1、瞬態(tài)參量測量一 時間和速度測量 各種彈丸和飛片的飛行速度，不同介質(zhì)的沖擊波（激波）速度、粒子速度或自由表面運動速度，炸藥的爆轟和燃燒速度，物體的位移速度，固體裂紋的傳播速度，以及金屬射流的侵徹速度等電探針法和光探針法。電探針法是一種成熟而實用的方法，電探針的構(gòu)造多種多樣，其響應(yīng)時間都在納秒量級。采集裝置多用電子計數(shù)式測時儀，時間分辨率可達十納秒。光探針法是用高速攝影機拍攝物體的表面運動或激波到達時產(chǎn)生的光強變化，有閃光隙法、平面鏡反射法、傾斜鏡反射法、刀刃反射法和光學(xué)杠桿反射法等。這些光學(xué)方法多是通過對底片的分析獲得數(shù)據(jù)的，時間分辨率通常受高速攝影機的限制。1 除上述電探針法和光探針法外，還有

2、變電阻法、電容法、電磁法、變磁阻法、光柵法和光導(dǎo)纖維法等多種測速方法。這些方法和所獲得的輸出信號是連續(xù)變化的模擬信號，因而可測出連續(xù)的速度變化過程。此外，還有X射線陰影照相法，可拍攝物體內(nèi)部的變化過程，例如金屬中射流的侵徹過程等。2壓力和應(yīng)力測量 包括不同承載物上的壓力歷程，流體中的激波，固體中的應(yīng)力波以及炸藥中的爆轟波。 采用各種壓力傳感器作為檢測元件。 以應(yīng)變片受載后電阻值發(fā)生變化為原理的應(yīng)變式壓力傳感器雖頻響較低（約在40千赫以下），但性能穩(wěn)定可靠。以壓電電荷效應(yīng)為原理的晶體壓力傳感器頻響可達數(shù)百千赫以上，量程也可達100兆帕以上，但使用不太方便。短路電流法晶體應(yīng)力計的反應(yīng)快，可用來檢測

3、材料中變化時間為納秒量級的應(yīng)力波。3 以壓阻效應(yīng)為原理的硅半導(dǎo)體壓力傳感器，體積小，頻響可高達1兆赫以上，近年來發(fā)展很快。薄片狀的錳銅壓阻傳感器和碳膜壓阻傳感器響應(yīng)非?？?，前者可用于對30吉帕以下應(yīng)力的檢測。此外用紋影照相法、全息干涉法和動態(tài)光彈性法拍攝透明流體中的激波和固體中的應(yīng)力波可獲得波的圖象。4變形和應(yīng)變測量 多數(shù)采用電阻應(yīng)變片為敏感元件，可得的最大應(yīng)變值約在百分之一以內(nèi)。但是檢測快速瞬變現(xiàn)象，對所用的應(yīng)變片及其測試線路的頻響要求高，一般的動態(tài)電阻應(yīng)變儀有時不能滿足，必須采用超動態(tài)電阻應(yīng)變測量系統(tǒng)，后者的頻響可達1兆赫。由于貼片技術(shù)的限制，動態(tài)應(yīng)變測量的精度很難高于5%。動態(tài)光彈性法、

4、云紋法、散斑干涉法和全息干涉法都可以記錄應(yīng)變或變形場的變化。5 溫度測量 主要是測量在沖擊載荷作用下的物體表面或內(nèi)部溫度。在沖擊載荷的作用下，物體溫度可達數(shù)百或上千攝氏度，溫度上升時間可小于1微秒。溫度測量大多采用快速響應(yīng)的溫差電偶作檢測元件，也有用光學(xué)方法測量表面溫度的。由于在測點上同時還會產(chǎn)生很大的高應(yīng)變率的應(yīng)變和壓力梯度，會影響傳感器，產(chǎn)生虛假信號，并與溫度信號混在一起，必須用實驗或分析的方法排除這些影響。6 測試技術(shù) 電測系統(tǒng)的原理如圖所示。數(shù)字記憶示波器和波形存貯器是采集快速單次現(xiàn)象的通用儀器。它可以把單次現(xiàn)象的模擬信號數(shù)字化后存儲在大容量的半導(dǎo)體存貯器里,既可以輸出數(shù)字信號,也可以

5、輸出模擬信號。通過接口與計算機聯(lián)接直接進行數(shù)據(jù)處理，就組成了完整的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，其性能不斷被刷新。采樣速率目前可達102皮秒/字量級（PS/w). 過去使用的記憶示波器把單次波形凍結(jié)在熒光屏上，再用照相的方法拍攝，然后進行分析。測量精度低，使用不方便，已經(jīng)被淘汰。傳感器變換電路記錄單元處理單元被測信號7 在光測技術(shù)中，除了前面提到的一些方法外，由于應(yīng)用了激光，出現(xiàn)了許多新的測試方法。如測量物體運動速度的遮斷法、反射法和干涉法等。其中干涉法類型很多，有邁克耳遜法、延遲臂法、微分法和法布里-珀羅法等。利用激光為光源的紋影法、散斑干涉法和全息干涉法，用于測量固體的應(yīng)力、

