻温度系 数小，优于PVDF材料，同时也具有响应快、线性较好的特点，非常适合于制作超高压力传感 器。
[0037] 如图1至图4所示，本发明主要由2块覆铜聚四氟乙烯薄板和一个锰铜敏感元件 构成。敏感元件（2)被夹于薄板（1)和（7)之间，他们之间由透明环氧灌封胶连接密封 (12)，效果较佳的采用型号为HT 6308的透明环氧灌封胶连接密封。
[0038] 敏感元件的尺寸为：总厚度为0? 04mm，宽9mm，长60mm，敏感元件螺旋状敏感部分 (5)直径5mm，两根引线⑷长47mm，宽2mm，间距1mm，焊点（6)宽2mm，长2mm，敏感元件基 底（3)为绝缘材料构成，敏感元件整体密封绝缘封装。
[0039] 覆铜聚四氟乙烯薄板分为两种尺寸，薄板（1)长80mm，宽20mm，厚0? 45mm，薄板 (7)长52mm,宽20mm,厚0.45mm,两薄板均由覆铜层（10)和聚四氟乙烯层（11)构成。
[0040] 由于近场测量时，冲击波的破坏力太强，为了增加传感器的整体结构强度，以延长 传感器的有效工作时间，将锰铜敏感元件夹于两块聚四氟乙烯薄板之间，起到绝缘和加固 的作用。同时，由于近场的爆炸产物运动速度快，且与冲击波未完全分离，会对测量造成一 定的干扰，因此，做一些提高传感器抗干扰能力的附加处理，例如将薄板外表面覆铜、将焊 点用铜箔包裹、整个传感器外壳接地等。
[0041] 传感器在相关焊点接好电缆后，用热熔胶密封防水，同时，在接头处缠绕铜箔，铜 箔与传感器的铜质外壳连接为一体，同时接地。
[0042] 本发明还提供一种测量水下爆炸近场冲击波压力的装置，其包括：锰铜仪（13)、 示波器（14)、脉冲起爆器（15)和四个锰铜压力传感器；
[0043] 将四个锰铜压力传感器的测量线缆连接到锰铜仪（13)，锰铜仪（13)输出端接示 波器（14)，且锰铜仪（13)、示波器（14)的地线一起接地；脉冲起爆器（15)连接炸药；
[0044] 其中，两个锰铜压力传感器在炸药周向位置对称放置，两个锰铜压力传感器在炸 药轴向一个端面一侧布置，四个锰铜压力传感器的厚度方向均正对炸药爆心；四个锰铜压 力传感器利用钢丝固定；
[0045] 利用脉冲起爆器（15)起爆炸药，四个锰铜压力传感器将水下爆炸冲击波压力作 用下电阻变化经电缆传输给锰铜仪（13)，经锰铜仪（13)调理放大后发送给示波器（14)，在 示波器（14)上获得冲击波的波形曲线，利用该波形曲线利用现有技术计算水下爆炸冲击 波压力。
[0046] 测量时，传感器在炸药四周呈对称分布，分别位于柱状装药的轴向和周向，传感器 的厚度方向正对炸药爆心，其位置由细钢丝固定，具体分布如图5所示。炸药由脉冲恒流源 引爆，脉冲时间可调；传感器敏感元件两焊点分别连接测量线缆（8)的芯线和皮线，传感器 的铜外壳连接接地线（9)，与锰铜仪（13)、示波器（14)的地线一起接地；传感器的测量线 缆连接到锰铜仪（13)，锰铜仪（13)起到建立电桥电路、测量信号、放大信号、输出信号的作 用，后锰铜仪（13)输出端接示波器（14)。
[0047] 雷管起爆后，如果起爆器还有电压输出，起爆线相当于两根电极，在水中形成电磁 场，在测量电路中形成干扰信号。为了减小起爆器对测量的干扰，须设计一种起爆电压输出 时间可控的起爆器，起爆器输出电压时间小于雷管发火时间，这样在雷管起爆炸药时起爆 线中没有电压输出，就不会在测量电路中形成干扰。本发明中使用脉冲起爆器（15)。
[0048] 在图2中，传感器层次分为：盖板-锰铜敏感元件-底板，敏感元件的敏感部分中 心距离薄板边界的垂直距离为l〇mm，如图1。传感器的装配过程中，HT6308透明环氧树脂 事先调制完成，于两块覆铜薄板的接触面和敏感元件上均匀涂抹，传感器装配完成后置于 千斤顶中压紧，等待环氧树脂的凝固，一般耗时24小时。
[0049] 待环氧树脂凝固后，将传感器取出，去除多余的环氧树脂。然后，将信号线缆的芯 线与皮线分别与两个焊点焊接，将接地线与传感器外壳焊接。后用热熔胶将接头密封，起到 防水和固定线缆的作用。待热熔胶冷却后，利用铜箔将所有的接头包裹起来，起到屏蔽外界 电磁干扰的作用。
[0050] 测量过程中，传感器厚度方向指向炸药爆心，减少变形对测量信号产生的影响，同 时减少了传感器的响应时间。炸药由脉冲恒流源引爆，脉冲时间设为50us。传感器的测量 线缆连接到锰铜应力仪，与仪器内部电路组成惠斯通电桥，利用高灵敏度多圈电位器调节， 使初始输出信号趋于零。然后，初始输出信号经过放大电路进行增益，将信号输出到示波 器，这样，得到经过放大后的输出信号。
[0051] 实验中，TNT药量为50g，传感器距离炸药表面约90mm，冲击波从炸药表面传播到 传感器测点大约需40us左右。同时测得，从雷管通电到测得信号，历时500-1000US不等， 该时间受雷管和炸药的影响较大，意味着，起爆电源的脉冲时间不得高于500us，或更低。同 时，在实验中，确实观测到水中电场对测量存在很大的干扰，说明利用脉冲恒流源进行性起 爆是必须的。
