强电磁干扰下雷击对碳纤维层合板冲击力和响应时间的测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种强电磁干扰下雷击对碳纤维层合板冲击力和响应时间的测量装置及方法，将对被试碳纤维复合材料层合板作用的冲击力传递至带金属屏蔽外壳的压电传感单元中，使得被试碳纤维复合材料层合板冲击力的测量可以免受强雷电流电磁干扰的影响；通过调整可控强度雷电流发生器输出的雷电流的幅值，获得被试碳纤维复合材料层合板所承受的雷电冲击力与雷电流电参数之间的数学解析式；通过改变被试碳纤维复合材料层合板与压电传感器之间的距离，获得雷电冲击力的响应时间特征，以及雷电冲击力与雷电损伤形态和损伤程度之间的相关规律，为被试碳纤维复合材料层合板雷电损伤效应的机理研究提供理论支持。

【技术实现步骤摘要】
强电磁干扰下雷击对碳纤维层合板冲击力和响应时间的测量装置及方法
本专利技术属于雷击对材料力学效应的测量领域，涉及一种雷击冲击力对碳纤维复合材料作用的测量方法，尤其涉及一种强电磁干扰下雷击对碳纤维层合板冲击力和响应时间的测量装置及方法。
技术介绍
碳纤维复合材料既具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀等特性，广泛应用于航空航天、军事及民用工业等各个领域。随着碳纤维复合材料在航空器诸如大飞机结构上用量的不断增加，高强度的雷击会导致碳纤维复合材料的纤维断裂、树脂热解、深度分层等严重损伤。因此，碳纤维复合材料的雷电损伤及雷电防护已成为制约其性能提升及应用的技术难题。雷电对飞机的直接效应除包含大电流引发的磁场力及焦耳热效应外，还包含雷电高压冲击波的冲击力效应。美国机动工程师协会SAE、美国军用标准MILSTD和欧洲民航组织EUROCAE对飞机及其部件的雷电直接效应的试验波形和试验方法做了详细规定，目前通过碳纤维复合材料雷电损伤的实验和仿真计算研究解释碳纤维复合材料雷电热效应情况下的树脂热解和碳纤维升华造成的损伤。但对于雷击附着过程中，由于高压引起的通道气体电离而形成的雷电冲击力是否与碳纤维的断裂分层损伤有关？目前公开文献不能给予很好的阐释；此外，专利技术专利ZL201510579759.4公开了碳纤维复合材料雷电冲击力的方法，但存在如下问题：(1)被试碳纤维复合材料层合板的加持方法为上、下加持，即雷击从被试碳纤维复合材料层合板的一个表面注入，从被试碳纤维复合材料层合板的另一个平面流出，这种装夹方式测得的雷电冲击力无法完全表征实际大飞机结构遭受雷电时冲击力。(2)碳纤维层合板下方为金属平板电极，在平板电极中央开设有安装绝缘板的圆形或方形槽孔，在绝缘板的中央开设有安装压电传感器的槽孔，压电传感器的表面与绝缘板的表面平齐并与被试碳纤维复合材料层合板紧密接触，但由于实验研究中，碳纤维层合板的重量较轻，使得碳纤维层合板与冲击力压电传感器的接触并非紧固接触，致使测得的冲击力分散性较大，无法精确表征雷击对碳纤维层合板的雷电冲击力。(3)由于雷电冲击力压电传感器放置在碳纤维层合板雷电冲击的强电磁环境中，由压电传感器提取的雷电冲击力的信号存在很强的电磁干扰，引起冲击力测量的较大偏差。(4)雷击与碳纤维复合材料作用过程中，雷电冲击力对雷电流响应时间的瞬时关系无法准确给出，直接影响雷击与碳纤维复合材料雷电损伤机理的研究以及碳纤维雷电防护材料和防护结构的设计。
技术实现思路
本专利技术目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种强电磁干扰下雷击对碳纤维层合板冲击力和响应时间的测量装置及方法，准确地获得雷电冲击作用下被试碳纤维复合材料层合板所承受的雷电冲击力、形变程度，同时获得雷电冲击力对雷电流的响应时间特征。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术申请：强电磁干扰下雷击对碳纤维层合板冲击力和响应时间的测量装置，包括可控强度雷电流发生器、碳纤维复合材料实验夹具、雷电冲击力传输单元、带屏蔽压电传感单元、雷电流测量传感器和计算机控制与分析处理单元；所述碳纤维复合材料实验夹具包括绝缘支架和绝缘盖板，被试碳纤维复合材料层合板的两端由碳纤维复合材料实验夹具水平加持，绝缘盖板设置在被试碳纤维复合材料层合板上方，被试碳纤维复合材料层合板的水平两端分别通过金属连接条或块与可控强度雷电流发生器的低压端相连并接参考地，在可控强度雷电流发生器低压端与两端金属连接条或块的连线上套接有雷电流测量传感器；所述的可控强度雷电流发生器高压输出端与金属棒状电极相连，金属棒状电极安装在绝缘盖板上，金属棒状电极与被试碳纤维复合材料层合板的表面垂直、并相距一定距离正对被试碳纤维复合材料层合板的上表面中心；所述雷电冲击力传输单元与被试碳纤维复合材料层合板下表面中央紧密接触，雷电流对被试碳纤维复合材料层合板的冲击力由雷电冲击力传输单元传递到带屏蔽压电传感单元；所述计算机控制与分析处理单元用于监测并控制可控强度雷电流发生器的工作过程，及检测通过雷电流测量传感器提取的作用于被试碳纤维复合材料层合板的雷电流参数，并获得通过带屏蔽压电传感单元测量的雷电流冲击对被试碳纤维复合材料层合板形成雷电冲击力。