壓電式壓力傳感器靈敏度標(biāo)定方法研究

馬錦垠 中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧大連 116041

壓電式壓力傳感器靈敏度標(biāo)定方法研究

馬錦垠 中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧大連 116041

水下爆炸壓力測(cè)量傳感器靈敏度的標(biāo)定是靶場(chǎng)試驗(yàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，標(biāo)定方法及結(jié)果直接影響水下爆炸壓力測(cè)量精度。本文詳細(xì)介紹了兩種靶場(chǎng)常用的傳感器標(biāo)定方法，并通過(guò)對(duì)傳感器標(biāo)定結(jié)果的分析，給出兩種方法標(biāo)定兩種型號(hào)六個(gè)壓力傳感器的實(shí)測(cè)結(jié)果，得出準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定法可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)球形藥包標(biāo)定法結(jié)果。

水下爆炸壓力；壓力傳感器；靈敏度；標(biāo)定

引言

爆炸沖擊波壓力是一個(gè)壓力范圍相當(dāng)寬、頻率相當(dāng)高的隨時(shí)間變化的過(guò)程，壓電式晶體傳感器憑借其測(cè)壓范圍寬、頻率高、體積小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，一直是爆炸試驗(yàn)中測(cè)量爆炸壓力的重要手段。但這種傳感器的靈敏度易受溫度、濕度、壓力等環(huán)境因素的影響，為保證試驗(yàn)測(cè)量精度，每次使用前都應(yīng)對(duì)其靈敏度進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定。

1 傳感器靈敏度標(biāo)定方法

壓電式晶體傳感器的標(biāo)定，各種文獻(xiàn)上所推薦使用的方法各有不同，其特點(diǎn)及適用范圍亦相差甚遠(yuǎn)。靶場(chǎng)在多年工程實(shí)踐中，對(duì)水下爆炸壓力測(cè)量用傳感器的標(biāo)定積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)比較研究總結(jié)如下。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)球形藥包標(biāo)定法

對(duì)于某些爆速穩(wěn)定的炸藥，在嚴(yán)格地控制其密度與形狀的條件下，水下爆炸壓力峰值 與藥包半徑參數(shù) 之間的函數(shù)關(guān)系也是相當(dāng)準(zhǔn)確的。也即，對(duì)于某些標(biāo)準(zhǔn)球形藥包來(lái)說(shuō)，在確定距離處的壓力、沖量等參數(shù)也是確定的，這就構(gòu)成了標(biāo)定的基礎(chǔ)。

——R ：測(cè)點(diǎn)到藥包中心之間的距離（m）

——W ：藥包質(zhì)量（kg）

代入（1）式得：標(biāo)準(zhǔn)

圖1 傳感器方法示意圖

圖2 水下爆炸沖擊波形示意圖

如圖1所示：傳感器固定于鋼管上，則藥球與傳感器距離R可量出，代入

1.2 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定法

準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定法是在靜態(tài)標(biāo)定法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種標(biāo)定方法，這種方法能夠清除靜態(tài)法標(biāo)定的一些缺點(diǎn)。它假定：由于給定的流體靜壓力作用的結(jié)果，晶體傳感器的輸出變?yōu)槠胶?，隨后通過(guò)閥門(mén)的快速開(kāi)啟或爆破膜片的方法使壓力產(chǎn)生迅速的上升或下降，與此同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電荷的快速記錄。

圖3 所示為傳感器標(biāo)定原理示意圖

圖3所示為傳感器標(biāo)定原理示意圖，加壓器產(chǎn)生的壓力符合水下爆炸壓力特征；放大倍數(shù)即壓力傳感器校準(zhǔn)裝置的增益值，在傳感器標(biāo)定前設(shè)置。

安裝好被標(biāo)定傳感器，通過(guò)加壓器給傳感器加壓，加壓至一定值P即停止加壓，壓力傳感器校準(zhǔn)裝置采集記錄傳感器輸出，由示波器讀取輸出波形如圖4所示。

圖4 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定凌形示意圖

2 標(biāo)定結(jié)果對(duì)比分析

選取美國(guó)PCB公司138系列兩種型號(hào)的水下爆炸壓力傳感器共6只（高靈敏度3只，低靈敏度3只），分別用上述兩種方法進(jìn)行靈敏度標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表1。

標(biāo)準(zhǔn)球形藥包標(biāo)定法的實(shí)施在碼頭進(jìn)行，試驗(yàn)海域?yàn)槟嗌车?，流速小?kn，水深30m，傳感器入水10m；試驗(yàn)用炸藥為1kgTNT標(biāo)準(zhǔn)藥球，采用經(jīng)驗(yàn)

在碼頭共進(jìn)行3次爆炸，分別計(jì)算傳感器靈敏度值，三次值平均即為傳感器靈敏度值。

準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定法的實(shí)施在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，每個(gè)傳感器標(biāo)定3次，分別計(jì)算傳感器靈敏度值，三次值平均即為傳感器靈敏度值。

表1 傳感器標(biāo)定結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)球形藥包標(biāo)定法與傳感器實(shí)際工作情況相同，所以表1中以此法的標(biāo)定結(jié)果為真值，進(jìn)行準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定法誤差的計(jì)算。從表1可以看出，誤差最大為5.67%，最小僅為0.28%，這說(shuō)明完全可以用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定法進(jìn)行壓力傳感器靈敏度的標(biāo)定。不過(guò)從表1還可以看出，準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定法所得結(jié)果均大于標(biāo)準(zhǔn)球形藥包標(biāo)定法結(jié)果，這說(shuō)明這一標(biāo)定法所采用的壓力傳感器校準(zhǔn)裝置存在系統(tǒng)誤差，這是不可避免的，每一套系統(tǒng)均存在這樣的固有誤差，只需在實(shí)際使用時(shí)對(duì)傳感器測(cè)量的水下爆炸壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)適當(dāng)予以考慮這一情況即可。

3 結(jié)語(yǔ)

標(biāo)準(zhǔn)球形藥包標(biāo)定法由于其對(duì)藥包制作質(zhì)量的極高要求，以及其實(shí)施成本高、組織復(fù)雜，目前已極少使用。而準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定法正以很大成效被廣泛采用，其加壓器產(chǎn)生的壓力強(qiáng)度大、變化快，完全符合水下爆炸壓力特征，更重要的是其標(biāo)定結(jié)果與傳感器實(shí)際使用條件下藥球爆炸標(biāo)定結(jié)果基本一致。

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[2]黃正平.爆炸與沖出過(guò)程測(cè)試技術(shù)[M].北京理工大學(xué)出版社，1994.

[3]崔海濤,劉慶明.沖擊波壓力傳感器測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定[J].流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量,2004.3,第18卷第1期：92～96.

[4]孫忠良.沖擊波傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定的若干問(wèn)題[A].中國(guó)兵工學(xué)會(huì)第五屆測(cè)試技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(1）[C],1990.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.072

馬錦垠（1973-），男，本科，工程師，主要研究方向?yàn)樗暪こ獭?/p>