瞬态测试实验室实验指导书

实验一. 冲击大电流装置的使用与参数测量

实验二.爆轰波波速测量

实验三. 一维长杆的动态破坏

实验四.  空中冲击波传播特性

实验五 . 高速摄影图象判读与数据处理

实验六 . 爆炸成形

实验七.  水中爆炸冲击波压力测量

实验八.暗室技术（选做）

实验指导书下载（  1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5， 6， 7  ）

一 实验名称：冲击大电流装置的使用与参数测量

二 实验目的：学习冲击大电流装置的电路组成；掌握装置的操作方法和放电电流、

            牢固掌握安全操作规程。

三 实验内容：1. 冲击大电流装置的充电与泄放。

            2. 冲击大电流装置的充电与通过金属丝的放电爆炸。

            3. 放电电流、电压波形的测量。

          4. 放电电流、电压波形的数据采集、存储和打印。

          5. 计算放电回路参数

四 实验设备：冲击大电流装置、同步高压脉冲发生器、数字式记忆示波器等

装置示意图

五 实验步骤：

1. 对照装置图，认识装置的主要部件，了解其性能和使用方法。                            

2. 进行充、放电操作。在放电室先在电极两端焊接一段金属丝，将隔离间隙调至5毫米，在控制室给电容缓慢充电至10千伏（通过高压静电电压表读数），泄放。再在放电室将隔离间隙调至7毫米，在控制室给电容缓慢充电至15千伏（通过高压静电电压表读数），泄放。

3. 当上述步骤正常完成后，准备丝爆炸实验:

   3.1 检查高压同步脉冲。

    预热高压同步脉冲发生器10分钟后，给高压同步脉冲发生器充电至10－15kv按下触发按钮，高压指示回零，产生高压同步脉冲。在放电室的隔离间隙处可观察到很小的电火花。此时，严禁触摸高压同步信号电缆和放电回路的任何部件!检查结束后立即关断高压同步脉冲发生器电源。

    3.2放电电流、电压波形的测量准备

    将分压器、电流测量线圈的信号电缆分别接至示波器的两个通道，灵敏度设为1－5伏/格，水平刻度设为20－50微秒/格；选择电流信号为触发信号，上升沿、单次触发、触发电平设为50－300毫伏。注意：分压器的公共端必须接在放电回路之外的接地点。

    3.3 检查电极两端金属丝是否完好，若不好，应重新焊接一段金属丝。

 4．全体人员离开放电室，关好放电室的门。

 5．同步骤1. 给电容充电至10千伏。注意观察示波器是否被误触发。

 6．同步骤3.1，在充电至10kv时按下触发按钮，产生高压同步脉冲。听到爆炸声后立即关断高压同步脉冲发生器电源开关。

 7．进入高压室，用放电杆给电容放电。

 8．微机运行wavestar，提取示波器记录的波形，存盘并打印。

9. 重复进行丝爆炸实验使电容充电分别为7 kv、15kv，记录放电电压、电流波形

10．参数测量

   10.1电压测量

设分压比为k(本次实验为2000)，低压臂的电压为ui(t),则放电电压为：u(t) = k ui(t)

10.2 电流测量

设电流测量线圈的匝数为N(本次实验为1000)，信号电阻R(本次实验为0.43Ω)上的电压为uR(t)，电容的放电电流为：

I(t) = N uR(t)/R

10.3回路参数测量

设放电振荡的周期为T ，衰减系数为β ，分布电感为L ，分布电阻为R，电流最大值为Im(t) ，由回路基本关系式可推导出：

L = ;       β = ;        R =2βL

11. 数据表

Uc(kv)

T(μs)

Im(kA)

L(μH)

R(Ω)

β(μs-1)