[0052] 实验完成后，通过读取示波器上的波形曲线，得到输出信号的幅值A V (t)，通过计 算，得到敏感元件电阻的相对变化量ARo/Ro,再通过传感器的灵敏度系数计算得到测得的 压力值P。根据锰铜仪的工作原理，得到压力作用下敏感元件电阻相对变化量ARc/Ro的计 算公式如下：
【权利要求】
1. 一种测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器，其特征在于，包括：由锰铜 合金丝制成的敏感元件（2)、两块覆铜薄板、测量线缆（8)和接地线缆（9); 其中，每块覆铜薄板均由覆铜层（10)和聚四氟乙烯层（11)构成；敏感元件（2)夹于两 块覆铜薄板的聚四氟乙烯层（11)之间，每块覆铜薄板的覆铜层（10)覆于其聚四氟乙烯层 (11)外部，且两块覆铜薄板的聚四氟乙烯层（11)之间由透明环氧灌封胶（12)灌装使得敏 感元件（2)处于密封环境之中； 其中，敏感元件（2)包括：敏感部分（5)、两根引线（4)和基底（3);敏感部分（5)和两 根引线（4)均固定于基底（3)上；每根引线（4) 一端连接敏感部分（5)，另一端设置敏感元 件信号输出焊点（6);两敏感元件信号输出焊点（6)分别连接测量线缆（9)的芯线和皮线； 令一块覆铜薄板为敏感元件（2)的底板（1)，另一块覆铜薄板为敏感元件（2)的盖板 (7);盖板（7)和底板（1)的铜外壳均与接地线缆（9)的芯线和皮线焊接。
2. 如权利要求1所述的测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器，其特征在 于， 敏感兀件⑵的总厚度为〇? 〇4mm，宽9mm，长60mm，底板长80mm，宽20mm，厚0? 45mm，盖 板长52謹，宽2Ctam，厚0? 45mm 〇
3. 如权利要求2所述的测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器，其特征在 于， 敏感元件（2)的敏感部分（5)为螺旋体，直径5mm，且敏感部分（5)的中心距离两块覆 铜薄板的外边界垂直距离为l〇mm。
4. 如权利要求2所述的测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器，其特征在 于， 两根引线⑷长47mm，宽2mm，两根引线之间的间距1mm。
5. 如权利要求2所述的测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器，其特征在 于， 敏感元件信号输出焊点（6)宽2mm，长2mm。
6. 如权利要求1所述的测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器，其特征在 于， 敏感元件信号输出焊点（6)与测量电缆（8)的接头处，以及盖板（7)和底板（1)的铜 外壳与接地线缆（9)的焊接处，均用铜箔包裹，形成法拉第笼。
7. 如权利要求1所述的测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器，其特征在 于， 敏感元件信号输出焊点（6)与测量电缆（8)的接头处，以及盖板（7)和底板（1)的铜 外壳与接地线缆（9)的焊接处，均用热熔胶密封。
8. 如权利要求1所述的测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器，其特征在 于，基底（3)为绝缘材料构成。
9. 如权利要求1所述的测量水下爆炸近场冲击波压力的锰铜压力传感器，其特征在 于，敏感元件（2)为电阻值为50欧的锰铜合金丝。
10. -种测量水下爆炸近场冲击波压力的装置，其特征在于，包括：锰铜仪（13)、示波 器（14)、脉冲起爆器（15)和四个如权利要求1至9所述的锰铜压力传感器； 将四个锰铜压力传感器的测量线缆连接到锰铜仪（13)，锰铜仪（13)输出端接示波器 (14)，且锰铜仪（13)、示波器（14)的地线一起接地；脉冲起爆器（15)连接炸药； 其中，两个锰铜压力传感器在炸药周向位置对称放置，两个锰铜压力传感器在炸药的 一个端面一侧布置，四个锰铜压力传感器的厚度方向均正对炸药爆心；四个锰铜压力传感 器利用钢丝固定； 利用脉冲起爆器（15)起爆炸药，四个锰铜压力传感器将水下爆炸冲击波压力作用下 电阻变化经测量电缆发送给锰铜仪（13)，经锰铜仪（13)调理放大后发送给示波器（14)，在 示波器（14)上获得冲击波的波形曲线，利用该波形曲线利用现有技术计算水下爆炸冲击 波压力。
【文档编号】G01L5/00GK104406728SQ201410690335
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】龙仁荣, 胡宇, 张庆明, 金辉, 张姝红, 黄正平, 余月月, 陈利, 郭香华, 张晓伟, 王师, 姚硕 申请人:北京理工大学