[實用新型]一種用于沖擊波測量的壓電彈簧探針

無效

• 申請號: 200820065102.1
• 申請日: 2008-09-05
• 公開（公告）號: CN201255744Y
• 公開（公告）日: 2009-06-10
• 發明（設計）人: 王翔;葉素華;盧敏;付秋衛;賈路峰
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號: G01P1/00
• 分類號: G01P1/00
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心
• 代理人: 翟長明;韓志英

技術領域

本實用新型屬于沖擊波測量裝置技術領域，具體涉及一種用于沖擊波測量的壓電彈簧探針，更具體地說，是涉及一種適用于在0.01GPa～30GPa低沖擊壓力條件下對材料中沖擊波進行傳感及測量沖擊波速度的壓電彈簧式探針。

背景技術

在沖擊波或爆轟實驗中，為了測量材料沖擊波速度、飛片速度、自由面速度以及提供精確的觸發信號常采用電探針進行測試。但是，電探針一般適用于大于20GPa的沖擊壓力，在低沖擊壓力下，沖擊波強度不足以使探針兩極間介質發生電離或離解，無法使探針迅速導通，使絕緣膜被擊穿的分散性變大，甚至不擊穿，所以電探針不能適應低壓下的沖擊波的傳感以及沖擊波速度的精確測量。

鋯鈦酸鉛系列(PbTiO₃-PbZrO₃—PZT)壓電陶瓷具有很高的固有頻率，頻率響應快，壓電系數和靈敏度高，可用于低沖擊壓力下的沖擊波測量，并且它無需外加電源，從而避免了因外加電源而帶來的噪聲影響。自上世紀70年代美國利弗莫爾實驗室用壓電傳感器測量液體中的沖擊波速度取得成功后，美國Dynasen公司隨之研制和生產了幾種規格的單體壓電探針，并提供給美國三大國家武器實驗室等研究單位使用。我國20世紀后期也有少量利用壓電探針測量沖擊波速度的應用。

但是，在精確測量樣品中沖擊波到達時間時，需要探針和樣品緊密接觸，以消除探針在測量方向上的定位誤差。這一點對低壓低速實驗尤其重要，因為速度低，微小的定位誤差將造成較大的時間誤差。例如當沖擊速度為100m/s，傳統探針在測試臺上的安裝定位誤差典型值為20m，所造成的時間誤差則達到20ns，而沖擊波速度的測量需要不大于幾個納秒的精度。前述Dynasen的單體同軸壓電探針在安裝時即存在這樣的問題。國內有人還將直徑1mm、厚0.5mm的壓電陶瓷片放置在絕緣支架的通孔中，后面用直徑1mm的黃銅桿頂住并充當一個電極，用502膠粘結固定。但從使用效果來看，壓電陶瓷片放入小孔時極易翻轉、操作非常困難，光桿探針與壓電陶瓷片接觸不良，實際信號質量和一致性很差，這些均限制了壓電陶瓷在沖擊波測量中的應用。因此，低壓下沖擊波走時的精確測量一直以來沒有得到較好地解決。

發明內容

本實用新型要解決的技術問題是為了克服現有的電探針在低壓沖擊下的測量精度低、靈敏度不高及壓電傳感器在安裝上的困難與不足，提供一種用于低壓沖擊波測量的壓電彈簧探針。

本實用新型的用于沖擊波測量的壓電彈簧探針由針套、彈簧、針桿和壓電陶瓷片組成，金屬針套內部設置有彈簧與針桿，彈簧與針桿的一端相連接，并使針桿能夠在針套內移動；壓電陶瓷片通過導電膠與針桿的另一端相連接，并使壓電陶瓷片端面與針桿端面平行，壓電陶瓷片的直徑稍小于針桿的直徑；壓電陶瓷片的外端面與待測樣品相連，針套的尾端與測試儀相連。

所述的針套和針桿均采用鍍金不銹鋼或黃銅材料制成，彈簧為鋼琴線，針桿與壓電陶瓷片相連接的端面為平面；壓電陶瓷片采用鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷，壓電陶瓷片的長徑比為1:2的圓片，并在其兩個端面鍍金膜或銀膜作為電極。

所述的導電膠的粘結層厚度小于0.1mm。

用于壓電彈簧探針的制備過程包括以下步驟：

(1)將針套、彈簧和針桿加工成為彈簧探針，清洗壓電陶瓷片及彈簧探針；

(2)在室溫下，將導電膠的甲、乙兩組份按1：1的比例進行配制；

(3)對接壓電陶瓷片與彈簧探針，并用所配好的導電膠作為壓電陶瓷片與彈簧探針之間的粘接劑，利用專門的壓緊裝置對壓電陶瓷片與彈簧探針進行固定及壓緊，并使導電膠涂層厚度小于0.1mm，保證壓電陶瓷片與彈簧探針端面的平行度和同心度；

(4)固化，將對接好的壓電彈簧探針連同粘結工裝一起放入烘箱烘烤，烘烤溫度控制在100℃左右，烘烤時間為1個小時左右，使導電膠充分固化，即得到所需產品。

本實用新型壓電彈簧探針，在使用時利用專用絕緣探針支架將壓電彈簧探針頂住待測導電樣品的表面，設法由導電樣品上引出引線作為傳感器的負極或參考地，而壓電彈簧探針尾部焊接導線作為正極，將兩電極通過同軸電纜接入記錄儀器中，當壓電陶瓷受到沖擊時其兩個電極束縛的電荷會迅速釋放，從而產生納秒級的電脈沖由示波器記錄下來。若樣品為絕緣體，則在樣品表面鍍上導電層或貼一層鋁箔。

本實用新型用于沖擊波測量的壓電彈簧探針體積小、安裝方便，定位精度高，具有很好的電絕緣性，易于安裝，特別適用于低沖擊壓力下沖擊波精確測量。

附圖說明

圖1為本實用新型用于沖擊波測量的壓電彈簧探針的結構示意圖

圖2為本實用新型的壓電彈簧探針在實際應用中的安裝示意圖