用于微層裂物質診斷的小型動量探針技術

陳浩玉， 洪仁楷， 陳永濤， 張世文， 任國武， 莫俊杰

(中國工程物理研究院 流體物理研究所， 四川 綿陽 621999)

用于微層裂物質診斷的小型動量探針技術

陳浩玉， 洪仁楷， 陳永濤， 張世文， 任國武， 莫俊杰

(中國工程物理研究院 流體物理研究所， 四川 綿陽 621999)

針對目前微層裂物質診斷技術的不足，設計了一種小型化動量探針。在傳統動量傳感器的基礎上對傳感界面和保護膜的測試結構進行改進，并結合數值模擬和聯合實驗診斷技術對小型化動量探針的測速結果數據進行解讀。研究結果表明：改進后的動量探針可獲取持續穩定的高質量信號，測試時長得到延長；小型化導致部分時段測速結果產生偏差，但第1速度峰值時刻之前的測速結果可信度高，可用于定量診斷微層裂物質空間密度分布。

爆炸力學； 微層裂； 動量探針； Asay窗； 小型化

Abstract: A mini momentum probe is designed to diagnose the micro-spall fractures of material. On the basis of traditional momentum sensor, the structure of the sensing interface and protective film is improved, and the numerical simulation and joint diagnosis experiment technology are used to research the speed measurement results of mini momentum probe. Research result shows that the improved momentum probe can be used to obtain steady high quality signals, and the test duration can be extended; and the probe miniaturization leads to a deviation of measured speeds at some time intervals, but the measured speeds before the first speed peak time are credible, and can be used for the quantitative diagnosis of spatial density distribution of micro-spall fracture of material.

Key words: explosion mechanics; micro-spall fracture; momentum probe; Asay window; miniaturization

0 引言

微層裂物質是指在飛片被爆轟加載后，由于爆轟波在飛片自由面反射為拉伸波、將飛片近自由面熔化或近熔化狀態的物質拉伸剝離飛片主體而形成的大量細小顆粒物質。微層裂物質的診斷技術主要依靠X光照相[1-2]，但由于X光的穿透性不足，密閉狹小空間的微層裂物質診斷只能使用可深入微層裂物質內部進行嵌入式測量的嵌入式傳感技術，主要包括壓電石英計法[3]、光纖探針法[4]、Asay動量計法等。但壓電石英計對較高密度的微層裂物質探測而言過于脆弱，無法有效探測微層裂區域歷程；光纖探針測試信號不穩定，對微層裂物質的響應能力有待進一步研究。

動量傳感測試技術最早由Asay等[5-6]提出，其測試結果解析依據為動量定理，故該類傳感器又稱動量傳感器。動量傳感器測試技術具有嵌入式、可深入微層裂物質內部進行連續測量的特點，是微層裂物質時空演化規律研究可重點倚重的測試診斷技術。從20世紀70年代以來，在微層裂物質相關研究[7-12]的不斷推動下，該項技術一直不斷向前推進。2003年Holtkamp等[13]和McCluskey等[14]提出了使用透明LiF材料的Asay窗診斷技術，驗證了Asay窗對微層裂物質測試的可行性，但因測試信號雜亂，實驗結果難以定量。2009年Signor等[15]在LiF 窗口撞擊面粘貼鋁膜作為傳感界面、陳永濤等[16-17]提出Asay-F窗技術，在一定程度上改善了Asay窗測試信號的質量，證明了Asay窗定量診斷微層裂物質的潛力，為后續開展相關研究奠定了基礎，但測試信號時長過短，仍需進一步改進。另外，以上研究都未對傳感器直徑小型化進行研究。

目前，動量傳感器技術仍然存在諸多有待解決的問題，如測試信號雜亂、譜寬過寬難以提取有效信息，有效測試時長不足、傳感器體積過大等，大大限制了該技術在微層裂診斷中的應用，特別是在測試空間密閉狹小的應用場合，原本狹小的測試空間被傳感器過度占用，傳感器本身以嵌入微層裂物質內部進行深入接觸測量的方式對測試區域物質的原有物理狀態影響過大，測試結果可信度低，且使得其他測試手段(如光、電探針測試)難以開展。綜上所述，雖然動量傳感測試技術具有種種特點和潛力，但目前在實際工程中的直接應用仍困難重重。因此，研制一種適用于密閉狹小空間微層裂物質診斷的小型化動量探針，為爆轟加載下微層裂物質研究提供一種新的診斷技術具有重要的意義。本文擬對動量探針測試結構進行改進，并對探針小型化帶來的影響進行分析驗證，以提升動量探針在微層裂物質診斷應用中的探測能力和工程應用價值。