6、應(yīng)變場和流體的流場。在光測時，記錄快速過程的設(shè)備主要是快速光電器件和高速攝影機。 8固體激波測量方法 當(dāng)一平面縱激波在固體中傳播時，根據(jù)跨過波陣面的質(zhì)量、動量和能量守恒條件，在相對于激波前方材料為靜止的空間坐標(biāo)系中，可得到聯(lián)系初態(tài)和終態(tài)五個參數(shù)（密度、質(zhì)點速度u、正應(yīng)力、比內(nèi)能e和激波相對前方介質(zhì)的空間波速D）的三個方程，即激波的基本方程。如果給定材料的狀態(tài)方程已知，那么只要由實驗方法測定五個參數(shù)中的任意一個，其余四個即可確定。如果狀態(tài)方程未知，則需要測定兩個。通過對自由表面的觀察，進行自由表面速度ufs和激波速度測量的方法稱為自由表面測量；直接觀察激波本身的（一般是測壓力和密度）稱直接測量。

7、9自由表面測量 根據(jù)沖擊波理論，當(dāng)激波通過試件到達自由表面時發(fā)生反射。圖12.1是用壓力速度平面表示這種關(guān)系。OA是材料的雨貢尼奧曲線，AB是等熵的卸載路徑。B的速度就是ufs。因此，如果材料的雨貢尼奧曲線和卸載的等熵P-u曲線已知， 那么，只要測出ufs和激波速度D，就可求出波后質(zhì)點速度u1等參量。如果激波不太強，熵增很小，再對試件材料作流體模型的假設(shè)，那么ufs=2u1，測出ufs可以立即得到u1。 P O BA u 圖12.110自由表面速度測量光測法 1閃光隙法 利用一些物質(zhì)，如氬氣、硝酸鋇粉末等受強烈壓縮會發(fā)出閃光的現(xiàn)象，在試件中設(shè)置閃光隙，用高速掃描攝影記錄下閃光的時間差，從而測量

8、激波速度和自由表面速度。圖12.2 的（a）圖是間斷記錄的裝置和掃描圖象； （b）圖是連續(xù)記錄的裝置和掃描圖象； （c）圖是同時測量激波速度和自由表面速度的裝置。是如何測量的？掃描圖象是怎樣的？11（a）圖是間斷記錄的裝置和掃描圖象； （b）圖是連續(xù)記錄的裝置和掃描圖象； （c）圖是同時測量激波速度和自由表面速度的裝置。是如何測量的？掃描圖象是怎樣的？122 斜鏡法 當(dāng)激波在一些自由表面反射時，其反射光的性能會發(fā)生變化，這一現(xiàn)象可利用來進行自由表面速度的測量。裝置和掃描圖象見圖 。三面鏡子用強光照明。當(dāng)激波到達驅(qū)動板的自由表面時（t0)，與驅(qū)動板接觸的兩面鏡子反射光強突然發(fā)生變化。激波穿過試件

9、后(t1),試件自由表面開始運動撞擊斜鏡，使斜鏡的反射光強發(fā)生變化，掃描相機記錄下撞擊點的軌跡，由此可測得撞擊點的速度 。 13其中 是斜鏡與試件自由表面夾角。撞擊會引起激波在斜鏡中傳播，也會引起反射光強的變化，因此 必須大于鏡內(nèi)的沖擊波速度。狹縫應(yīng)是什么方向？ua、ufs與掃描圖象曲線的斜率的關(guān)系如何？143 光杠桿法 將被觀察的自由表面磨成鏡面，點光源N在距離磨光自由表面d處，沖擊波與自由表面成角入射。波陣面與自由表面交點A以速度 沿自由表面運動,設(shè)激波速度為 D,則 可看成是自由表面位移波的速度。153 光杠桿法 當(dāng)沖擊波到達圖示位置時，原始平面被分割為未擾動的和受沖擊擾動的兩個平面。點

