混凝土靶内爆炸应力波测量方法研究

摘 要：为研究爆炸试验中靶内应力波传播规律的测试方法，设计PVDF压力传感器和碳阻式压力传感器进行试验研究。用环氧树脂对压力传感器接口及导线进行防水防潮密封处理，传感器安装用角铁做支架。为避免传感器结构对应力波传播的影响，将不同长度的角铁周向焊接在铁筒上，传感器用A、B胶粘接在角铁上。在混凝土圆筒靶中，距爆心不同距离周向布置6组应力波测点，埋设PVDF压力传感器和碳阻式压力传感器，进行2炮静爆试验。试验结果表明：两种传感器均测到应力波波形，PVDF压力传感器测试效果比碳阻式压力传感器测试效果好，在距爆点最近的测点，2种传感器的测试波形非常接近。

关键词：混凝土；靶内测试；PVDF压力传感器；碳阻式压力传感器

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）10-0025-04

Abstract： PVDF pressure sensor and carbon resistive pressure sensor are designed for test and research on test method of stress wave transmission law in target in explosion tests. Epoxy resin is used for the waterproof， damp-proof and sealing treatment of interface and wire of sensor and angle iron are used as a support for the installation of sensor. To prevent sensor structure affecting the transmission of stress wave， angle irons of different lengths are welded on the metal cylinder circumferentially and a sensor is bound on angle iron with A/B glue. In the concrete cylinder target， 6 groups of stress wave measurement points are circumferentially arranged at different distances from the explosion core and PVDF pressure sensor and carbon resistive pressure sensor are buried to have 2 shot blasting tests. Test results show that both sensors detect stress wave and the PVDF pressure sensor has better testing effects than the carbon resistive pressure sensor and they have very similar waveform at the nearest point to the explosion core.

Keywords： concrete； in-target test； PVDF pressure sensor； carbon resistive pressure sensor

0 引 言

混凝土材料广泛应用于抗爆防护结构、机场跑道、武器库、高速公路等重要军事和民用设施中，开展针对混凝土目标的侵彻爆炸效应研究具有重要价值。由于混凝土本构关系比较复杂，它既不是匀质材料，也不是线弹性材料，使研究冲击载荷作用下的混凝土特性响应存在着很多的困难[1-3]。

侵彻爆炸对混凝土和钢筋混凝土的破坏效果，国内外研究人员从理论模型、数值仿真以及实验研究几个方面已进行了大量的工作，并取得一定成果。Corbett[4]指出现有撞击问题的研究方法有理论方法、经验方法、数值方法和试验方法。其中，理论、经验和数值方法为近似预估方法，其预估的准确性还需要试验方法提供数据。但在混凝土浇筑和凝固过程中，对传感器的埋设、防水、防潮工艺要求极高，易使传感器方向发生变化，导致传感器失效或测试结果不准确，有效动态力学参数测试成功率很低。国内外学者也采用不同的方法对其进行了实验研究，J.K.Gran和D.J.Frew[5]研制了压阻式传感器，并将其预埋在混凝土靶体中，测试了侵彻过程中混凝土靶体中径向应力的响应特性。罗建华[6]在混凝土靶中埋设锰铜传感器测量弹丸侵彻时应力波，但文中未给出实测结果。

长期以来，由于混凝土的动态力学响应测试困难，人们掌握的有关动力学数据匮乏[7]，导致对混凝土的破坏过程及机理研究较少。随着混凝土工程结构研究的深入，逐渐提高了对侵彻过程中靶体力学响应过程的需求。因此，对混凝土靶中力学参数测试技术研究和提高数据测试成功率显得尤为重要[8]。本文设计了聚偏二氟乙烯（PVDF）压力传感器和碳阻式压力传感器，测试了炸药在混凝土靶中爆炸的径向应力波传播，获得了有效数据和传感器埋设方法，可为后续研究提供参考。

1 试验方法及测试系统

1.1 试验方法

制作2个直径2 m，高2 m的C35混凝土靶体，靶体外用厚3 mm的钢筒约束，靶体内沿径向埋设6组新研制的大量程PVDF压力传感器和碳阻式压力传感器，如图1所示，每个测点布置PVDF压力传感器和碳阻式压力传感器各一个。靶体中间预留1 m深的？准65 mm装药孔。7#靶装药300 g TNT，6#靶相当于600 g TNT当量的新研制炸药。炸药置于靶体中心并填埋后引爆。