7kv

10kv

15kv

 六 实验报告要求：装置概况，丝爆炸实验的步骤，放电电流、电压波形图及峰值、周期分布电感、分布电阻、衰减系数、放  电脉宽等参数。操作时注意事项。

       实验二.  爆轰波波速测量

一 实验名称：爆轰波波速测量

二 实验目的：1练习扫描高速摄影机的操作﹑使用。

             2掌握扫描摄影原理及摄影参数选择。

             3掌握测量一维运动速度的方法。

三 实验内容：用高压放电产生的电火花引爆导爆管，用高速扫描摄影机拍摄爆轰波发光

             前沿的轨迹，由此计算出爆轰波波速。

四 实验设备：冲击大电流装置、同步高压脉冲发生器、ＣΦＰ高速扫描摄影机等

五 实验步骤：

１．使ＣΦＰ转镜高速扫描摄影机工作在扫描状态并将摄影箱调水平。

２．确定传感器角度。　具体作法：将高压同步脉冲发生器的输出电缆接至火花板两端，在预定的转镜转速下运行ＣΦＰ相机。在黑暗中观察摄影箱的观察窗口是否能看到电火花，若观察不到，调整传感器的角度直至电火花的位置合适为止。操作ＣΦＰ相机方法见附录。

３．在铅垂方向上固定导爆管。

４．将冲击大电流装置的负载端分别接上一段漆包线，端部绞在一起，用剪刀剪去一段，露出金属部分，插入导爆管的一端约4cm处.。

５．摄影箱调焦。取下电磁快门，转动转镜，先用狭缝部件的光孔调节视场，对导爆管调焦。然后换成狭缝，微调摄影箱使狭缝与导爆管重合。调节狭缝的位置使焦平面上观察到清晰的狭缝及物象。检查摄影箱是否水平，调至水平状态。

６．装上电磁快门，安装胶卷，关灯，全部人员撤出放电室。

７．相机控制部分准备工作，按预定扫描速度（７５０米／秒）设置拍摄时的转镜周期（4000微秒）﹑快门开启时转镜周期（5000微秒），高压同步脉冲发生器高压充至10－15kv。操作ＣΦＰ相机方法见附录。

８．操作冲击大电流装置。隔离间隙的距离调至１．５mm左右。待充至预定电压（３kv）,停止充电。

９．启动高速摄影机，缓慢向右旋转电机转速旋钮，使转镜转速逐渐增加，到达预置值时，显示静止，高压触发脉冲使冲击大电流装置放电，引爆导爆管，拍摄完毕。

１０．       进入放电室，用放电杆放电，卸下胶卷并冲洗。

１１．       拍摄标尺静止象。在导爆管近处、铅垂方向上固定钢板尺，用狭缝部件的

        光孔调节视场，使钢板尺的像位于中部。转动转镜，使像位于胶片的尾部。

        安装胶卷，第一次拍摄曝光15秒；使胶片往前移动一小格，拍摄第二次

        曝光20秒；第三次拍摄曝光25秒。卸下胶卷并冲洗。注意，此时的光路

        布置应与拍摄导爆管爆轰时完全相同。

１２．       用kodak 胶片数据扫描仪将扫描图象及标尺静止象输入微机。

１３．       判读胶片，计算爆速：V=Vs/β*tgφ  其中： Vs-扫描速度；β-横向

        放大率，由测量标尺静止象得到；φ：轨迹与t方向夹角，由测量导爆管

        扫描图象得到。

六 实验报告要求

  列出完整的数据表，给出所有原始数据及实验结果并讨论误差。

附录：举例说明转镜扫描高速相机操作

一.拍摄频率﹑扫描速度与转镜周期对应表

转镜周期T(微秒)

拍摄频率ν（104fps）

 扫描速度  Vs (米/秒)

4000

      12.5

750

2000

      25

1500

二.设置操作举例:  设开快门及拍摄时刻的转镜周期分别为5ms和4ms

按Key1,使小数码管显示1,为拍摄时刻的时转镜周期.

1

0

0

0

0

0

2.连续按Key2四次, 使显示为:

1

0

0

0

0

4

3.按Key3确认. 按Key2一次,进一位；连续交替按Key3 和Key2使

显示:

1

0

4

0

0

0

4.按Key3. 拍摄时刻的转镜周期设置完毕.

5.按Key1, 使小数码管显示2, 为开快门时转镜周期.