10、光源在兩個平面后都要成虛象。設(shè)兩個象之間的距離為b， 為自由表面轉(zhuǎn)過的角度， 則近似有： 由于 ufs= ua Sin所以，當(dāng) 角度不太時， 因此只要測出d、b、 ua ，即可求出ufs 、再測出，可求出D。關(guān)鍵是b和ua16 實際應(yīng)用一組點柵光源，用狹縫高速攝影機拍攝點柵光源的掃描象，見圖。一張這樣的掃描照片可以提供相當(dāng)多的信息。 點光源的象自下而上先后發(fā)生階躍。b*是b的象，階躍點連線是表面位移波的跡線的象，其斜率是 （ua的像）。d和都可以預(yù)先測量。因此， 、D 可以測量。ytua*圖12.5 xb*激波174 激光干涉法測量自由表面速度 1)多普勒效應(yīng) 一束光射到以速度v相對于光源運動

11、的物體上，物體接受的光波頻率發(fā)生了變化： 其中C為光速該頻率的光被物體反射回來，由于物體運動，接受器接受到的頻率為： 頻移 這就是多普勒效應(yīng)，是波動常見的現(xiàn)象。因為光速太高，物體運動速度與其相比微不足道而不易觀察到。18邁克爾遜干涉儀與雙光束干涉測速系統(tǒng) 利用干涉測長的原理來測速，當(dāng)應(yīng)力波到達樣品的自由表面時，鏡面運動，信號光束有了多普勒頻移，頻移很小，信號光束與參考光束產(chǎn)生差頻信號，光電倍增管只對差頻響應(yīng)，輸出信號的頻率即為差頻 是激光波長 19f ,v 都是時間的函數(shù)，寫成 (12.6)可求出自由表面位移 : (12.7) 為0t 時間內(nèi)的條紋數(shù)，從條紋數(shù)可以直接求出自由表面的位移，因此也

12、叫位移干涉儀。它的測量精度高，但測量上限很低。20法布里珀羅干涉儀及多光束干涉系統(tǒng) F-P干涉儀是多光束等傾干涉，較高級次的干涉環(huán)在較低級次的環(huán)的內(nèi)側(cè)，愈向邊緣干涉級次愈低。在形成干涉環(huán)的地方，光程差為： m為整數(shù) 由于 是頻率用含多普勒頻移的光束射入F-P干涉儀則有：代入上式得： 即： 所以， 當(dāng)激光器、干涉儀選定后，波長等都已知，只要測得干涉條紋級次的變化(dm)即可得到物體速度v。21c d= d/= 2v/c(因為 C）用 代替d22變相管記錄光點移動軌跡，從中可計算出dm，這種裝置避免了光電管頻響低的缺點。測速沒有限制，一般用測1公里5公里/秒。測量精度2%。國內(nèi)研制的多光束干涉測速

13、系統(tǒng)2324多光束干涉測速儀圖像如圖,里面的級數(shù)高,外面的級數(shù)低, 干涉級次增加時,條紋從中心向外涌現(xiàn).由于柱面鏡將干涉條紋壓縮成點, 靶面運動時光點向外運動形成掃描圖像.25電測法 斜電阻法 與光測法的斜鏡法相對應(yīng)。在兩個螺絲釘之間張一根細電阻絲（或箔帶），電阻絲與自由表面夾角為 ，當(dāng)導(dǎo)電的自由表面運動撞擊電阻絲，電阻絲從上到下逐漸被短路。設(shè)未被短路的長度為 l（t）,電阻絲的電阻率為 ，截面積為A0 將長度的變化變?yōu)殡娮璧淖兓傻茫?6 式中 、A0、 皆為常數(shù)，只要測出動態(tài)參數(shù)R（t）就可求出ufs。 為確保在測試過程中電阻絲和自由表面不受閉合速度以外的其它擾動，閉合角必須足夠小，保證自

14、由表面和絲的接觸速度比沿絲運動的沖擊波速度快。自由表面和電阻絲的接觸電阻要小，常用鉑鎢合金或鎳鉻絲作電阻元件。27電探頭技術(shù) 基本原理是利用電極（觸針）作為電接觸點，激波或機械作用使多對電極先后接通（或斷開），給出有時序的脈沖信號，被記錄器記錄?？捎脕頊y量炸藥的爆轟波速度、固體中激波速度、自由表面速度、飛片速度或拋擲體速度等。時間分辨率達到10-9秒。 電探極的種類很多，從形狀上分為電探針、絲式電探極、箔式電探極。電探針又分為四類：光桿探針、蓋帽探針、同軸探針和組合探針。試件探極脈沖形成網(wǎng)絡(luò)傳輸線時間間隔測定器圖 電探極方法原理圖28電容法 如果被測試件的自由表面是導(dǎo)電平面，可使自由表面與另一

