壓阻式壓力傳感器光干擾消除實(shí)驗(yàn)及測(cè)試

張健中，杜紅棉，韓青林，厲建祥

(1．中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島　266071；2．中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原　030051)

0　引言

在爆炸產(chǎn)生的壓力沖擊波測(cè)試中，頻響寬、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良的壓力傳感器成為測(cè)試工作者關(guān)注的重點(diǎn)。目前常用的壓力沖擊波傳感器有壓電式、壓阻式等，壓電式壓力傳感器的原理是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應(yīng)將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。壓阻式壓力傳感器則將輸入的機(jī)械量應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電橋電阻值的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量[1-3]。

爆炸測(cè)量時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員要采集爆炸和沖擊等快速反應(yīng)過(guò)程的高頻動(dòng)態(tài)信息，這些反應(yīng)的過(guò)程細(xì)節(jié)常為ms甚至是μs級(jí)[4]。在測(cè)試獲取壓力、沖量、加速度等瞬變參數(shù)時(shí)，還常伴有較強(qiáng)的電磁場(chǎng)、強(qiáng)光、高溫的影響與干擾。杜紅棉[5]等對(duì)壓阻傳感器8530B的閃光效應(yīng)規(guī)律做了研究，通過(guò)采用黑紙屏蔽的方法來(lái)減輕光效應(yīng)，取得了良好的效果。陳德龍[6]等從傳感器的設(shè)計(jì)上來(lái)減小傳感器的光效應(yīng)。采用了無(wú)管腔的完全齊平的封裝方式和背面承壓方式，不僅實(shí)現(xiàn)了齊平封裝，同時(shí)又減小傳感器的光效應(yīng)。黃家蓉[7]等在研究壓阻式壓力傳感器的光效應(yīng)時(shí)，通過(guò)用箔片遮擋傳感器靈敏面的方式減小了光效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響。

文中針對(duì)汽油油氣燃爆實(shí)驗(yàn)中壓阻傳感器受到爆炸時(shí)產(chǎn)生的光干擾問(wèn)題，將特殊處理過(guò)的隔光硅脂涂抹于傳感器表面，對(duì)其進(jìn)行閃光實(shí)驗(yàn)，研究該處理方法的有效性。在此基礎(chǔ)上，利用激波管對(duì)未經(jīng)處理的傳感器和經(jīng)過(guò)隔光硅脂處理過(guò)的傳感器進(jìn)行測(cè)試，比較其性能，分析處理后的傳感器對(duì)油氣爆炸實(shí)驗(yàn)測(cè)試的影響。將處理后的傳感器應(yīng)用于油氣爆炸場(chǎng)合，驗(yàn)證其測(cè)量性能。

1　壓阻式壓力傳感器光干擾分析

壓阻式壓力傳感器是一種變換原件，它能將輸入的機(jī)械量應(yīng)變?chǔ)呸D(zhuǎn)換為電阻值變化。壓阻型壓力傳感器具有高達(dá)500～900 kHz的固有頻率和亞微秒級(jí)的上升時(shí)間，是爆炸沖擊波測(cè)量的首選。在埋地油罐油氣爆炸實(shí)驗(yàn)中選用了某型壓阻式壓力傳感器，布置于罐壁及油罐人孔側(cè)上方，用于測(cè)量油氣爆炸對(duì)罐壁及周?chē)h(huán)境產(chǎn)生的沖擊。實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，由于油氣爆炸伴隨強(qiáng)烈的閃光和放熱，壓力傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)受到了較大的干擾，產(chǎn)生了較大的負(fù)波。針對(duì)光干擾的問(wèn)題，對(duì)傳感器進(jìn)行了閃光測(cè)試，利用閃光燈對(duì)傳感器敏感面進(jìn)行閃光，將傳感器與數(shù)據(jù)采集儀器連接，采集光干擾數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1　光干擾數(shù)據(jù)圖

