4.1.7. Метод замкнутых контактов

Дискретный электрический метод измерения скорости ударной волны (УВ) основан на регистрации моментов прихода фронта ударной волны (ФУВ) к замкнутым электрическим контактам (ЗК), расположенным на заданных расстояниях друг от друга вдоль направления распространения УВ [7]. Метод замкнутых контактов (МЗК) имеет определенные преимущества перед близким ему и наиболее распространенным при измерении скорости УВ электроконтактным методом, использующим разомкнутый электрический контакт (РК) с изоляцией в виде слоя диэлектрика или воздушного зазора. Простота постановки и проведения опытов, высокая точность измерений, малые толщины ЗК ~0,1 мм меньше (соответственно уменьшение погрешности квантования) позволяют рассчитывать на широкое применение МЗК. Он особенно эффективен при измерении скорости УВ в токопроводящих материалах. Представляет большой интерес также использование МЗК для измерения скорости ударной волны разрежения (УВР).

Рассмотрим работу ЗК в УВ. Электрическая эквивалентная схема метода ЗК приведена на рис.4.18. В случае измерения скорости плоской УВ ЗК есть поверхность соприкосновения двух плоских пластинок твердых токопроводящих материалов, прижатых основаниями друг к другу с усилием ~10 Н (винтовой зажим). До подхода УВ из-за негладкости поверхностей пластинок они соприкасаются в относительно небольшом числе контактных пятен (если ЗК выполнены из абсолютно твердого материала, соприкосновение происходит не более, чем в трех точках) [24]. Суммарная площадь поверхности контактных пятен, как правило, в сотни и более раз меньше кажущейся (геометрической) площади соприкосновения пластинок S. Следовательно, даже между достаточно сильно прижатыми друг к другу пластинками существует зазор, ширина которого d примерно равна высоте микронеровностей поверхности R_z. В области контактных пятен возникают мостики проводимости из-за разрушения окисной пленки при пластическом деформировании микровыступов или из-за электрического пробоя окисной пленки и образования в ней тонкого  ~1 мкм металлического мостика - фриттинга пленок потускнения.

Рис.4.18. Электрическая эквивалентная схема метода замкнутых контактов.

При выходе ФУВ к одной из соприкасающихся поверхностей ЗК она начинает двигаться в зазор со скоростью W, что приводит в первую очередь к росту С_э (соответственно падению V~ ) и позднее (по-видимому, в основном после выбирания зазора и разрушения в УВ окисной пленки) к падению R_э. Таким образом, если емкость С_э не будет успевать заряжаться вновь по мере своего увеличения, т.е. если время смыкания зазора t меньше характерного времени подзарядки емкости R_эС_э (предполагается, что можно для оценки пренебречь индуктивность L_э), то ЗК работает как емкостной преобразователь совпадения ФУВ и заданной поверхности раздела исследуемой среды.

Напряжение на ЗК V может быть повышено в несколько раз, если через ЗК пропускать не постоянный ток, а импульсный ток существенно большей амплитуды, включаемый незадолго до подхода УВ. При этом необходимо обеспечить существование мостиков с достаточно низким R_э еще до включения импульсного тока. Напряжение на ЗК также может быть повышено, если выполнить ЗК из материалов с высокими напряжениями плавления, например, покрыть пластинки исследуемого вещества тонким слоем этого материала. Можно повысить амплитуду регистрируемого спада напряжения, увеличив количество последовательных ЗК между слоями исследуемой среды, например, располагая между пластинками исследуемого материала несколько пластинок тонкой фольги.

При разработке МЗК проведены измерения скорости плоской стационарной УВ в алюминии АД-1. и плексигласе. Ударная волна создавалась с помощью измерительных зарядов контактного типа [2, 13]. К медному или алюминиевому экрану прижимался с помощью винтов пакет из 5 квадратных плоских пластинок исследуемого материала с размерами 15х15х1 мм³, разделенных слоями алюминиевой фольги толщиной 5 мкм (в случае Al 2 слоя, составляющих вместе с пластинками 3 последовательных ЗК, в случае плексигласа 3 слоя и 2 последовательных ЗК). Предварительно толщина каждой пластинки измерялась индикатором с ценой деления 1 мкм. Схема сборки пакетов приведена на рис.3.19.

Рис.4.19. Схема сборки пакетов из алюминия и плексигласа.

Принципиальная электрическая схема измерения приведена на рис.3.20. Начальное сопротивление пакетов составляло примерно 5 Ом при токе порядка 0,1 А. Постоянный ток в 0,3 А включался за несколько минут до подрыва ВВ. Разность потенциалов между выводом из медной фольги, прижатым к крайней пластинке и экраном V~1 В подавалась на вход широкополосного (0f100 МГц) усилителя осциллографа С9-4.

Рис.4.20. Принципиальная электрическая схема измерений методом ЗК.

Характерные осциллограммы опытов по методу замкнутых контактов представлены на рис.4.21.

а) плесиглас, частота меток времени 25 МГц б) алюминий, частота меток времени 200 МГц.

Рис.4.21. Характерные осциллограммы записи сигналов с замкнутых контактов.

При определении по осциллограмме интервалов времени прохождения УВ расстояние между группами последовательных ЗК t_i, i=1, 2...5 использовался микроскоп БМИ-1Ц. В данном случае t_i складывается из времени прохождения i-ой пластинки исследуемого материала , где l_i - толщина пластинки, D_i - скорость УВ в пластине; времени прохождения УВ слоев алюминиевой фольги , где n - число слоев, =5 мкм - толщина фольги, D_А=D_i); времени смыкания зазоров между пластинками и слоями фольги = , где d - суммарная ширина зазоров между пластинками, W - скорость выбирания зазоров. В первых опытах при определении D_i по t_i предполагалось, что временем выбирания зазоров можно пренебречь, т.е. t_i не учитывалось.

Рис.4.22. Схема датчика скорости УВ: 1 - вывод из алюминиевой фольги; 2 - первая пластинка; 3 - вывод, прижимающий датчик к ВВ.

Точность измерения D будет определяться точностью измерения временных интервалов t_i по осциллограмме. При измерении интервала t_i100 нс с помощью микроскопа точность составляет 1 % при регистрации на С9-4А, следовательно, примерно с такой же точностью можно измерить среднюю скорость нестационарной УВ в одном опыте на одной базе l~1 мм. В случае стационарной УВ и регистрации на трех осциллографах сигналов с 3-х пакетов (по 5 пластинок в каждом), прижатых к экрану измерительного заряда, точность измерений скорости УВ по 15-и D_i может быть ~0,1 % уже в одном опыте.