1 動量探針工作原理及結構

本文使用的動量探針結構示意圖如圖1所示，包括LiF晶體探針、傳感界面保護膜、保護套、多普勒干涉測速系統(DPS)探頭四部分結構組件，并外接DPS. 動量探針使用高壓沖擊加載下仍具有良好光學透過性的LiF晶體作為測試窗口介質材料，經保護套與DPS探頭同軸定位集成。LiF晶體的下端面經鍍膜工藝處理后具有反光功能，作為動量探針的傳感界面，并緊密貼合相同LiF材質的傳感界面保護膜。

圖1 動量探針示意圖Fig.1 Schematic diagram of momentum probe

測試原理如下：DPS探頭沿LiF晶體探針軸心射出窄線寬激光，光斑入射至傳感界面，部分光被具有反光功能的傳感界面沿原路反射回DPS探頭，根據多普勒頻移原理，該部分返回的信號光頻率隨傳感界面運動速度的變化而變化，信號光再與DPS內部的參考光耦合并發生干涉，形成反映多普勒平移量的干涉條紋，條紋頻率與傳感界面的運動速度呈正比。通過DPS采集并記錄干涉條紋隨時間變化的歷程，即可實現對傳感界面運動速度歷程的精確測量。進一步以測得的速度歷程為依據，按照文獻[17-18]中的動量定理等數據處理方法，可建立傳感界面運動速度與撞擊動量探針的微層裂物質密度之間的定量轉換關系。因此，通過獲取傳感界面速度歷程，即可獲取動量探針對應測試點處微層裂物質的密度演化歷程。

2 探針小型化設計及分析

2.1 傳感器界面分析與改進

傳統的Asay窗采用全透明LiF晶體，完全依靠撞擊傳感界面的物質遮擋光路、形成反光傳感界面，測試信號信噪比很差，撞擊之后近微秒的較短時段內，撞擊物質尚未在被撞擊面上堆積出足夠厚度的擋光層來有效遮擋住光路、形成有效反光界面，很難獲得有效的速度信號，典型的對碰加載實驗測試如圖2(a)所示。Asay-F窗等采用在LiF晶體下表面粘貼數百微米厚度且阻抗與LiF接近的鋁箔、形成反光傳感界面，可獲得較短時長的測試信號，但由于Al與LiF兩種不同材質的阻抗始終不同，當沖擊波穿透鋁箔進入鋁箔與LiF晶體之間的界面時不能完全通過，從而形成反射波，反射波的存在易導致數百微米厚度的鋁箔破碎，使傳感界面被破壞、測試信號中斷(見圖2(b))。針對以上不足，經過大量分析與實驗，本文使用的動量探針最終選用電阻熱蒸發鍍膜技術，在LiF晶體下表面鍍上4 μm厚度的鋁膜，制備出厚度極薄且與LiF晶體融為一體的傳感界面，將Al和LiF兩種材料在沖擊過程中的阻抗不匹配效應減小到可忽略不計的程度，有效避免了因阻抗不匹配造成的鋁膜傳感界面被破壞而丟失信號的問題(見圖2(c))，測試速度曲線的細化程度好、信噪比明顯提升，可有效提取有用信息的信號時長從1～2 μs左右延長至約3 μs.

圖2 不同傳感界面測試結果Fig.2 Test results of different sensing interfaces

另外，動量探針采用漫反射傳感界面的方案，將傳統Asay窗結構中原本鏡面的傳感界面制備為漫反射面，解決了動態加載下傳感界面因發生運動而不垂直于DPS探頭光路、無法有效反射信號光進而導致信號不連續的問題。對比平面加載驗證實驗測試結果如圖3(a)和圖3(b)所示。圖3(a)中的鏡面傳感界面只能產生鏡面反射，只有當傳感界面與DPS探頭光路垂直時才能有效回光、獲得測試信號，在傳感界面狀態變化復雜的動態爆轟加載條件下，信號明顯時斷時續；圖3(b)中的漫反射傳感界面具有很強的動態適應能力，即使傳感界面狀態發生變化、不垂直于DPS探頭光路，也能通過漫反射將部分信號光沿原光路反射回DPS探頭，從而獲得持久、有效的穩定測試信號。

圖3 傳感界面不同結構測試結果對比Fig.3 Test results of different sensing interface structures

2.2 保護膜設計

由于動量探針傳感界面鍍4 μm厚的極薄鋁膜，非常容易被微層裂物質破壞，且微層裂物質空間分布和運動狀態極為復雜，同一時刻撞擊動量探針的物質速度具有一定的分散性，如果直接對傳感界面進行測試將獲得譜寬過大且散亂的速度譜帶，不能有效地提取特征速度信息，典型測試結果如圖3(c)中的14 ～16 μs時段速度譜所示。為了克服該測試缺陷，動量探針采用在鍍膜面下增設LiF材質保護膜的結構，一方面使動量探針對沖擊物質的響應速度經過一定距離的傳播后到達傳感界面時得到勻化，獲取到能夠體現沖擊應變特征的細化速度譜信息，另一方面有效保護傳感界面，提高傳感界面的耐受性，實驗測試結果如圖3(b)所示。

