一种PVDF爆炸冲击载荷测试电路中误差电容的测量方法

摘要

本发明公开了一种PVDF爆炸冲击载荷测试电路中误差电容的测量方法，该方法的基本原理是首先利用合理的冲击试验装置模拟爆炸载荷的产生，对PVDF施加一个已知的大小合适的冲击载荷，而后分别将其与大并联电容以及示波器直接相连，得到误差电容可忽略以及受误差电容影响下的PVDF输出信号，并对比分析二者测试结果得到误差电容对PVDF电荷输出的影响，随后基于误差电容对测试信号产生的具体影响与电容的比值呈线性相关的计算原理，进一步确定分布于测试电路中的误差电容大小及其组成。本发明明确了误差电容对PVDF进行爆炸等强冲击载荷测试时的影响，从而为进一步提高测量方法的准确性及适用性建立基础。

说明书

技术领域

本发明涉及爆炸冲击载荷测量领域，具体涉及一种PVDF爆炸冲击载荷测试电路中误差电容的测量方法。

背景技术

爆炸冲击载荷的测试可以完整的记录其全部作用过程，其是进行各种材料、结构在爆炸载荷作用下的动态响应特性分析的基础工作，对于终点效应、岩石爆破设计等相关领域的研究是十分有意义的。相比于压电陶瓷等传统压电传感器或者锰铜等压阻传感器，由压电高分子材料制成的传感器如聚偏氟乙烯PVDF压电传感器由于韧性好、便于安装和加工、测压峰值高、能够适应多种复杂环境等优点，是目前爆炸载荷测试领域中最为常用的传感器类型之一。

事实上，当PVDF传感器在用于爆炸载荷测试时，由于所产生的电荷量足够大，一个简单的测试电路，即直接将一电阻或者电容与PVDF并联，然后再利用示波器采集电容或电阻上的电压信号即可满足测试需求，此即所谓“电流模式”或“电荷模式”，无需额外的信号调理。

然而在进行爆炸等强冲击载荷的测试时，一方面测试系统本身的寄生电容如导线电容、导线分布电容、示波器电容等是无法避免的，另一方面PVDF在爆炸等强冲击载荷作用下变形导致其本身电容发生变化，使得聚集于PVDF两极板的电荷发生变化；测试电路中的误差电容本身是无法避免的，并且其会对PVDF电荷在测试电路中的分布产生影响，进而对测试结果产生影响。因此有必要对其具体值进行测量，从而定量评估其对测试结果的影响大小，进而优化测试电路使其产生的误差最小化，提高测试结果的准确性和可靠性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种PVDF爆炸冲击载荷测试电路中误差电容的测量方法，考虑到一方面爆炸试验开展难度大，且实验条件难以控制；另一方面，轻气炮、霍普金森杆SHPB等冲击载荷施加装置常用于爆炸载荷的模拟，并取得了良好的效果。

因此本发明的基本原理就是首先采用合理的冲击实验装置模拟爆炸载荷的产生，并对PVDF施加一定的冲击载荷，其次基于并联电容上聚集的电荷与其电容值成正比的规律，分别得到相同冲击荷载作用下误差电容可忽略以及受误差电容影响的电荷-时间曲线，最后对比二者即可计算出测试电路中的误差电容。本发明提供的方法为定量评估误差电容对测试结果产生的影响提供了现实基础，对于提高测试结果的准确性和可靠性有较大意义。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

一种PVDF爆炸冲击载荷测试电路中误差电容的测量方法，包括以下步骤：

第一步：确定模拟爆炸载荷的冲击实验装置，确定所采用的PVDF传感器及其规格，测试传感器的厚度以及电容值C

第二步：将传感器安装于待测位置，并通过导线将电容C

第三步：将示波器输入阻抗设置为1MΩ，调整示波器量程使其大约为并联电容两端峰值电压的两倍，调整示波器采样率使其满足奈奎斯特采样定律，随后对PVDF施加一合适大小的冲击载荷，该冲击载荷要求一方面能快速压密传感器使其能稳定输出电荷，另一方面PVDF传感器在该冲击载荷作用下应有良好的疲劳性能，最后利用示波器采集C

第四步：结合式(1)计算PVDF在冲击载荷作用下的电荷时程曲线Q-t；

第五步：为避免封装材料等因素对PVDF信号输出的影响，重复步骤(3)-(4)对PVDF进行相同的若干次反复冲击，直至PVDF实现稳定的输出，从而得到不受误差电容干扰条件下电荷输出时间曲线Q

第六步：将具备稳定输出性能的PVDF直接与示波器相连，进行相同的冲击载荷试验，并利用式(2)得到受误差电容干扰条件下电荷输出时间曲线Q

第七步：对比受、不受干扰电容影响下电荷输出Q

本发明的进一步改进在于：第七步中由于误差电容对PVDF电荷的分流作用，因此Q

本发明的进一步改进在于：第四至五步反复冲击压电传感器后均应对其厚度以及电容值进行测量，计算Q-t曲线，当最近2-3次重复冲击后传感器厚度、电容保持不变，且Q-t曲线吻合良好时可以认为PVDF实现稳定的输出。

