可識別微層裂前界面的階躍信號電探針測試技術*

文雪峰,王曉燕,王 健,洪仁楷,胡 楊,陳永濤

(中國工程物理研究院流體物理研究所,四川 綿陽 621999)

當沖擊波到達金屬表面并發生反射，可能會導致金屬表面發生物質噴射、破碎、熔化等現象，金屬表面出現物質顆粒大小、密度、速度等狀態分層的現象[1-2]，最典型的分層狀態為金屬表面呈現微噴射、微層裂、基體三層結構，如圖 1所示。對沖擊作用下金屬表面狀態的研究是沖擊物理、材料科學以及微細觀結構建模的熱門研究領域。在大多數基礎科學研究中，主要通過平面波加載實驗[3]對金屬表面狀態進行研究，在該類實驗中，金屬樣品結構相對簡單，容易實施各種測試技術，主要測試技術為Asay窗[4]和X光照相[5]，而在復雜結構裝置實驗中，常規的測試裝置大都難以適用。電探針測試技術[6-7]是目前測試金屬樣品表面隨時間運動的過程、研究沖擊動力學特性及校驗數值模擬程序的重要手段，具有時間測試精度高、工程適用性好和用于狹小空腔結構金屬樣品易布局等優點[8]。但是，在爆轟沖擊加載條件下金屬樣品前界面會發生微噴射現象的實驗中，若金屬前界面微噴量很小，基本保持平整密實狀態，脈沖信號電探針放電波形會呈現很好的單脈沖形狀；如果金屬前界面出現大量微噴物質，電探針將提前放電，由于不同的爆轟加載強度、金屬表面加工質量以及金屬材料特性，前界面噴射狀態差異很大，將導致脈沖信號電探針會出現多種不正常放電現象，因而難以獲取準確的時間信息。電探針放電狀態與爆轟加載下金屬表面物質密度狀態、氣體電離以及電探針系統回路均存在關系。唐敬友等[9]針對沖擊波加熱的氦氣和氬氣對電探針導通的影響進行了研究，給出電探針測試環境的保護氣體選擇方案。胡楊等[10-11]針對分布參數和絕緣性對電探針脈沖形成電路的影響進行了研究，相關機理認識較成熟，通過電路工藝控制相關問題也得到較好解決。王為等[12]、王翔等[13]針對輕氣炮實驗中電探針提前導通的現象開展了研究，認為微噴射物質接觸電探針產生的壓力低于20 GPa而導致電探針出現馳豫現象，并提出了寬脈沖網絡信號源技術。總的來說，對微噴射物質導通電探針產生不正常放電的機理認識還不夠清楚，對微噴射物質干擾下電探針無法進行時間測量的問題也沒有得到解決。本文中，針對微噴射物質作用下電探針放電機理開展研究，提出階躍信號電探針測試技術用以解決前述問題，使用階躍信號電探針測試技術實現對金屬表面微層裂前界面的識別。

1 傳統電探針不正常放電的機理

1.1 電探針測試技術原理

典型的電探針測試電路如圖2(a)所示，主要由4部分組成：電探針、長距離電纜、信號形成電路和信號記錄存儲示波器。忽略長距離電纜的寄生電感、電容、電阻參數，電探針測試電路可簡化如圖2(b)所示。圖2中RE為電源的電阻，Rp為匹配電阻，Rs為信號電阻，URs為信號電阻上的電壓。電路工作測試原理：金屬樣品與電探針測試系統相連接，電探針安裝至所需測點，不與金屬樣品接觸，電探針測試回路處于開路狀態，此狀態下電源E向電容C充電；金屬樣品被爆轟加載后運動，直至撞擊電探針末端，電探針測試回路短路，電容C開始放電，電阻Rs兩端產生電壓脈沖信號，在傳統正常測試應用中，脈沖信號的前沿起跳時刻則為被測金屬樣品表面到達電探針端部位置的時刻。

1.2 不正常放電機理

在常規的測試應用中，電探針測試系統產生的脈沖信號如圖3(a)所示，后文將傳統電探針統稱為脈沖信號電探針。然而，在具有微噴射現象的測試應用中，電探針出現不正常放電波形，如圖3(b)所示，其主要特征有多次放電、信號波形畸變。