15、塊金屬板組合一個平行板電容器。自由表面的運動將引起電容值的變化。測量出電容的變化可以換算成自由表面的速度。29直接測量 自由表面測量，不是直接觀察沖擊波本身，比如要求質(zhì)點速度，就必須已知質(zhì)點速度和自由表面速度之間的關(guān)系，如果此關(guān)系是未確定的，那就要求直接測量試件中沖擊波的性質(zhì)，這就是直接測量。直接測量一般是測壓力和密度。1.壓電法 廣義的壓電法包括兩類：一類是指壓電晶體傳感器測壓；另一類是指非壓電晶體的“沖擊極化” 傳感器測壓。無論絕緣體或半導(dǎo)體，只要有在外界壓力的作用下，能在兩個平行的端面電極上產(chǎn)生唯一確定的電壓或電流效應(yīng)，就都可利用來實現(xiàn)壓力的測量。 30壓電晶體法石英晶體傳感器使用示意圖

16、如圖 12.9 ，必須正向設(shè)置（能使應(yīng)力波從負極向正極傳播）。當(dāng)沖擊波傳進石英晶體時，由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電流流過負載電阻R，UR被示波器記錄下來，就可計算晶體界面上的壓力時間曲線。對于沖擊型傳感器沖擊波波陣面進入晶體后，將石英晶體分成兩部分。前部是未擾動區(qū)，后部是極化區(qū)。在極化區(qū)因為壓力的作用，產(chǎn)生了極化電荷。設(shè)極化強度（電荷密度）為D，則體元dx的電矩為Ddx,Ddx的積分等于總電量Q；A是晶體有效面積，L是晶體厚度。31電路電流為； 設(shè)極化強度正比于應(yīng)力,并且晶體中傳播的是彈性波，即： k是壓電系數(shù)，c為應(yīng)力波速度。 于是 32在沖擊波到達石英晶體外表面之前 即 當(dāng)沖擊波到達外表面以后，I與

17、 不成正比，所以傳感器只有工作在0 L/C 這個時間區(qū)域內(nèi)。平衡式的無此限制。 思考： 石英晶體的應(yīng)力波速度為5.72km/s,因此 6mm厚的沖擊型傳感器，記錄時間為大約多少？。3334 的關(guān)系只在有限應(yīng)力范圍內(nèi)成立，一般石英晶體用于25千巴以下。應(yīng)力高，精確度下降，更高應(yīng)力下，晶體發(fā)生剪切破壞，雖對壓力仍有響應(yīng)，但性能不穩(wěn)定。壓電晶體所記錄的應(yīng)力歷史只是界面上的應(yīng)力歷史，因此必須考慮阻抗匹配，來推算不加晶體時試件中應(yīng)有的應(yīng)力歷史。鋁或鹼金屬鹵化物的沖擊阻抗與石英相近，修正量很小。35 壓電薄膜（PVDF)80年代中期開始應(yīng)用的新型壓電傳感器，性能好價格昂貴。壓電傳感器的應(yīng)用有很多種：測量碰

18、撞應(yīng)力波通過靶板后的應(yīng)力。裝在碰撞面的對面。傳感器作為拋體頭，所測應(yīng)力即為靶試樣中的應(yīng)力。作為被碰撞靶，研究晶體壓電響應(yīng)特性。連續(xù)加載或卸載中的反射板。綜合應(yīng)用。 實際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)試件的大小、加載方式選用合適的類型和安裝方式。36沖擊極化法許多電介質(zhì)具有“沖擊極化”效應(yīng)，就是當(dāng)沖擊波從 電介質(zhì)的一個界面向另一個界面?zhèn)鞑r，在電介質(zhì)的兩個界面上形成電荷。一種有機材料的極化電流與應(yīng)力的關(guān)系見圖12.10。0為閾值壓力，一般在幾kbar幾十kbar。有沖擊極化效應(yīng)的材料很多，性能有很大不同，有不少材料可以制成傳感器，總的共性為： 測量范圍幾千kbar幾百kbar。 較高的時間分辨率。 使用之前必須進行標(biāo)定（飛片 碰撞實驗）。 I圖12.1037錳銅壓阻法 錳銅有壓阻效應(yīng)，被廣泛應(yīng)用于測量壓力。 錳銅的特點是電阻率高，很短的錳銅絲或很薄的箔，就有足夠的電阻，這樣應(yīng)力波在其中反射多次從而平均化所需的時間很短，因此時間分辨率很高。如果試件是絕緣體，只要把錳銅絲夾在試件中就可測得壓力時間曲線；如果試件是導(dǎo)體，就必須用環(huán)氫樹脂、云母、有機玻璃等材料，同試件隔離。如果所用材料波阻抗與試件相同，測試的壓力就是試件的壓力；如果波阻抗不同，往往是金屬試件的波阻抗高，絕緣材料的低，如圖所示。38OA、OB分別是壓力計和試件在壓力速度平面上的Hugoniot曲線。試件中激波的壓力從