低成本光电子设备，在爆炸物质的爆轰速度中又怎样的影响？

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文丨梧桐呜

编辑丨梧桐呜

前言

爆炸物质的爆轰速度VoD是一个重要的测量特征参数，在开发新的爆炸物质时，必须确定其VoD。用于测量VoD的设备在过程中总是被破坏的，替换这些设备在新爆炸物质的表征中代表着相当大的成本。

低成本VoD测量系统的设计和性能实现，其中两种使用光纤，第三种使用压电聚合物。使用常见的爆炸物质“B组分”进行了测试，这些新设备的成本仅为当前可用VoD传感器的一小部分，并且在实现可比较的精度方面显示出潜力。

新爆炸化合物

对新爆炸化合物的评估是其发展的重要部分，爆轰速度VoD测量是用于表征这些爆炸物质的一系列测试中的一部分，VoD是爆炸物质爆轰前沿在爆炸物长度方向上传播的速度。在高爆炸物的爆轰中，反应的能量由超音速冲击波供应，这个冲击波压缩了物质。

这与燃烧不同，燃烧的能量是由热传递提供的。高爆炸材料本身的反应会产生一个冲击波，它维持并加速冲击波的速度，直到达到平衡。一旦达到平衡，VoD将保持恒定，VoD的测量依赖于冲击波前沿或附近存在的几种不同效应。

在冲击波前沿的高压不连续性后面，是由于冲击波引起的分子键断裂而形成的电离粒子区域。在这些键的断裂以及稳定分子的再形成过程中，会发生光发射。压力、电离和光可以用作冲击波前沿通过的指示器，压电引线是测量VoD的一种被接受的方法。

确定恒定VoD 在高爆炸物的爆炸之后的短时间内可以实现恒定的VoD，这个恒定的VoD将是爆炸物的参数。它可以通过连续的VoD测量系统以及更简单的点对点VoD系统来测量，点对点VoD系统由离散数量的传感器组成。

这些传感器被放置在药柱的长度轴上已知的分离位置上，距离爆炸开始尽可能远，此时冲击波的速度应该已经稳定。通过测量冲击波从一个传感器传播到下一个传感器所需的时间，知道分离距离，可以计算出平均VoD。

光发射模型

一种关于冲击波引起光发射的已建立模型表明，冲击波压缩材料气体，材料加热。这种温度增加会在爆炸温度下产生连续光谱的发射，高温发射光谱类似于黑体辐射，总辐射功率为4PT，其中T为开尔文温度，热发光度还取决于材料的可压缩性。

相对于固体，气体将达到更高的温度，从而释放更多的光，它比固体更可压缩。假设为黑体辐射，可以使用普朗克的能量分布导出功率谱，P = 2hc^2/5 * exp(-hc/kt)，可以预测冲击波前沿的光强度。

根据DSTO的爆轰模型，爆轰前沿的温度约为4000K。在这个温度下的分布，对于大部分敏感区域的光电二极管300nm到1200nm的普朗克能量分布图进行积分，得出至少为8.8MW/m2的功率密度，形成最大光强度。

波存在许多使用压电材料测量冲击波前压力，对使用PVDF传感器进行冲击和爆炸测量，测量冲击波前压力的基础是压电效应。压电性是某些晶体在受力时能够电极化的能力，当它们经历机械应变时产生电压，这些材料被称为压电材料。

压电材料在静止时像正常的非导电材料一样是电中性的，当材料受到压力/力的影响时，冲击力晶体中正电荷和负电荷之间的对称性变得不平衡。电荷不平衡导致材料中的极化，该极化与应变的大小和力的方向成正比。

这种极化被视为材料上的电势差，电势差将与施加的力的大小成比例地变化，可以测量出压力的大小。在使用这种材料时，压电材料的极化方向也非常重要。

显示了材料静止时不同电荷的位置，电荷呈六边形排列。现在考虑沿x轴施加力 ，材料在水平方向向中心压缩，在中心有三个正电荷对抗三个负电荷以互相抵消，沿x轴没有电势差。考虑当力沿y轴施加时，材料被压缩，一端有两个正电荷，另一端有两个负电荷。