2

0

0

0

0

0

6.连续按Key2, 使显示:

2

0

0

0

0

5

按Key3,  显示:

2

0

5

0

0

5

快门开时的转镜周期设置完毕。

7连续按Key1, 检查1﹑2的数据是否正确。

若正确, 连续按Key1, 使显示:

6

0

0

0

0

0

   即可进行拍摄.

三.拍摄步骤: 接上述步骤7，电机转速旋钮逆时针旋到底。

 1.高压同步脉冲发生器预热10分钟以后,充电至10－15kv。

2.主电控箱背部“工作”、“检验”开关在“工作”位置。

 3.按“启动”按钮, 再按下Key3, 使显示为:

-

0

0

0

0

0

沿顺时针缓慢旋转电机转速旋钮, 数码管动态显示转镜周期。

 5.显示周期到达开快门的值, 快门“开”指示灯亮, 显示周期到达拍摄时刻的值, 符合脉冲给出同步信号给高压同步脉冲发生器., 产生高压同步脉冲引爆被摄现象,快门关闭, 电机电源被切断, 数码管显示拍摄时刻的转镜周期值(μs),  拍摄过程即完成。

四 检验

1.主电控箱背部“工作”、“检验”开关在“工作”位置。

连续按Key1, 使小数码管显示7,

7

0

0

0

0

0

按下Key3, 主电控箱即有同步信号输出,可用于检验高压同步脉冲。

实验三. 一维长杆的动态破坏

一 实验名称：一维长杆的动态破坏

二 实验目的：熟练掌握冲击大电流装置的操作和冲击大电流的电压、电流波形测量；学习数字高速摄像系统的使用；掌握一维长杆的动态破坏不同于静态破坏的特点。

三 实验内容：用冲击大电流形成平面冲击波，给一维石膏长杆的一端加载，用数字高速摄像机记录、观察一维石膏长杆的动态破坏过程，测量飞片的长度和速度。

四 实验设备：冲击大电流装置、数字记忆示波器、数字高速摄像机、石膏长杆

五 实验步骤：

1制作试件。见图1，用附着在坚固平面的金属箔制作平面波加载头，将石膏长杆的一端磨平，把金属箔连接为冲击大电流装置的负载，将石膏长杆吊起成水平放置。石膏长杆的附近放置标尺。