进一步，所述带屏蔽压电传感单元包括由金属屏蔽外壳、压电传感器和BNC同轴连接器；压电传感器安装在一绝缘底板上，绝缘底板固定安装在金属屏蔽外壳的表面上，BNC同轴连接器设置在压电传感器一侧，其外壳与金属屏蔽外壳电气相连并接系统参考地；雷电冲击力传输单元绝缘棒穿过金属屏蔽外壳与压电传感器紧密接触，当雷电流作用于被试碳纤维复合材料层合板时，雷电冲击力在带屏蔽压电传感单元的上下两个电极中形成的压电信号由BNC同轴连接器输出。进一步，所述金属屏蔽外壳由铁磁材料制成；压电传感器由压电晶体、压电陶瓷或压电薄膜材料制成。进一步，所述可控强度雷电流发生器由可控充电电源、储能电容、放电开关、波形形成元器件以及放电电压传感器组成。进一步，所述计算机控制与分析处理单元包括可编程控制单元、示波器以及工业控制计算机；计算机控制与分析处理单元通过放电电压传感器监测可控强度雷电流发生器的工作过程、并通过控制可编程控制单元控制可控强度雷电流发生器的可控充电电源对储能电容充电电压的大小，作用于被试碳纤维复合材料层合板的雷电流、冲击力分别通过雷电流测量传感器、带屏蔽压电传感单元提取后输入到示波器，示波器将采集结果传输至工业控制计算机。进一步，所述金属棒状电极与被试碳纤维复合材料层合板表面之间的距离能够调整。进一步，所述雷电冲击力传输单元为绝缘棒，材料为聚四氟乙烯、环氧或尼龙，其截面为圆形或方形。一种强电磁干扰下雷击对碳纤维层合板冲击力和响应时间的测量方法，计算机控制与分析处理单元监测并控制可控强度雷电流发生器对被试碳纤维复合材料层合板进行雷电流放电，作用于被试碳纤维复合材料层合板的雷电流参数及形成的雷电冲击力分别通过雷电流测量传感器和带屏蔽压电传感单元提取后送到计算机控制与分析处理单元，经处理和分析得到被试碳纤维复合材料层合板所承受的雷电冲击力与流经雷电流参数之间的规律，及雷电冲击力传输单元绝缘柱的结构参数对雷电冲击力响应时间的影响规律。进一步，具体包括如下步骤：(1)、将可控强度雷电流发生器、金属棒状电极、被试碳纤维复合材料层合板、雷电冲击力传输单元、带屏蔽的压电传单单元按要求连接在一起；(2)、通过计算机控制与分析处理单元的可编程控制单元控制可控强度雷电流发生器的储能电容两端的充电电压，使得施加在被试碳纤维复合材料层合板的冲击强度和流经的雷电冲击电流达到不同的幅值；(3)、工业控制计算机通过示波器接收到的来自雷电流测量传感器的雷电流信号，同时，工业控制计算机接收来自压电传感器的对应于雷电流电参数的压电输出信号；(4)、工业控制计算机对接收的信号处理和分析，得到被试碳纤维复合材料层合板承受的形变或冲击力与作用于被试碳纤维复合材料层合板的雷电流电参数，经工业控制计算机分析处理得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.强电磁干扰下雷击对碳纤维层合板冲击力和响应时间的测量装置，其特征在于：包括可控强度雷电流发生器(1)、碳纤维复合材料实验夹具、雷电冲击力传输单元(3)、带屏蔽压电传感单元(4)、雷电流测量传感器(5)和计算机控制与分析处理单元(6)；/n所述碳纤维复合材料实验夹具包括绝缘支架(13)和绝缘盖板(15)，被试碳纤维复合材料层合板(2)的两端由碳纤维复合材料实验夹具水平加持，绝缘盖板(15)设置在被试碳纤维复合材料层合板(2)上方，被试碳纤维复合材料层合板(2)的水平两端分别通过金属连接条或块(14)与可控强度雷电流发生器(1)的低压端相连并接参考地，在可控强度雷电流发生器(1)低压端与两端金属连接条或块的连线上套接有雷电流测量传感器(5)；/n所述的可控强度雷电流发生器(1)高压输出端与金属棒状电极(12)相连，金属棒状电极(12)安装在绝缘盖板(15)上，金属棒状电极(12)与被试碳纤维复合材料层合板(2)的表面垂直、并相距一定距离正对被试碳纤维复合材料层合板(2)的上表面中心；/n所述雷电冲击力传输单元(3)与被试碳纤维复合材料层合板(2)下表面中央紧密接触，雷电流对被试碳纤维复合材料层合板(2)的冲击力由雷电冲击力传输单元(3)传递到带屏蔽压电传感单元(4)；/n所述计算机控制与分析处理单元(6)用于监测并控制可控强度雷电流发生器(1)的工作过程，及检测通过雷电流测量传感器(5)提取的作用于被试碳纤维复合材料层合板(2)的雷电流参数，并获得通过带屏蔽压电传感单元(4)测量的雷电流冲击对被试碳纤维复合材料层合板(2)形成雷电冲击力。/n...