通過以上對動量探針傳感界面和保護膜的改進，實現了將4 μm厚度的極薄漫反射Al膜傳感界面嵌入LiF晶體內部的結構，克服了傳感界面與LiF晶體探針的阻抗不匹配問題，增強了傳感界面的耐受度，提高了傳感界面回傳信號能力，獲得了能夠有效提取測速曲線的高質量信號，有效測試信號時長延長至約3 μs，大大提高了動量探針對微層裂物質的診斷能力和工程應用價值。

2.3 探針直徑優化及小型化分析

動量探針的小型化主要是指LiF晶體直徑的小型化，直徑的減小給測試結果帶來的影響將關系到測試結果的有效性和準確性，因此有必要通過數值模擬進行分析。本文建立了一個簡化沖擊模型，只保留LiF晶體，忽略嵌入LiF材質內部的極薄厚度Al膜(厚4 μm)和保護套等結構，采用非線性顯式動力學軟件AUTODYN對模型進行了數值模擬計算，試圖分析LiF晶體直徑的大小對測試結果的影響。具體模型參數如下：用φ30 mm×10 mm的大直徑低密度圓柱形石蠟以2 km/s的初始速度撞擊直徑分別為3 mm、5 mm、10 mm 3種不同規格且長度足夠長的小直徑LiF晶體。石蠟采用光滑粒子流體動力學方法，以模擬類似于微層裂的散碎顆粒狀物質，LiF晶體采用拉格朗日法，模型如圖4所示。

圖4 AUTODYN模型圖Fig.4 AUTODYN model

相同加載條件下3種不同直徑LiF晶體被撞擊面軸心質點的運動速度歷程數值模擬結果如圖5所示，根據動量探針測試原理，該速度歷程在LiF晶體直徑足夠大的理想情況下體現了撞擊晶體界面的石蠟粒子層的密度演化歷程，但在LiF晶體不同直徑的工程因素影響下，該速度實際表現為起跳至第1速度峰值點的時段內，三者速度曲線的一致性較好，但很快三者的速度曲線就出現分叉，呈現出直徑越小、速度越高的趨勢。

圖5 數值模擬速度歷程Fig.5 Simulated velocity-time curves

分析數值模擬結果可知，在劇烈的沖擊加載作用下LiF晶體發生塑性變形，由于LiF晶體的被撞擊面存在邊緣卸載，持續產生卸載波并向軸心傳播，導致被撞擊面上的壓力沿軸心向邊緣呈逐漸減小的趨勢，塑性變形沿軸心向邊緣逐漸增大，即被撞擊面的粒子速度沿軸心向邊緣逐漸升高。為了說明該問題，提取直徑10 mm LiF晶體被撞擊面上離軸心距離R分別為0 mm、1.25 mm、2.50 mm、3.75 mm處粒子的速度歷程(見圖6)。由圖6可見，隨著時間的推移，離軸心越遠即越靠近邊緣，粒子速度越高。

圖6 不同徑向位置點速度歷程Fig.6 Velocity-time curves at different radial positions

在被撞擊界面邊緣粒子速度高于軸心粒子速度效果的持續作用下，被撞擊面逐步形成如圖7所示的弧形形狀，隨著時間的推移，最終LiF晶體被撞擊面上軸心質點的運動速度也逐漸被周圍速度較快的粒子拉高。直徑越小，軸心離邊緣越近，邊緣卸載效應隨時間的推移對軸心粒子的影響越顯著，即隨著時間的推移，直徑越小、速度越來越高。另外，邊緣卸載效應對被撞擊面軸心處測點的影響需要傳播時間，直徑越大所需傳播時間越長、傳播到軸心處的衰減也越大，且邊緣卸載對被撞擊面軸心粒子速度產生的影響為積累過程，隨著時間的推移，該影響效果逐漸顯現，在速度起跳至第1速度峰值點時段內基本無影響，因此該時段內3種直徑LiF晶體速度的曲線基本一致，之后逐漸出現直徑越小、速度越高的趨勢。