2设置数字高速摄像系统。颜色深度：黑白 8位；分辨率：512×512象素：拍摄频率：1000幅/秒；触发：外触发（用电流波形触发）；详见摄像系统说明书。

3设置数字记忆示波器。详见实验一。

4摄像系统的调焦。在控制室对石膏长杆调焦，使摄像系统的光轴与石膏杆垂直；石膏杆的自由端处于画面中部。画面中必须包含标尺的像。

5操作冲击大电流装置。充电电压15千伏；隔离间隙5毫米；触发后金属箔爆炸，石膏长杆破坏，其破坏过程由数字高速摄像系统记录。

6进入放电室，用放电杆放电，收集石膏碎片，找到第一次飞片，测量其长度。

7重放高速摄像的画面，将第一次飞片断裂的全过程下载至硬盘。

8测量飞片的速度。详见实验五。

9将冲击大电流装置的电容改为180微法，充电电压4.5千伏，重复以上步骤。

六 思考题

1一维长杆的动态破坏与静态破坏的特点有何不同？其原因是什么？

2两次实验的电容储能大致相同，飞片的长度和速度有何不同？结合两次实验的

电压、电流波形，可以得出什么结论？ 

3试讨论第一次飞片的长度与哪些因素有关？

                 图1     试件示意图

            实验四.  空中冲击波传播特性

一 实验名称：空中冲击波传播特性

二 实验目的：练习分幅高速摄影机的操作﹑使用；掌握纹影仪测量原理、调节方法以及

             高速纹影摄影系统的调节方法；掌握空中冲击波速度的测量。

三 实验内容：用冲击大电流通过金属丝产生空中（水中）冲击波，用高速纹影摄影记录

             冲击波在不同时刻的波阵面，从而测量出冲击波波速。

四 实验设备：冲击大电流装置、同步高压脉冲发生器、转镜分幅高速摄影机、纹影仪、

             附加光学系统等

五 实验步骤：

                               装置示意图

1按照实验一的方法连接爆炸丝至冲击大电流装置，电阻分压器、电流互感器至波形测量  

 并同样设置波形测量仪。

2调节纹影仪与附加透镜。用碘钨灯作调节光源。先使光源的狭缝象位于反射镜的焦点

 上得到平行光，在平行光的焦点处放置刀口（连同附加透镜 I ），观察到明显的纹影现

 象后再使纹影仪的光斑与分幅高速摄影机的第一物镜同心且直径稍大。在刀口与摄影

 机之间放置附加透镜 II 使光源的狭缝象成像于高速摄影机的 一个入口光阑。

3调节高速摄影机。按照实验三的方法调节高速摄影机的水平和传感器角度。转动高速摄

  影机的方位使其光轴与两个附加透镜的光轴相重合，拆掉高速摄影机的电动快门，在

  其焦平面上应能观察到纹影仪的视场。若观察不到应反复检查是否光轴重合、光源的

  狭缝象是否成像于高速摄影机的一个入口光阑直至观察到纹影仪的视场。

4设置参照物。在爆炸丝附近安放一球形或圆柱形参照物，使它位于纹影仪视场的边缘。

5安装脉冲光源。移去碘钨灯，在相同位置上安装脉冲氙灯。氙灯的两极与脉冲电容相连，

  氙灯的触发极与冲击大电流装置隔离间隙的触发极相连。

6安装高速摄影机的电动快门后装胶片，连接高压控制箱的输出电缆至隔离间隙的触发

  极，用直流高压电源给氙灯的脉冲电容充电至500伏，停止充电。

7 所有人离开放电室，关好门。

8 设置高速摄影机主电控箱参数。拍摄时转镜周期：2000微秒；快门开转镜周期：4000 微

  秒 其余参数忽略。详见高速摄影机主电控箱操作说明。

8按照实验一的方法操作冲击大电流装置。充电电压：1.5－2.0千伏。

9按照高速摄影机主电控箱操作说明启动高速摄影机，当转镜周期达到4毫秒时，快门开

  指示亮；当转镜周期达到2000微秒时，主电控箱产生同步信号触发高压控制箱产生高压触发脉冲使冲击大电流装置的隔离间隙导通，产生冲击大电流使爆炸丝爆炸，脉冲氙灯闪光，同时高速摄影机电机电源被切断，显示拍摄时转镜周期的精确值，拍摄完成。

10进入放电室，用放电杆放电，取下胶片，冲洗。

11图象判读与数据处理。详见实验五。

六思考题

1 刀口在纹影仪中起什么作用？调节的方法如何?

2 高速纹影摄影系统中光源与物体是同时调焦的吗？光源调好后若物体不能清晰成像，

  怎么办？

3 如果想要拍摄冲击波遇障碍物的反射情况，高速摄影机的传感器角度应如何调节？

七 实验报告要求

按实际情况画实验装置简图，简述实验步骤。给出冲击波传播的序列高速纹影图象和

R-T曲线。

实验五 . 高速摄影图象判读与数据处理 

一 实验名称 高速摄影图象判读与数据处理

二 实验目的 练习底片扫描仪及图象处理软件的操作﹑使用；掌握高速扫描、分幅摄

影图象的判读与数据处理原理和方法。

三 实验内容 用扫描仪将高速扫描、分幅摄影图象输入微机，用图象处理软件进行图象判读与数据处理。

四 实验设备 RFS 3600快速底片扫描仪  微机

五 实验材料 实验三所摄高速扫描摄影底片和实验四所摄高速分幅摄影底片。             

六 实验步骤

1打开微机和扫描仪电源，打开Photoshop.