【技术特征摘要】
1.强电磁干扰下雷击对碳纤维层合板冲击力和响应时间的测量装置，其特征在于：包括可控强度雷电流发生器(1)、碳纤维复合材料实验夹具、雷电冲击力传输单元(3)、带屏蔽压电传感单元(4)、雷电流测量传感器(5)和计算机控制与分析处理单元(6)；
所述碳纤维复合材料实验夹具包括绝缘支架(13)和绝缘盖板(15)，被试碳纤维复合材料层合板(2)的两端由碳纤维复合材料实验夹具水平加持，绝缘盖板(15)设置在被试碳纤维复合材料层合板(2)上方，被试碳纤维复合材料层合板(2)的水平两端分别通过金属连接条或块(14)与可控强度雷电流发生器(1)的低压端相连并接参考地，在可控强度雷电流发生器(1)低压端与两端金属连接条或块的连线上套接有雷电流测量传感器(5)；
所述的可控强度雷电流发生器(1)高压输出端与金属棒状电极(12)相连，金属棒状电极(12)安装在绝缘盖板(15)上，金属棒状电极(12)与被试碳纤维复合材料层合板(2)的表面垂直、并相距一定距离正对被试碳纤维复合材料层合板(2)的上表面中心；
所述雷电冲击力传输单元(3)与被试碳纤维复合材料层合板(2)下表面中央紧密接触，雷电流对被试碳纤维复合材料层合板(2)的冲击力由雷电冲击力传输单元(3)传递到带屏蔽压电传感单元(4)；
所述计算机控制与分析处理单元(6)用于监测并控制可控强度雷电流发生器(1)的工作过程，及检测通过雷电流测量传感器(5)提取的作用于被试碳纤维复合材料层合板(2)的雷电流参数，并获得通过带屏蔽压电传感单元(4)测量的雷电流冲击对被试碳纤维复合材料层合板(2)形成雷电冲击力。


2.根据权利要求1所述的强电磁干扰下雷击对碳纤维层合板冲击力和响应时间的测量装置，其特征在于：所述带屏蔽压电传感单元(4)包括由金属屏蔽外壳(41)、压电传感器(42)和BNC同轴连接器(43)；压电传感器(42)安装在一绝缘底板上，绝缘底板固定安装在金属屏蔽外壳(41)的表面上，BNC同轴连接器(43)设置并电气连接在压电传感器(42)一侧/端，其外壳与金属屏蔽外壳(41)电气相连并接系统参考地；雷电冲击力传输单元(3)绝缘棒穿过金属屏蔽外壳(41)与压电传感器(42)紧密接触，当雷电流作用于被试碳纤维复合材料层合板(2)时，雷电冲击力在带屏蔽压电传感单元(4)的上下两个电极中形成的压电信号由BNC同轴连接器输出。


3.根据权利要求2所述的强电磁干扰下雷击对碳纤维层合板冲击力和响应时间的测量装置，其特征在于：所述金属屏蔽外壳(41)由铁磁材料制成；压电传感器(42)由压电晶体、压电陶瓷或压电薄膜材料制成。


4.根据权利要求1所述的强电磁干扰下雷击对碳纤维层合板冲击力和响应时间的测量装置，其特征在于：所述可控强度雷电流发生器(1)由可控充电电源(7)、储能电容(8)、放电开关(9)、波形形成元器件(10)以及放电电压传感器(11)组成。


5.根据权利要求4所述的强电磁干扰下雷击对碳纤维层合板冲击力和响应时间的测量装置，其特征在于：所述计算机控制与分析处理单元(6)包括可编程控制单元(16)、示波器(17)以及工业控制计算机(18)；计算机控制与分析处理单元(6)通过放电电压传...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚学玲，李亚丰，陈景亮，孙晋茹，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61