1.2 测试系统组成

测试系统由传感器、恒流源电压信号调理器、电荷信号调理器和瞬态数据采集仪组成（如图2所示）。

采集仪型号：DH5960，通道数：32 ch，最高采样率：10 MHz/ch，带宽：0～1 MHz。

1.3 传感器设计

碳阻式压力传感器的测压原理是基于复合导电材料的压阻效应[9]。制作碳阻式传感器的敏感材料是一种电阻型复合导电材料，碳电阻材料受外力作用后阻值发生变化，其变化值与压力值成正比，经恒流源信号调理后转换为与压力成正比的电压值。

PVDF压力传感器工作原理：聚偏二氟乙烯薄膜具有极强的压电效应[10-11]，当其受压力作用时会输出与压力成正比的电荷量，经信号调理后输出与压力成正比的电压值。

根据岩土介质中压力测量的匹配理论，岩土介质压力传感器必须设计为扁平状结构，传感器的高径比（即传感器的厚度与直径之比）不宜大于1/3，依据此原则设计的碳阻式和PVDF压力传感器如图3所示。

碳阻式传感器主要由壳体、膜片、填料、碳阻式敏感元件和引线组成。碳阻式敏感元件通过填料和膜片密封埋置于壳体的腔体中，测量时压力通过膜片和填料传递到碳阻式敏感元件，引起其阻值变化。

PVDF压力传感器由壳体、PVDF薄膜、胶粘剂等组成，PVDF薄膜位于上下壳体中间，并用密封胶密封。测压时压力通过壳体传递到PVDF薄膜并产生电荷输出。

两种传感器壳体采用不锈钢材料，主要技术参数见表1。

2 传感器埋设

先用环氧树脂对压力传感器接口及导线进行防水防潮密封处理，传感器安装用角铁做支架，为了避免传感器结构对应力波传播的影响，按图1中测点位置，将不同长度的角铁周向焊接在铁皮圆筒上，传感器用A、B胶粘接在角铁上，传感器敏感面正对爆心。牢固后，浇筑混凝土。

3 测试结果

第1炮试验，7#靶，装药300 g TNT；第2炮，6#靶，装药600 g TNT当量新研制炸药。由于爆炸试验中混凝土靶内压力测量无数据可参考，第1炮试验对压力量程估计不足，大部分波形超量程削波。据第1炮测试结果对量程进行调整，第2炮试验测到了比较完整波形。表2、表3是测试数据。

图4、图5是测试波形，可以看出，总体上PVDF压力传感器的测试波形优于碳阻式压力传感器的测试波形。6#靶试验中，仅有距爆心415 mm处PVDF传感器异常，其他5个测点全部获得有效数据，碳阻式传感器获得了2个较好波形。图6、图7是两个靶距爆心最近测点的波形，距爆心220 mm处两种传感器测试波形的上升沿和峰值非常接近，PVDF传感器回零比碳阻传感器好。

4 结束语

在混凝土靶静爆试验中，通过在混凝土靶中埋设PVDF压力传感器和碳阻式压力传感器的方法，得到部分混凝土应力波响应曲线，对爆炸试验中靶内应力波测试进行了尝试。试验结果表明：PVDF压力传感器测试效果比碳阻式压力传感器测试效果好，600 g装药试验中，距爆心220 mm处两传感器测试波形较一致，但应力波归零效果不好，需后续试验对该问题做进一步研究。

参考文献

[1] 徐伟芳，张方举，毛勇建，等. 侵彻过程中混凝土靶体力学参量测试技术研究[C]∥第十一届全国冲击动力学学术会议论文集，2013（08）：66-69.

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[4] CORBETT G G， REID S R， JOHNSON W. Impact loading of plates and shells by free-flying projectiles： A review[J]. Int J Impact Engineering，1996（18）：141-230.

[5] GRAN J K，FREW D J. 射弹侵彻混凝土过程中动应力的量测与计算[J]. 李清献，译. 防护工程，1998，20（4）：91-99.

[6] 罗建华. 动能弹侵彻混凝土靶体的测试技术与数值模拟研究[D]. 太原：中北大学，2009.

[7] 郑应民，顾晓辉，王树有. 混凝土靶中炸测试方法研究[J].弹道学报，2003，25（4）：51-54.

[8] 段乐珍，徐国元. 爆炸应力波测试技术的研究[J]. 湖南有色金属，1999（3）：7-9.

[9] 余尚江，陈晋央，杨吉祥，等. 碳阻式混凝土压力传感器研制[J]. 防护工程，2015，37（3）：36-39.

[10] 蔡军锋，易建政，檀朝彬，等. PVDF压电传感器在爆炸冲击波测量中的应用[J]. 传感器世界，2005（3）：12-16.

[11] 余尚江，李科杰. 混凝土结构内冲击波应力传感器设计及其行为[J]. 爆炸与冲击，2005，25（4）：350-354.

（编辑：莫婕）