2打开扫描窗口：从Photoshop文件File菜单的子菜单输入 Import中选择

               TWAIN-32 Source。

3在扫描用户界面settings 中选：黑白底片、底片类型、显示器类型、输出设

                          备、颜色深度8比特、锐化程度（通常为关）。

4预览单张图象：

（1）    在扫描仪的送片口插入清洁的底片条，从视窗观察，按动后退或前进按钮，选择所需图象。也可以在扫描仪用户界面点击后退或前进，使底片前后移动。

（2）    轻击扫描仪的后退或前进按钮，使所需图象位于视窗中央。

（3）    点击预览Prescan Frame。

  此时，选择图象的正像显示在屏幕上。

5设置扫描图象的大小，如放大100％，精度3600dpi,用鼠标来定义图象的裁

  剪。

6调节色彩平衡。

如对预览显示的正像不满意，点击色彩平衡。调节亮度、对比度和饱和度，直到满意为止。

7点击扫描图标，选中的图象即以调节后的参数扫描。扫描图标有两个，一个是扫描至Photoshop窗口中，另一个是直接存为 JPEG 或TIEF 文件。

8结束扫描仪工作。按下Eject来退出底片，点击Exit退出扫描仪用户界面。

9数据判读与处理

（1）    高速扫描摄影图象的数据判读：在Photoshop里对一维运动的狭缝扫描像进行坐标测量。在一维运动的轨迹上选取10个点，读取其直角坐标值；在直角坐标系下描数据点，连成圆滑的曲线，用一元二次方程拟合。得出一维运动的像的运动方程。若为匀速运动，则用直线拟合。

测量横向放大率。量取参考标尺的像的长度，横向放大率为：

β＝参考标尺的像的长度/参考标尺的长度

设曲线的斜率为ds/dt,   

V = (Vs/β ) ds/dt

（2）    高速分幅摄影图象的数据判读：重复步骤4至7三次，得到9幅图象。在Photoshop里对二维运动的图象（实验四是空中冲击波的波阵面）进行坐标测量。注意要同时测量每幅的坐标原点。计算出每幅波阵面的实际坐标值后在直角坐标系下描数据点，连成圆滑的曲线，用一元二次方程拟合。得出冲击波波阵面的象的运动方程。与上述相同的方法，可得到冲击波的传播速度。

实验六 .  爆炸成形

一 实验名称 爆炸成形

二 实验原理 见图1，当冲击大电流通过高压容器内的一段金属丝时，丝爆炸形

成较强的冲击波。高压容器内充以传压介质，使冲击波衰减缓慢。

容器下端的待加工金属薄片在强大压力下迅速变形，向下运动，以

近似流动状态贴于模型表面，形成与模型精确相似的复杂形状。

三 实验目的 学习冲击大电流装置在爆炸加工方面的一种应用，制作出复杂形状

的薄壁件；掌握冲击大电流技术应用于爆炸加工的原理和特点。

四 实验设备　冲击大电流装置 智能波形记录仪 高压容器 电冲击成形器

五 实验步骤

1将电冲击成形器的接地端连接到冲击大电流装置的地线上。

2练习使用电冲击成形器。

2－1电容充、放电练习。将压力容器间隔内的接线端短路，打开电源开关，按一下“充电”按钮，电容自动即充电；充至预定电压（如1kV），再次按一下“充电”按钮，即停止充电；按下“泄放”按钮，电容的电压逐渐回零。

2－2 检查触发高压信号。在电容电压为“0.00”的情况下，打开电冲击成形器正面右边的小门，按一下“触发”按钮隔离间隙处应能看到电火花。

3按照实验装置图安装爆炸丝和模型，在充电电容为1000微法，充电电压为2千伏时选择不同的石膏模型，一种是底部有孔的，另一种是底部无孔的，分别进行两次实验。注意：一定要将法兰盘用螺钉紧固。