圖7 LiF晶體端面變形圖Fig.7 Deformation pattern of LiF interface

3 驗證實驗及分析

選擇易產生微層裂物質的Sn作為被加載飛片材料，設計點起爆類平面加載實驗，采用X光照相和動量探針測試聯合診斷方式，對動量探針的測試性能進行驗證。

使用3種不同直徑的動量探針對Sn飛片產生的微層裂物質進行探測，實驗裝置如圖8所示。采用雷管起爆φ50 mm×30 mm的高能炸藥，炸藥驅動φ50 mm×4 mm的Sn飛片向上運動并產生微層裂物質；距離飛片上表面20 mm高度安裝尺寸分別為φ20 mm×10 mm、φ10 mm×10 mm、φ6 mm×10 mm的LiF晶體動量探針各1支，3支動量探針的軸心均分布在φ15.2 mm徑向圓周上。

圖8 實驗裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of experimental setup

實驗獲取的3支動量探針傳感界面運動速度曲線如圖9所示。由圖9可見，動量探針經過傳感界面和保護膜的改進，獲得的測速信號持續時長大于3 μs，所提取的速度曲線連續且特征清晰。

圖9 3種直徑動量探針實驗結果對比Fig.9 Comparison of experimental results of three momentum probes with different diameters

將速度曲線結果分為兩段區域進行分析，以第1速度峰值點時刻為界線，將該時刻之前的時段定義為第1測試時段，該時刻之后的時段定義為第2測試時段。第1測試時段的速度曲線基本重合(測試誤差來源主要為早期低密度微噴/微層裂物質非均勻性誤差以及低速段數據處理誤差)，可認為在該時段內3種直徑動量探針的測試結果一致，直徑大小對測試結果無影響或者影響甚微可忽略；第2測試時段的起始段速度曲線還較為一致，但隨著時間的推移，從15.4 μs左右開始，速度曲線呈現出明顯的直徑越小、速度越高的規律，與數值模擬結果的規律一致，因此可斷定動量探針的直徑小型化確實會使第2時段內的測速結果偏高，且直徑越小、誤差越大。以上實驗結果與數值模擬結果共同證明了直徑小型化對第1測試時段無影響，但會導致第2測試時段的測速結果偏高，且直徑越小、速度越高的結論。

將動量探針測速結果按照文獻[17]的方法進行密度反演，得到的空間密度分布與X光照相的典型時刻(18.177 μs)結果進行對比，如圖10和圖11所示，其中ρ0為Sn飛片初始密度，ρ為Sn飛片爆轟加載后產生的微層裂物質密度。

圖10 微層裂物質X光圖像Fig.10 Radiograph of micro-spall fracture

圖11 密度- 空間分布Fig.11 Density-distance distribution

由圖11可見；空間位置高于34 mm的3種動量探針其密度診斷結果的一致性高，與X光照相結果的穩合度較好；低于34 mm位置之后3種動量探針密度的診斷結果逐漸呈現直徑越小、密度越高的趨勢，與X光照相的結果相比較，只有φ20 mm的LiF晶體在空間位置大于30.5 mm段能夠基本穩合，其余兩種直徑LiF晶體密度的診斷結果都明顯偏高，且直徑越小、誤差越大。因此，小型動量探針測速曲線第1測試時段內的測試結果置信度高，可用于微層裂物質密度反演；第2測試時段的測試結果暫時只能定性地反映微層裂物質的發展演化趨勢，探針直徑與測速值之間的定量關系將是今后研究的重點。

4 結論

本文設計了一種適用于密閉狹小空間微層裂物質密度演化規律診斷的小型化動量探針，通過設計改進探針的傳感界面及保護膜結構，大大提高了微層裂物質診斷信號的穩定性和持久性，使高質量測試信號時長延長至3 μs. 結合數值模擬和驗證實驗獲得了以下結論：

1)小型化會導致探針被邊緣卸載的效應隨時間的推移越發顯著，第1速度峰值時刻之后測試時段的測試結果產生偏差，直徑越小、測速結果偏高越明顯，該時段的測試結果目前只能用于定性分析。

2)小型化探針邊緣卸載波受傳播時間和傳播衰減所限，對第1速度峰值時刻之前時段的測試結果無影響，可用于微層裂物質密度定量診斷。

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MiniMomentumProbeTechniqueforDiagnosisofMicro-spallFractureofMaterial

CHEN Hao-yu, HONG Ren-kai, CHEN Yong-tao, ZHANG Shi-wen, REN Guo-wu, MO Jun-jie

(Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, Sichuan， China)

O384

A

1000-1093(2017)09-1729-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.09.009

2017-01-02

國家自然科學基金項目(11472254)

陳浩玉(1983—)，男，助理研究員，碩士。E-mail: chenhaoyu_2004@126.com

洪仁楷(1982—)，男，助理研究員，博士。E-mail: 32984291@qq.com