爆轟加載下，若金屬樣品表面出現微噴射現象，噴射出的微小顆粒物質提前接觸到電探針末端，其仍具有使電探針測試回路導通的能力，導致電探針提前放電，但相較于金屬樣品密實物質界面其導通特性差。微噴射物質的狀態不同，其導致電探針的導通狀態也不同。從圖3(b)的信號多次起跳得出微噴射物質多次開關電探針的特性,電壓信號幅值階梯上升的特征反映出微噴射物質導通電阻由大逐漸變小的特性。那么當金屬樣品密實物質界面到達電探針末端，電阻達到最小，電探針保持持續接通狀態。因此，微噴射物質在電探針導通回路中可采用一個開關K和一個可變電阻Rx串聯的機理模型(后稱該模型為K+Rx模型)進行模擬，如圖4(a)所示。

脈沖信號電探針測試技術的信號形成電路的蓄電電容C取值較小，幾乎只能夠存儲滿足形成一次正常脈沖信號的電能，脈沖信號寬度約為100 ns，而微噴射物質影響電探針時間可長達2 μs。電探針在探測到金屬樣品密實物質界面前，蓄電電容C電壓下降，甚至可能已經將存儲的電能釋放完畢，脈沖信號電探針就無法很好地響應金屬樣品密實物質界面，更難以從中解讀被測物的電阻變化信息。

2 階躍信號電探針測試技術

2.1 階躍信號電探針測試技術原理

為了使電探針能夠克服微噴射物質的影響，提出采用恒壓源代替傳統信號形成電路中小電容的改進方案，電路如圖4(b)所示：一方面，使電探針具有長時間放電能力，具備深入微噴射物質層并用以識別金屬樣品密實物質界面的測試能力；另一方面，使電探針的放電電壓恒定，從而可從電探針放電電壓信號的幅值URs變化觀察被測物質的電阻Rx變化。采用恒壓源設計思路后，在受到密實金屬界面撞擊時，電探針的信號為階躍信號。因此，將改進后的電探針測試技術稱為階躍信號電探針測試技術。

2.2 階躍信號電探針測試技術電路設計

設計難點：由于爆轟加載下金屬樣品撞擊電探針的速度很快，時間測量精度需要達到納秒量級，微噴射物質的狀態變化時間也在亞微秒量級，因此需要設計具有高頻響應特性的恒壓源。電容具有高速的放電能力，但是存儲能量有限，若電容選取過大，受工藝限制，電容自身的寄生電感將增大，會降低其高頻特性。

解決方案：提出大小雙電容并聯電路設計方案，如圖4(c)所示，大電容用于保證充足的電荷容量，小電容用于保證放電回路良好的高頻特性。大電容C1容值計算方法：電探針不正常放電時間大都在亞微秒時間內，保證一定裕量，選取蓄電電容所需的恒壓時間Tc為2 μs，在恒壓時間內電壓下降在1%以內，根據公式:

(1)

則可算出C1為2 μF，式中Rp和Rs取值50 Ω，Rx取其可能小值為0 Ω,電容電壓的變化與電容初始電壓的比值ΔVC/VC0)為0.01。小電容C2容值選取與脈沖信號電探針所使用電容一樣，一般為510 pF。

3 實 驗

3.1 實驗方案

錫屬于低強度、低熔點材料，在一般爆轟加載條件下，其前界面會產生微噴射、微層裂現象，因而選擇錫金屬作為實驗樣品材料開展爆轟實驗。同時采用脈沖信號電探針測試技術和階躍信號電探針測試技術對金屬表面狀態進行測試，對比2類電探針系統的響應特性。爆轟加載實驗裝置如圖5所示，使用外形尺寸為?25 mm×30 mm的JOB-9003高能炸藥加載錫金屬樣品，錫金屬樣品表面粗糙度為0.8 μm，樣品尺寸為?25 mm×4 mm。脈沖信號電探針和階躍信號電探針軸對稱布局，實驗中聯合使用X光獲取錫材料前界面物質狀態分布，標定考核階躍信號電探針的響應特性。