4选择电容储能相同的另一组参数，如：充电电容为17微法；充电电压为23千伏，选择底部有孔的石膏模型，重复以上实验。

5观察、比较几次实验的成形表面，分析其原因，回答以下问题。

五  思考题

1气孔的作用是什么？

2电容储能相同时，爆炸成形的效应就相同吗？为什么？

3你认为电冲击成形的相似率与使用炸药的爆炸成形的相似率相同吗？应如何建立？ 

a)  冲击大电流装置              b)  压力容器

                        图1  实验装置图

         实验七.  水中爆炸冲击波压力测量

一 实验名称：水中爆炸冲击波压力测量

二 实验目的：练习并掌握用电测法测量水中爆炸冲击波压力。

三 实验内容：用冲击大电流通过金属丝产生水中冲击波，用压力传感器检测压力信号，用数字示波器记录某位置的水中冲击波压力历程。

四 实验设备：冲击大电流装置、同步高压脉冲发生器、传感器及适配器、数字示波器

五 实验原理

（一）水下爆炸物理过程 炸药装药在水下爆炸时，瞬间变成高温高压的爆炸产物，压迫周围的水产生冲击波并迅速向周围传播。炸药放出的能量一部分随冲击波传出，称为冲击波能。剩下的能量留在爆炸产物中，称为气泡能。高压下的爆炸产物迅速向外膨胀形成气泡，气泡膨胀过程中反抗静水压而作功。当气泡膨胀到压力与静水压相等时，因为惯性的作用，膨胀并不停止而作过度膨胀，当膨胀到最大体积时，气泡内的压力降至静水压的1/5~1/10，此后由于外界压力的作用而使气泡收缩，同样因为惯性的原因，当压缩到压力等于静水压后仍继续收缩，直至最小体积时又开始膨胀，同时产生压力波，如此反覆膨胀收缩形成气泡脉动。

 （二） 对水下爆炸用测压传感器的要求

1，传感器应具有尽量高的频率响应，以便准确地捕捉到压力的迅速变化

一般谐振谐率应不小于250kHz。

2，传感器应有足够的强度和压力测量范围。

3，为了减小因测压传感器的放置而对压力流场产生严重的扰动和畸变，传

感器的体积应尽量小，外形应为流线性。

4， 传感器的联接电缆在水中受到强度较大冲击波的作用，由于电缆内、外芯的摩擦将出现静电电荷（即所谓“电缆效应”）这种摩擦电荷是一个相当可观的虚假讯号，因此传感器应有减小电缆效应的有效措施。

5， 传感器具有良好的防潮、密封和较好的防腐蚀能力，特别是当传感器的输出讯号是高输出阻抗的讯号。其绝缘电阻一般在1010~1012Ω，受潮后绝缘电阻降低将造成零点飘移。

（三） PCB W138A02型压电传感器性能特点

1，该传感器将一片作为敏感元件的电气石置于盛满硅油的塑胶管中，因而密封、防潮性能良好。同时该传感器是一种体积敏感型传感器，传感器没有方向性，任何方向传来的压力波作用在管壁上都可以被传感器的电气石晶体准确接受，而不需要象其他传感器那样将传感器正对爆心安装。

2，传感器的尾部有一微型化的集成电荷放大器将敏感元件产生的高阻讯号转变成低阻讯号。这种低阻电流讯号可以经电缆传输相当远（数百米）而不会有讯号衰减，因而抗干扰能力强，基本上消除了电缆效应造成的干扰，对电缆接头的防潮要求也降低了。

3，主要性能指标：

灵敏度 751.2mv/Mpa;  最大测量压力：345MPa； 线性：≤2%；

谐振频率：≥1MHz；  上升时间：≤1.5μs；    下限频率：2.5HZ

五 实验步骤：

1 按照图示，连接爆炸丝至冲击大电流装置，电阻分压器、电流互感器和适配器至数字示波器，并设置电流信号触发。按估计压力（30atm）和传感器灵敏度设置压力通道灵敏度。

2 将爆炸丝放入水箱中部，水箱外壳接地。接地点在放电回路以外。

3 将PCB W138A02型压电传感器置于水箱中，测量敏感元件到爆心的距离。

4 所有人离开放电室，关好门。

5 操作冲击大电流装置。充电电压：8千伏。

6 同步脉冲发生器充电至1.8万伏，触发。高压触发脉冲使冲击大电流装置的隔离间隙导通，产生冲击大电流使爆炸丝爆炸。

7 进入放电室，放电杆放电后，记录波形。计算压力峰值。

8 不改变敏感元件距爆心的距离，重复步骤1－7三次。

                               装置示意图

敏感元件到爆心距离R(mm)

冲击波峰值压力P(atm)

第一次测量

第二次测量

第三次测量

六思考题

1 三次测量的一致性如何？影响压力测量的因素有哪些？

2 要测量R-P曲线，应怎样做？

3 该装置能测量气泡的脉动压力吗？应怎样做？