本发明的进一步改进在于：第二至第五步中所采用的并联电容C

本发明的进一步改进在于：第一步中确定的冲击载荷试验装置应具备如下特点：1)PVDF所承受的冲击载荷σ-t应当是已知的，因此该装置应有额外的采集设备监测冲击载荷施加的全过程；2)试验条件应易于控制，重复冲击试验施加的冲击荷载应具备良好的重复性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明对常规的爆炸等强冲击载荷测试中通常被忽略的因素—测试电路中误差电容对测试结果的影响进行考虑，提出了一种基于并联电容两极板上聚集电荷与其电容值成正比的计算方法，分别得到了受与不受误差电容干扰的输出信号，从而得到了误差电容对信号输出的具体影响及其具体值，本发明为进一步优化测试电路、提高该测试方法的准确性和适用性提供了现实的基础。

2、本发明采用冲击实验装置模拟爆炸载荷的产生，在整个测试过程中只需要进行几次相同的冲击试验，规避了爆炸试验中试验条件复杂、难以控制等的缺陷。并且所采用的测试电路简单，只需连接一个大电容以及相应的示波器，对于测试装置等并不做过多要求。因此本发明具有便于操作、适用性广等优点。

附图说明

图1(a)、(b)分别为受、不受误差电容干扰的测试电路示意图；

图2为重复冲击荷载下PVDF输出信号逐步稳定示意图；

图3为PVDF在达到稳定输出条件后受、不受误差电容干扰条件下信号输出特性对比；

图4为误差电容随时间变化特性与PVDF直连示波器时信号输出特性对比。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

参考附图1-4，本实施例提供了一种PVDF爆炸冲击载荷测试电路中误差电容的测量方法，具体步骤如下：

第一步：确定用于模拟爆炸载荷的冲击试验装置，该装置应满足所施加的冲击载荷已知、所施加的冲击载荷具有良好的重复性等要求，确定拟采用PVDF传感器及其面积、厚度、电容值C

第二步：确定拟采用的并联电容C

第三步：调整示波器参数，将示波器输入阻抗设置为1MΩ，测试前预估信号峰值，并基于此调整示波器量程使其大约为信号峰值的两倍，调整示波器采样率使其满足奈奎斯特采样定律，对PVDF施加合适大小的冲击载荷，该冲击载荷要求可以快速压密传感器使其能稳定输出，同时PVDF传感器在该冲击载荷作用下有良好的疲劳性能，最后利用示波器采集C

第四步：结合式(1)计算PVDF在冲击载荷作用下的电荷时程曲线Q-t，并测量其厚度以及电容值：

第五步：重复步骤(3)-(4)，对PVDF进行相同的若干次反复冲击，并分别测试其厚度、电容值，计算Q-t曲线，当最近2-3次重复冲击后厚度、电容保持不变，且Q-t曲线吻合良好时可以认为PVDF实现稳定的输出，从而得到不受误差电容干扰条件下电荷输出时间曲线Q

第六步：将具备稳定输出性能的PVDF直接与示波器相连，进行相同的冲击载荷试验，并利用式(2)得到受误差电容干扰条件下电荷输出时间曲线Q

第七步：由于误差电容对PVDF电荷的分流作用，Q

(1)采用杆直径为50mm的霍普金森压杆SHPB模拟爆炸载荷，对PVDF施加相应的冲击荷载，选择厚度和直径分为别为30μm、50mm的PVDF压电传感器，其通过PTFE材料进行封装，利用万用表测试其电容值为6.62nF，利用游标卡尺测试其总厚度为0.33mm；

(2)将808nF的电容C

(3)调整示波器参数，输入阻抗设置为1MΩ，量程设置为5V，采样率为1M/s；将SHPB氮气气压设置为0.4MPa，此条件下PVDF承受最大冲击载荷大约为150MPa；利用示波器采集冲击过程中C

(4)结合式(1)计算PVDF在冲击载荷作用下的电荷时程曲线Q-t，并测量其总厚度以及电容值：

(5)重复步骤(3)-(4)对PVDF进行相同的重复冲击，在第3-5次冲击时其厚度稳定在0.27mm左右，电容稳定在6.68nF左右，1-5次重复冲击Q-t曲线如图2所示，可以认为在经历大约3次150MPa左右的重复冲击后，传感器疲劳性能、压电性能趋于稳定，以第4、5次电荷时间曲线为不受误差电容干扰条件下PVDF电荷输出结果，记为Q

(6)将同一PVDF按图1(b)所示直接与示波器相连，示波器量程设置为500V，其他参数保持不变，进行相同的冲击试验，并利用式(2)得到受误差电容干扰条件下的电荷输出时间曲线Q

(7)由于误差电容对PVDF电荷的分流作用，Q

如图(4)所示为C

由此可见，误差电容事实上主要由两部分构成：①测试电路中的寄生电容，该部分由于与所受冲击载荷无关，因此其在整个试验过程中保持不变；②PVDF电容变化，PVDF本质上为一电容，并且部分产生的电荷会聚集于其两端，而在冲击载荷作用下由于泊松效应导致其面积增加厚度减小，即电容值增加，且增加部分与产生的变形息息相关，因此其应与承受的冲击载荷具有一致的趋势。在本试验条件下C

以上实施例仅用以说明本发明的基本原理、主要特征和优点，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。