一种PVDF电流模式测试爆炸载荷时确定并联电阻值的方法

摘要

本发明提供了一种PVDF电流模式测试爆炸载荷时确定并联电阻值的方法，包括：根据测试需求确定所需的测试精度，利用PVDF传感器与电阻、示波器并联构成爆炸载荷测试系统；通过冲击试验装置对PVDF传感器施加冲击载荷产生电压信号，获取电阻两端的电压时程曲线；计算PVDF传感器释放的电荷数量和最大电荷值；将PVDF传感器分别与不同阻值的电阻并联，重复步骤2和步骤3，获取不同电阻值下的电压时程曲线，同时计算其电荷‑时间曲线；将获取到的电荷‑时间曲线绘制于同一坐标系，通过组内相关性系数和变异系数评价测试结果的重复性和变异程度，剔除偏离程度相对较大的测试结果，直至满足测试精度要求后确定并联电阻合理的取值范围。

说明书

技术领域

本发明涉及爆炸载荷测量领域，特别涉及一种PVDF电流模式测试爆炸载荷时确定并联电阻值的方法。

背景技术

爆炸载荷的测量可以完整的反映其全部作用过程。对其加载波形的准确描述有助于理解各种材料和结构在爆炸载荷作用下动态响应特性，因此其准确测量对工程爆破、爆炸毁伤效应等相关领域的研究是十分有帮助的。PVDF压电传感器由于具备良好的柔性、高灵敏度、很宽的带宽、易加工成各种形状而不影响其压电性能等优点，是爆炸载荷测试中最常用的传感器之一。

事实上，由于爆炸载荷作用下PVDF能够产生足够大的电荷量，因此在实际测试时简单的电流模式是最为常用的测试方法之一，其原理就是将一电阻与PVDF并联形成测试回路，然后通过示波器观测PVDF通过该电阻所释放的电荷，该电路具有简单易于操作、无需额外的信号调理等优点。

然而，在电流模式测试电路中，除并联电阻外，还存在PVDF电容、测试电路的杂散电容等因素将会影响电荷分布，此时仅仅计算并联电阻上的电荷并不总是合理的；在目前的研究中，在进行爆炸载荷测试时，采用的PVDF电容值从几十皮法至几纳法之间变化，然而，所连接的并联电阻值通常都是固定的50Ω或100Ω，并且测试电路中的杂散电容、PVDF电容等因素对电荷分布的影响通常是被忽略的。

由于测试电路的电气特性，PVDF在爆炸载荷作用下产生的电荷会分布于测试电路的各个部分，因此冲击载荷加载特性、测试电路杂散电容值、PVDF电容值等相关参数均会影响并联电阻上的电荷，并且由于均以并联形式存在于测试电路中，电荷分布量与各条支路上的阻抗成反比，因此当并联电阻较小时将会有助于增加其上电荷，从而提高准确度；然而由于PVDF本身是电荷源，当并联电阻过小时将会导致产生的电压信号很小，从而导致一方面测试结果易受环境噪声的干扰，降低测试的准确度，另一方面低电压信号会导致测试结果的分辨率降低。

因此在利用PVDF进行爆炸载荷测试时，确定合理的并联电阻值是十分有意义的，其将显著的提高测试结果的准确性和可靠性。

发明内容

本发明提供一种PVDF电流模式测试爆炸载荷时确定并联电阻值的方法，其目的是为了明确在进行冲击荷载测试时并联电阻的合理取值范围，规避以往不考虑测试条件而简单的采用固定的并联电阻值的缺陷，可以显著的提高测试结果的准确性和可靠性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种PVDF电流模式测试爆炸载荷时确定并联电阻值的方法，包括：

步骤1，根据测试需求确定所需的测试精度，确定用于模拟爆炸载荷的冲击试验装置，选择PVDF传感器并测试其电容值C

步骤2，对PVDF传感器施加冲击载荷，使PVDF传感器产生电压信号，通过示波器获取并联电阻两端的电压时程曲线V-t；

步骤3，计算冲击过程中PVDF传感器通过电阻R

步骤4，将PVDF传感器分别与不同阻值的电阻并联，并对PVDF传感器施加相同冲击载荷，重复步骤2和步骤3，通过示波器获取不同电阻值下的电压时程曲线V-t，计算不同电阻下的最大电荷Q

步骤5，将获取到的电荷-时间曲线Q-t绘制于同一坐标系，利用组内相关性系数ICC计算所有电荷-时间曲线Q-t的总体重复性，利用变异系数C

步骤6，判断组内相关性系数ICC和变异系数C

其中，计算所述电荷数量Q的表达式为

其中，t为时间，R

其中，步骤2中将示波器的输入阻抗调至1MΩ的档位，对于连接不同电阻应相应调整示波器量程使电阻R

其中，步骤5中对不同电阻的电荷时间曲线进行重复性评价时，组内相关性系数ICC在计算时选择双向随机模型，绝对一致类型，单一测量估算结果。

其中，冲击试验装置包括霍普金森压杆(SHPB)和应变传感器，所述PVDF传感器安装至霍普金森压杆(SHPB)的透射杆端面，氮气气压为0.4MPa。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明联合了组内相关性系数ICC和变异系数C

