埋入式镱应力传感器在霍普金森杆上的试验研究.pdf

第四届全国爆炸力学实验技术学术会议 埋入式镱应力传感器在霍普金森杆上的试验研究 余尚江，曾辉，杨吉祥 (总参工程兵科研三所，河南洛阳471023) 摘要：强冲击荷载下岩体及混凝土结构中应力的测量，是研究人员经常遇到和非常关心的问题。为解决强 冲击下混凝土结构中应力的测量，研制了适合于埋置于混凝土内的应力传感器。将镱应力传感器埋入混凝土试块 内在霍普金森杆上进行了试验，试验表明，镱压力传感器在混凝土中匹配系数稳定，传感器结构合理，能有效地 ● 减小传感器对被测介质应力场的扰动，传感器在混凝土介质中具有很强的测压工作能力。 1前言 混凝土是现代土木工程中应用最广泛的建筑材料之一，也是国防和人防工程中的主要防护材料。目 前，随着精确制导武器的大量使用及钻地武器的迅速发展，为提高防护工程自身的防护能力，各国都组 织了强大的科研队伍，耗费巨大财力物力，大力开展常规武器侵彻爆炸效应、岩土介质中爆炸地冲击、 防护材料的动力学性能、岩土介质与结构的相互作用、结构的动力响应以及结构的抗爆性能等方面的研 究。在这些研究中，强冲击荷载下岩体及混凝土结构中应力的测量，是研究人员经常遇到和非常关心的 问题，同时也是一项难度较大、技术复杂的课题。 强冲击下混凝土结构中应力的测量首先需要解决量程较大且适合于埋置于混凝土内的应力传感器， 通过对国外相关传感器研究情况的分析，我们研制了一种镱应力传感器。镱应力传感器的测压原理是基 于压阻效应，是从二十世纪七十年代开始逐渐发展起来的，在美国已成功地应用于爆炸冲击引起的岩体 中的应力测试和射弹侵彻混凝土过程中动应力的量测【l卅。本文主要介绍镱应力传感器埋入混凝土试块 内在霍普金森杆上的试验情况，试验的目的主要是检验传感器埋入混凝土后的测压工作能力以及与混凝 土介质的匹配性能。 2镱应力传感器 镱应力传感器的敏感元件为金属镱，它是一种稀土元素，具有压阻特性。镱敏感元件在受到应力后 电阻的变化主要是通过电阻率的改变来实现的，其压阻性能通常用压阻系数表示。镱敏感元件是将纯度 很高的金属镱先采用某种方法制成厚度很薄的镱箔或镱膜，然后采用一定的工艺做成长条形或格栅形。 J： 在受到垂直冲击荷载时，敏感元件电阻的变化为p 竺：丝d盯． (1) 尺o Z+2H。 式中，M12=力万ll+2(4+∥)万12，五和∥为拉密常数，万11、刀12为镱的压阻系数。 根据岩土介质(包括砼)中传感器与介质的匹配理论和强冲击使用环境的要求，同时考虑到传感 器在实际使用时，处于复杂的应力场中，其不仅要感受所要测量的应力，还会受到其它方向(比如垂直 于被测方向)上的应力的影响，因此要尽量考虑减小传感器在非被测方向的灵敏度。综合以上考虑设计 24 埋入式镱应力传感器在霍普金森杆上的试验研究 的镱应力传感器结构如图l所示。 j圣I 1传感器结构图及买物照片 经过试验[61，传感器在垂直于测压方向的两个方向的横向灵敏度比分别为2．7％和O．1％，可见，设 计的镱应力传感器横向效应较小。 3试块制作 埋入式镱应力传感器在混凝土中的性能试验要在霍普金森杆装置上进行，为适应①lOOmm霍普金 森杆上试验要求，混凝土试块需做成圆柱体。最后成型的试块为直径为96mm、高为30ram的圆饼状 结构，传感器打筑在试块中心(参见图2)。此次试验要检验传感器在较大压力下的测压工作性能，要 求试块具有较高的抗压强度，故选用变形模量较高的混凝土配比，混凝土中的集料选用金刚砂，混凝土 材料配比如表1所示。 用专用试模打筑试块，打筑前对传感器进行了单体浸油静态校准，并对接头引线部分进行了严格的 密封防潮处理。利用传感器四角的工艺孔，穿上四根直径lmm的细铁丝，绑扎在试模的既定位置上， 表1混凝土材料配比