形成一个偶极子，在x轴上存在电势差。传感器阵列和传感器到示波器接口电路，这个接口电路是光探测电路，用于光学原型，PVDF原型的缓冲放大器。传感器阵列将在测试中被消耗，接口电路将安全地留在爆炸室外。

通过最大限度地减少每次测试中被破坏的材料和设备数量，可以将每次测试的成本最小化。在设备设计中采取了两种主要方法。从基本概念出发，这些方法得到了构建、测试、评估和逐步改进。

垂直安装的光纤，该传感器由垂直放置的1毫米核心聚甲基甲基丙烯酸甲酯光纤组成，光纤的末端与药柱接触。垂直性很重要，以确保可以将捕获的任何光追溯到位于传感器正下方的药柱的特定区域，使用直径大于正在测试的药柱的PVC管的钻孔横截面来固定光纤并保持已知分离。

光纤探头FOP由单根光纤组成，其中创建了多个空腔。这些腔体中的空气被冲击波压缩，使空气中的分子电离并发光，使用“厚”的1mm芯PMMA光纤钻有0.5mm直径的孔，形成腔体。防止光从除了腔体以外的地方进入光纤，保留了光纤的包层。

位于与爆炸物相邻的光纤末端被覆盖，通过熔融不透明的包层覆盖光纤表面，是为了防止光从除腔体以外的地方进入，使用金属盖的方法，光纤沿着带状电缆的槽位放置并粘贴。.

光电二极管电路

选择硅PIN光电二极管，其成本低且响应相对迅速。为了简化电压供应要求，光电二极管没有偏置，使用基于运算放大器的跨阻放大器，光电二极管电路的灵敏度由反馈电阻控制。设计适当的光最大功率很困难，这样的值没有得到很好的确定，光纤的各个界面的损耗不是很清楚。

使用通过迭代测试找到的值，可以用来衡量光纤和光电二极管对的光源的功率密度，可以达到饱和。在光进入光纤时损耗的准确估计和光退出光电二极管时损耗的准确估计，这些估计可能不准确到几个数量级。

需要一个缓冲输出级来驱动由于使用长同轴电缆而产生的大电容负载，这些电缆将爆炸室外的区域与测量记录的控制室相连接。

PVDF装置在两个PCB板之间夹入薄短的PVDF薄膜，PVDF薄膜由一层压电聚合物和制造在两个表面上的金属层组成。这一金属层提供了一个导电表面，从这个表面可以看到在压电材料上产生的电势差。

切割该薄膜可能会将这些层挤压在一起，上下电极短路。使用丙酮去除了金属涂层的一些区域。这些清洁传感器放置在PCB内，PCB上的金属导线与PVDF的相对两侧接触，通过恒定的压力提供所需的电连接，这些电路板被夹紧和粘合以保持此连接。

每个传感器都单独记录，传感器阵列通过RG-58同轴电缆与传感器到示波器接口相连接。通过螺丝连接器提供这个连接，这些螺丝连接器位于一个小Vero板上，单股导线将连接提供到电路板上。

将这个连接与电路板分开，电路板可以更平放在药柱表面上，使传感器更接近表面。在一对与单个传感器连接的线之间增加了额外的20 k电阻，以防止压电薄膜在“静止”状态下充当非导体时形成高电阻路径。

在距离较远的记录设备之前，通过基于运算放大器的放大器缓冲器缓冲传感器的输出在爆炸室外部。建造光纤到光电二极管耦合，光纤相对于光电二极管的定位，使其定位容易且准确，制造了一个“帽子”，这个帽子可以覆盖在光电二极管上，同时使光纤保持笔直，并在光电二极管的活动元件上居中。

