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1、第21卷第5期实验力学Vol.21No.52006年10月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSOct.2006文章编号:100124888(2006)0520547206应变式压杆压力传感器3在冲击波载荷测试中的应用1,22222胡永乐,林俊德,金飞华,石培杰,胡昊(1.浙江大学机械与能源工程学院,杭州310027;2.西北核技术研究所,陕西西安710024)摘要:在近区爆炸冲击波载荷测量中,压电式压力传感器因上升时间短且强度高的高频压力脉冲作用而可能产生疲劳和过载失效。本文根据应力波在细长圆柱弹性杆中的传播特性,设计了一种应变式压杆
2、压力传感器,当圆柱杆的一端受到压力波作用时,产生的弹性应力波沿杆轴向传播,通过测量杆的轴向应变可计算出杆中传播的应力波,从而得到作用在杆端的压力波。为了检验压杆压力传感器的性能,采用一个厚壁圆柱形爆炸容器,并将传感器安装在容器壁面不同位置上,测量中心装药产生的爆炸冲击波载荷,经反复试验,结果表明这种传感器性能是稳定可靠的。关键词:冲击波载荷;应变式压杆压力传感器;爆炸容器;测试系统中图分类号:O384文献标识码:A0引言在爆炸容器研究中,作用在容器内壁面的冲击波载荷参数是研究其结构动力响应和进行强度分析[1-2]的基础,研究表明,载荷特征(如峰值、上升时间、
3、持续时间等)对结构响应有明显的影响,因此获得比较准确、可靠的爆炸容器内壁上作用载荷的时间历程及分布情况,对研究结构动力响应非常重要。冲击波载荷测量常用方法有压电法和压阻法,大量的实验表明,目前许多国产压电式压力传感器频率响应低,抗电磁脉冲干扰能力差,且在测量近区爆炸冲击波载荷时,因高频压力脉冲和伴随的高强光热作用[3]容易损坏,导致测量结果可靠性差和实验成本较高。孙晓明、黄正平等研制的一种由压电敏感元件和声吸收杆等组成的压力传感器虽然克服了普通压电式压力传感器频率响应低的缺点,但由于使用压电陶瓷作为压电敏感元件而传感器容易损坏,为此,本文设计了一种适合近区爆
4、炸冲击波载荷测量的应变式压杆压力传感器,获得了比较满意的测试效果。1爆炸冲击波测量的应变式压杆压力传感器的设计爆炸波近区压力上升时间极快,压力可达1000MPa以上,采用一般的压电传感器会引起严重的波形失真。通常的压电传感器作为集中参数看待,简化为一个质量、阻尼和刚度的单自由度二阶线性系统,当一个外加的压力作用于压电传感器时,把它作为一个刚体看待,认为压力均匀地、立即地加在压电敏感元件的各部分,就像加在一点上。而爆炸冲击波压力变化极快,加之于传感器一个端面上,使端面先发生变形,通过应力波传递压力作用;但应力波在固体中传播速度是有限的,冲击波压力可能已经消失,
5、应力波尚未传遍敏感元件全部。因此,集中参数系统认为压力均匀分布于敏感元件各处的假设显然3收稿日期:2005211217;修订日期:2006205221通讯作者:胡永乐(1965-),男,浙江大学博士生,西北核技术研究所副研究员,从事结构抗爆性能研究。©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net548实验力学(2006年)第21卷是不合理的。应变式压杆压力传感器放弃了集中参数假设,作为一个分布参数系统,考虑了不同位置处应
6、力波不同。应变式压杆压力传感器的基本原理是:已知压力作用在细长杆的一端,它在杆内引发一个沿杆传播、由纵波组成的弹性应力波,在杆的某处对此应力波进行测量,记录下它随时间的变化,根据弹[4-5]性应力波在杆中传播的规律,就可以推断出作用在杆端部的压力随时间的变化。1.1应变式压杆压力传感器的测压原理细长杆中纵波的波动方程为:225u25u2-c02=0(1)5t5xE式中,x为细长杆横截面微元的坐标;u为微元的位移;c0为纵波传播速度,c0=,E为杆材料的弹性ρ模量,ρ为杆的密度。根据偏微分方程理论,波动方程(1)的解为:u=f(x±c0t)=f(ξ)(2)质点
7、速度v、应变ε和应力σ分别为:5uv==±c0f′(ξ)(3a)5t5uε==f′(ξ)(3b)5xσ=Eε=Ef′(ξ)(3c)可见质点速度、应变和应力也都以波速c0沿杆传播。波动方程(1)有一特解为正弦波,λi为其波长2πjλ(x-cit)(4)ui=ui0ei它表示沿x方向传播的正弦纵波,显然,波长和波的传播速度无关。根据傅立叶分析方法,任意形状的波都可用它的正弦分量的叠加来表示:∞2πjλ(x-cit)(5)u=∑ui0eii=0如果均匀的细长杆的直径远小于波长时,各正弦分量的传播速度相同,那么式(5)叠加的波形不会发生畸变,即任意应力波在传播过程形
8、状不会改变,同时应力将均匀分布在杆的横截面上,这就是