3.2 實驗結果

實驗中獲得的理想脈沖信號電探針波形和階躍信號電探針波形對比如圖6(a)所示，可見階躍信號電探針波形的前沿上升速度與脈沖信號電探針波形的前沿上升速度一致，階躍信號電探針測試技術仍具有高頻響應的優點。

在爆轟實驗中，2類電探針信號均受到微噴射物質的影響。絕大多數脈沖信號電探針出現不正常放電波形，難以識別金屬樣品密實物質界面的到達。相比來說,階躍電探針信號存在高電平階躍信號特征，可識別微噴物質對信號的影響部分和密實物質界面的到達。典型的脈沖信號電探針和階躍信號電探針對比測試波形有如下3類。(1)多次放電波形， 如圖6(b)所示：階躍信號電探針出現2次放電，第2次放電出現完整的階躍信號，表示金屬樣品密實物質界面的到達；而脈沖信號電探針出現1次脈沖信號，在金屬樣品密實物質界面到達后，脈沖信號電探針放電基本完畢而不能再次產生脈沖信號，采用脈沖信號電探針則會誤判金屬樣品的密實物質界面到達時間。(2)電信號階梯上升，如圖6(c)所示：階躍信號電探針信號的電壓呈現階梯上升，并最后達到最高電平，表征金屬樣品密實物質界面的到達；而脈沖信號電探針則出現多次放電現象，無法有效識別金屬樣品密實物質界面的到達。(3)高速微噴射物質導通，如圖6(d)所示：階躍信號電探針和脈沖信號電探針均出現了多次放電現象；階躍信號電探針最后出現了明顯區別于前段瞬間放電脈沖信號的階躍信號，表征金屬樣品密實物質界面的到達；而脈沖信號電探針出現多次相似的脈沖信號，無法識別金屬樣品密實物質界面的到達。

3.3 階躍信號界面信息解讀與時間提取

電探針放電回路如圖7所示，包含金屬樣品物質主體部分，表明電探針出現放電信號的時刻所接觸的物質,必然是通過其后方物質保持連接或部分連接的狀態,一直到主體部分，那么電平信號的出現，表征電探針此刻響應的物質與主體相連。

選取2個異常放電信號，可提取出2個具有明確物理意義的界面信息，如圖8所示。界面1為出現電平信號的時刻，是與主體連通保持一定接觸的物質前界面，可作為噴射物質后界面；界面2為高電平穩定開始時刻，是密實物質界面，可作為微層裂前界面。那么界面1與界面2之間的區域就是一個微噴射與微層裂過渡的區域，也就是微噴射物質增長但尚未完全脫離或正在脫離微層裂前界面的關鍵區域。

考慮到長距離電纜給信號帶來的前沿變緩影響，先通過理想實驗獲得密實物質撞擊電探針時電探針響應的標準波形；然后，將實驗測試中獲得的階躍波形與標準階躍波形的高電平穩定的起始時刻進行重合，對標準階躍波形的突變時間進行判讀，讀數即為階躍信號高電平表征的密實物質界面到達時間信息，如圖9所示，依照此方法，讀取界面到達時間為26.31 μs。按照此解讀方法對所有測點階躍信號時間信息進行判讀，并修正初始時刻，得到錫金屬樣品從起跳到到達探針端面的時間信息測試結果，如表1所示。

表1 階躍信號電探針時間測量結果Table 1 Time measuring results of step signal electric probe

利用X光機獲取爆轟加載后金屬樣品在13.2和22.5 μs時刻的運動狀態，經過密度反演計算獲得物質體密度分布圖像如圖10所示。電探針界面距Sn樣品上界面25 mm的6根階躍信號電探針出現階躍信號的響應時間與X光機響應時間一致，得出階躍信號響應位置如圖10(a)所示。電探針界面距Sn樣品上界面40 mm的6根階躍信號電探針出現階躍信號的響應時間平均值為21.2 μs，探針測試物質的運動速度約為1.86 mm/μs，將電探針測試時間與X光照片時間對齊，探針界面需要向后移動1.86 mm/μs×(22.5-21.70) μs=1.49 mm，得出階躍信號響應位置如圖10(b)所示。實驗結果表明,電探針信號中的階躍信號高電平響應時刻對應于微層裂前界面。