这个帽子很容易由商业生产的螺纹尼龙间隔器制成，这通常用于将PCB固定在表面上并提升。这种尼龙间隔器的一个端部钻孔，以适应光电二极管，然后可以将光纤通过另一端，或者如果使用的光纤比螺母的内径细，孔可以钻入一个适合的塑料螺钉中，然后可以将其螺入螺母中。

电路被安置在接地的钢箱中，以保护电子元件免受外部电磁干扰。电源和电路板的信号连接通过插针和可拆卸插座进行，以便轻松维修和更换电路。电源通过可见的面板安装插座引入箱体，输出信号通过BNC插座安装带出。

在箱体中的“连接器”上钻孔，以便光纤与光电二极管相连接。箱体上的孔会允许高频干扰进入箱体，这不是一个问题，可以通过在现场使用箔纸来修复。

爆炸装置

爆炸装置包括雷管、助爆药和主药，主要药量分别为485克或550克，60/40 RDX/TNTB型组合。爆炸物被铸造和研磨成一个长250毫米，直径为38毫米或40.1毫米的圆柱形药柱，具体取决于药量的重量。

一个20.4克的PETN助爆药和一个爆炸桥丝雷管完成了装置，这种直径的B型组合的接受速度将为7800米/秒，变化范围为2%。这种变化是由于制造过程中准确成分的轻微差异，以及长时间存储而导致的成分变化所致。

测试中光学设备的响应显示出光强随着冲击波靠近传感器而逐渐增加，可以通过半不透明材料前方的冲击波前光的衰减传输。能够将指数曲线拟合到上升边缘，由于运算放大器的扫频率限制，这种指数拟合并不持续。

上升边缘可能更适合用线性曲线拟合，所有的下降边缘看起来都非常线性，可以归因于扫频率的限制。通过曲线拟合，外推被截断的峰值，可以从非理想数据中计算出平均VoD。

PVDF的响应包含相当多的噪声，其中一些噪声在传感器阵列的所有通道中都是共有的。来自两个传感器PVDF原型的一个通道的响应，可以看到的主要特征有EBW放电电流，引爆的开始是通过发送到EBW点火单元的信号来引发的。

当点火单元检测到这个起始脉冲时，会在2微秒后放电一个非常高的电压和大电流。测量设备示波器捕捉到由此产生的电磁干扰EBW蒸发，第一个峰是由于引线丝蒸发产生的电磁干扰。随着EBW引线丝的断裂，次级爆炸部分开始反应，这是引爆的开始。

传感器信号随着爆炸前沿沿着炸药的长度向下移动，它触发每个传感器逐步产生输出脉冲。在输出的峰值被归因于来自顶部传感器的响应，这是第一个与两个传感器通道共有的显著峰值。

它的出现时间大致正确，尽管这非常粗略，爆炸前沿在整个爆炸过程中以预期的VoD进行传播。线圈感应在冲击波经过传感器并在这个过程中破坏它们之后，同轴信号线将不再终止。这些未终止的线路将作为天线，捕捉爆炸和爆炸继续进行时的噪声。

使用完整的峰值，光纤探头可以取得良好的结果。使用曲线拟合的峰值来计算光学响应的VoD则会得到可变的结果，垂直原型数据被严重截断。为了减少到达光电二极管的光量，测试使用更薄的光纤来设计，在当前电路的灵敏度下，它没有输出。

每个设备制造了有限数量的传感器，在完整的设备中，将需要10个传感器。根据传感器阵列的估算成本进行缩放，垂直安装的PMMA光纤的更换成本为110美元，FOP为81美元，PVDF传感器为60美元。

结语

根据在这些实验期间的使用情况，FOP非常易于设置，零部件少，连接少。它相当耐用，在存储时占用的空间很小。垂直安装的光纤同样容易安装在药柱上，但需要进行更多的连接到电路，光纤与管段之间的连接在粗暴操作下可能会断裂。

它也相当笨重，基于PVDF的设备也相当耐用和紧凑，PCB与Vero板之间的焊接导线连接容易失效。与垂直安装的光纤一样，每个传感器使用的单独通道导致需要进行大量的连接，这可能非常耗时。

参考文献

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