金属丝段电爆炸的电参数测试研究

摘要

本文通过测量金属丝段电爆炸过程中产生的高电压和强电流,来加深金属丝电爆炸对制备纳米粉末和喷涂的理解。结合实际测试需求,设计并制作了开关型电阻分压器、自积分式Rogowski线圈和数字存储示波器为主要组件的电压和电流的测量装置,用于测试金属丝电爆炸瞬间产生的脉冲高压和强流。所研制的电压电流测量装置成本低、体积小、易于控制。在测量装置的基础上,利用实验室的丝段式电爆炸实验装置,进行了多次金属丝段电爆炸实验,实验证明,所设计的测量装置,测试精度、可重复性、稳定性均较好,满足设计和实验要求。金属丝段落入设备的上下电极间建立的高压电场以后发生爆炸的条件是电极与金属丝端部的气体放电将大电流瞬时传递给金属丝。从实验现象中观察发现,在金属丝发生电爆炸之前,金属丝端部与电极之间由于气体放电产生等离子弧,当金属丝段发生电爆炸时,由于等离子弧的旁路作用,使湮没在等离子弧中的小段金属丝不能发生电爆炸而残留下来。通过改变电极间距、金属丝长度和电场电压,进行系列金属丝段电爆炸实验,实验结果表明,当金属丝电爆炸过程参数合理匹配时,能得到最大的能量密度和瞬时功率,电流的峰值更高;初始充电电压越高,电爆发生的时间越短,沉积在丝上的能量越高。用数值解析法模拟了金属丝段的电爆炸过程,根据仿真结果设计电爆炸实验,得到了适于制备粉末的电爆炸工艺条件。研究还表明:在确定的电极间距下,初始充电电压增大,沉积在金属丝段上的能量密度相应增加;充电电压相同时,丝段直径变大,则沉积在丝段上的能量密度变小。通过对金属丝电爆炸特性进行理论分析和实验研究,加深了对金属丝电爆炸物理过程的认识,该研究对电爆炸制粉和喷涂的参数设计等具有参考价值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 金属丝电爆炸技术研究进展

1.1.2 研究意义

1.2 脉冲信号测量系统概述

1.2.1 电压信号测量概述

1.2.2 电流信号测量概述

1.3 本课题的研究内容

第2章 丝段式电爆炸实验装置简介

2.1 引言

2.2 丝段式电爆炸实验装置

2.2.1 高电压充电电路的设计

2.2.2 电路元部件的选择

2.2.3 放电回路的设计

2.2.4 同轴导电装置及电场的设计

2.3 电压电流测量装置概述

2.4 设备及线路的组装与调试

2.5 小结

第3章 丝段式电爆炸装置的测试系统分析

3.1 电流测量装置的研制

3.2 罗氏线圈的基本原理

3.2.1 Rogowski线圈等效电路

3.2.2 自积分型Rogowski线圈的频率特性分析

3.2.3 Rogowski线圈测量的干扰分析

3.3 罗氏线圈的设计

3.4 电压测量装置的研制

3.4.1 电阻分压器的测量原理

3.4.2 分压器的结构确定

3.4.3 开关的设计

3.4.4 分压器的性能分析

3.4.5 分压器的校准与测量

3.5 小结

第4章 电爆炸过程的实验研究与仿真分析

4.1 引言

4.2 丝段电爆炸的物理特性

4.2.1 爆炸丝内产生高温

4.2.2 爆炸丝内产生强冲击波

4.3 丝段电爆炸的电学特性

4.3.1 金属丝电爆炸过程的电流变化

4.3.2 金属丝电爆炸过程的电阻变化

4.3.3 金属丝电爆炸过程的电压变化

4.4 金属丝段电爆炸实验结果及分析

4.4.1 引言

4.4.2 金属丝段电爆炸实验现象

4.4.3 波形测量结果

4.5 仿真分析

4.5.1 丝段式电爆炸过程电路模型

4.5.2 能量密度影响因素

4.6 小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 丝段式电爆炸设备照片