2.本发明借助冲击试验装置模拟爆炸载荷，规避了爆炸荷载难以控制试验条件的缺陷，简化了试验条件；同时本发明是针对相同冲击下连接不同电阻时输出电荷的重复性及变异程度进行检验，整个过程中仅需进行若干次相同的重复冲击试验，因此具有便于操作，适用性广等优点。

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为PVDF电流模式下爆炸载荷测试系统的示意图；

图3为SHPB冲击载荷作用下典型并联电阻上的电荷-时间曲线；

图4为逐步剔除过程中最大电荷数量变异系数和电荷-时间曲线的组内相关性系数变化图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明提供了一种PVDF电流模式测试爆炸载荷时确定并联电阻值的方法，该方法结合组内相关性系数和变异系数对不同并联电阻值对PVDF在冲击载荷作用下产生电荷输出效果的影响进行综合评价，从而确定测试爆炸载荷时并联电阻合理取值范围。

如图1所示，一种PVDF电流模式测试爆炸载荷时确定并联电阻值的方法，具体步骤如下：

步骤1，根据测试需求确定所需的测试精度，确定用于模拟爆炸载荷的冲击试验装置，选择PVDF传感器并测试其电容值C

步骤2，通过冲击试验装置对PVDF传感器施加冲击载荷，使PVDF传感器产生电压信号，通过示波器获取并联电阻两端的电压时程曲线V-t；

步骤3，计算冲击过程中PVDF传感器通过电阻R

步骤4，将PVDF传感器分别与不同阻值的电阻并联，并对PVDF传感器施加相同冲击载荷，重复步骤2和步骤3，通过示波器获取不同电阻值下的电压时程曲线V-t，在重复冲击试验时应保持所施加的荷载、测试电路及测试环境不变，对于某些冲击载荷施加装置如霍普金森杆(SHPB)其峰值应力很难控制至完全一致，此时应通过其他装置(如应变传感器)对所施加的峰值应力进行测试，然后计算电荷-时间曲线Q-t的最大电荷量；

步骤5，将获取到的电荷-时间曲线Q-t绘制于同一坐标系，利用组内相关性系数ICC计算所有电荷-时间曲线Q-t的总体重复性，利用变异系数C

步骤6，判断组内相关性系数ICC和变异系数C

上述步骤联合了组内相关性系数ICC和变异系数C

其中，计算所述电荷数量Q的表达式为

其中，t为时间，R

为提高测试结果的信噪比，降低噪声对测试结果的干扰，将示波器的输入阻抗调至1MΩ的档位，对于连接不同电阻时应相应调整示波器量程使电阻R

奈奎斯特采样定理是本技术领域的现有技术属于公知常识，本领域技术人员对其原理应有一定的了解，因此在本实施例中不对其进行一一赘述。

其中，步骤5中对不同电阻的电荷时间曲线进行重复性评价时，组内相关性系数ICC在计算时选择双向随机模型，绝对一致类型，单一测量估算结果。

其中，在剔除数据过程中先筛选出重复性较好的测试结果，剔除数据中电阻R

针对相同冲击下连接不同电阻时输出电荷的重复性及变异程度进行检验，整个过程中仅需进行若干次相同的重复冲击试验，因此具有便于操作，适用性广等优点。

下面实施例结合具体的试验数据对本发明进行进一步的验证说明。

(1)本实施例采用50mm直径的霍普金森压杆(SHPB)试验装置模拟爆炸载荷，依据测试需求，确定测试所需精度P≥0.95，选择厚度为30μm，直径50mm的PVDF压电传感器，测试其电容值C

(2)将PVDF传感器安装至霍普金森压杆(SHPB)的透射杆端面，并将氮气气压调整至0.4MPa进行冲击试验，采集示波器在该试验条件下PVDF传感器通过并联电阻释放的电压信号，示波器量程调至5V，采样率1M/s，通过粘贴于霍普金森压杆(SHPB)的透射杆上的应变传感器(应变片)获取所施加的冲击载荷-时间曲线；

(3)计算冲击过程中通过并联电阻上不同时刻t所释放的电荷量Q已经最大电荷量Q

其中，t为时间，R

(4)重复步骤2和步骤3，采用相同的PVDF传感器分别与1Ω,、5Ω、10Ω、100Ω、500Ω、10

(5)获取连接不同电阻时的电压-时间曲线V-t，同时利用应变传感器得到的峰值载荷计算电荷-时间曲线R-t，如图3所示，结合图3可初步确定重复性较好的为电阻10-1kΩ的测试结果，电阻值为1Ω以及10kΩ以上时离散程度较大，并计算总体测试结果的组内相关性系数ICC以及最大电荷Q

(6)按照电阻大小的顺序逐步剔除离散程度较大的测试结果，并分别计算剔除后的组内相关性系数ICC和变异系数C

需要注意的是在本实施例中采用的SHPB是一种施加冲击载荷的仪器，0.4MPa气压是设置所施加的冲击力的大小。虽然这一种仪器可以作为本实施例的冲击试验装置，但是并不局限于这一种仪器(其他还有轻气炮、落锤等也可作为本实施例的冲击试验装置)。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。