4 總 結

提出了基于雙電容恒壓源設計的階躍信號電探針測試技術,開展爆轟實驗驗證了階躍信號電探針測試技術能夠識別微噴射物質的干擾和金屬樣品微層裂前界面，解決了脈沖信號電探針受微噴射物質干擾無法進行時間測量的問題；制定了階躍信號電探針信號解讀方法，爆轟實驗中聯合X光測試技術，驗證了階躍信號電探針階躍信號的出現時刻對應于金屬樣品微層裂前界面的達到時刻。階躍信號電探針測試技術具有小型、低廉和用于復雜結構金屬樣品易布局的優點。

[1] CHEN Yongtao, HU Haibo, TANG Tiegang, et al. Experimental study of ejecta from shock melted lead[J]. Journal of Applied Physics, 2012,111:053509.

[2] DURAND O, SOULARD L. Power law and exponential ejecta size distributions from the dynamic fragmentation of shock-loaded cu and sn metals under melt conditions[J]. Journal of Applied Physics, 2013,114:194902.

[3] BUTTLER W T, ORO D M, OLSON R T, et al. Second shock ejecta measurement with an explosive driven two-shockwave drive[J]. Journal of Applied Physics, 2014,116:103519.

[4] HOLTKAMP D B, CLARK D A, FERM E N, et al. A survey of high explosive-induced damage and spall in selected metals using proton radiography[C]∥Shock Compression of Condensed Matter, 2003:477-482.

[5] 張崇玉,胡海波,李慶忠,等.柱面內爆驅動下鉛飛層對碰區動載行為實驗研究[J].高壓物理學報,2013,27(6):884-886.

ZHANG Chongyu, HU Haibo, LI Qingzhong, et, al. Experimental study on dynamic behavior of the collision region of lead tube driven by cylinderical implosion[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2013,27(6):884-886.

[6] 黃正平.爆炸與沖擊電測技術[M].北京:國防工業出版社,2006:71-106.

[7] 金山,陳永濤,湯鐵鋼,等.多點激光干涉測速系統和電探針技術在飛片速度測量中的應用對比[J].高壓物理學報,2012,26(5):571-576.

JIN Shan, CHEN Yongtao, TANG Tiegang, et al. Comparison of multi-channel visar and electric probe technology in measuring free-surface velocity of metal flyer[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2012,26(5):571-576.

[8] 孫永強,何智,王珺.一種高精度爆速測量方法[J].含能材料,2012,20(3):329-332.

SUN Yongqiang, HE Zhi, WANG Jun. a precision experiment method of measurement detonation velocity[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2012,20(3):329-332.

[9] 唐敬友,伍紹珍,王藩侯,等.沖擊波加熱的氦氣與氬氣對電探針導通的影響[J].高壓物理學報,2000,14(4):285-290.

TANG Jingyou, WU Shaozhen, WANG Fanhou, et al. The effect of shock heated gaseous helium and argon on pin shorting[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2000,14(4):285-290.

[10] 胡楊,胡美娥,張宇紅,等.分布參數與絕緣性變化對脈沖形成網絡的影響[J].高能量密度物理,2014(2):62-67.

[11] 胡楊,胡美娥,陳永濤,等.分布參數與絕緣性對電探針脈沖形成電路影響淺析[J].測控技術,2015,34(8):5-11.

HU Yang, HU Meie, CHEN Yongtao, et al. Effect of distribution parameter and insulativity on electric probe pulse-generating circuit[J]. Measurement & Control Technology, 2015,34(8):5-11.

[12] 王為,王翔.二級輕氣炮發射過程中前沖氣體的初步研究[J].高壓物理學報,2004,18(1):94-96.

WANG Wei, WANG Xiang. Research on the precursor gas accompanied with the launch of two-stage gas gun[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2004,18(1):94-96.

[13] 王翔,賈路峰,傅秋衛,等.寬脈沖網絡信號源及應用[J].高壓物理學報,2005,19(3):279-283.

WANG Xiang, JIA Lufeng, FU Qiuwei, et al. Broad pulse forming circuit and its application[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2005,19(3):279-283.