從圖中可以看出，當(dāng)傳感器接收到閃光燈的信號(hào)后，會(huì)順勢(shì)形成一個(gè)幅度為負(fù)值的脈沖，可達(dá)-80 kPa左右，這是因?yàn)閴鹤枋絺鞲衅鳂蚵冯娮枋芄飧蓴_電阻值發(fā)生改變?cè)斐傻?。為了消除壓阻式壓力傳感器的光效?yīng)，對(duì)傳感器敏感面做出涂層處理，利用硅脂混合碳粉作為涂層，隔除光干擾的同時(shí)，獲取爆炸產(chǎn)生的沖擊波。經(jīng)過(guò)處理后，同樣采用閃光燈對(duì)傳感器敏感面進(jìn)行閃光，得到數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2　消除光干擾后的閃光數(shù)據(jù)

可以看出，加上涂層后，傳感器不再受到閃光的干擾。下面就添加涂層后對(duì)沖擊波的影響進(jìn)行測(cè)試。

2　壓力傳感器動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

為了獲得傳感器表面涂抹隔光硅脂對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)性能的影響，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)以下兩支傳感器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)：(1)傳感器面裸露；(2)傳感器面加摻有碳粉的硅脂涂層。

2．1檢測(cè)方法

對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)性能對(duì)比測(cè)試采用激波管實(shí)現(xiàn)，激波管是一根兩端封閉(或一端封閉)的長(zhǎng)管，膜片把整個(gè)圓管分成高壓室與低壓室兩部分，前者填充高壓氣體；低壓室放置待校準(zhǔn)的傳感器和測(cè)速傳感器，為得到近似理想的階躍平臺(tái)也經(jīng)常充一定的低壓氣體。校準(zhǔn)時(shí)對(duì)高壓室充高壓氣體，當(dāng)氣體壓強(qiáng)超過(guò)膜片強(qiáng)度極限時(shí)膜片突然破裂。經(jīng)過(guò)一定距離的傳播后，形成一個(gè)階躍平面沖擊波沿低壓室方向傳播。激波的階躍壓力平臺(tái)值可以通過(guò)距離為的兩個(gè)測(cè)速傳感器感受激波的時(shí)間間隔t換算得到。激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖3所示[6]。

圖3　激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)

2．2檢測(cè)原理

根據(jù)蘭基涅-胡果尼方程計(jì)算得出激波的平臺(tái)壓力值。蘭基涅-胡果尼方程空氣沖擊波的入射和反射超壓與波前馬赫數(shù)的關(guān)系為[6]：

(1)

(2)

MS=v/c

(3)

(4)

v=s/t

(5)

式中：Δp2為空氣沖擊波波前的入射超壓；Δp5為空氣沖擊波波前的反射超壓；p1為低壓室氣體初始?jí)毫?；MS為空氣沖擊波波前的馬赫數(shù)；v為空氣沖擊波波前的傳播速度；c為空氣中的聲速；s為兩測(cè)速傳感器的距離；t為激波經(jīng)過(guò)兩測(cè)速傳感器的時(shí)間間隔；T為未擾動(dòng)時(shí)空氣的溫度。

2．3檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)激波管測(cè)試后得到兩種情況傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　較準(zhǔn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果中兩種狀態(tài)下傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度的變化在校準(zhǔn)誤差5%范圍內(nèi)，因此表明傳感器表面涂抹硅脂和碳粉混合物對(duì)靈敏度無(wú)影響。傳感器表面涂抹混合物后上升時(shí)間有所增加，諧振頻率有所降低。對(duì)于油氣爆炸沖擊波測(cè)試而言，最為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)即為對(duì)沖擊波測(cè)試的靈敏度，沖擊波的最大值反映了爆炸的破壞程度，因此根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在壓阻式傳感器表面添加硅脂和碳粉的混合涂層能夠在有效消除光干擾的情況下較為準(zhǔn)確的測(cè)量爆炸產(chǎn)生的沖擊波。

3　油氣爆炸沖擊波測(cè)量

將經(jīng)過(guò)處理后的傳感器用于埋地油罐罐內(nèi)油氣爆炸的測(cè)量，油罐體積為50 m3，內(nèi)部充滿處于爆炸范圍內(nèi)的油氣，油罐爆炸工況為敞口爆炸，點(diǎn)火點(diǎn)位于油罐內(nèi)部。油罐上開(kāi)DN500的人孔并制作1 m×1 m×1 m的人孔井為泄放口。油罐內(nèi)部設(shè)置一個(gè)壓力沖擊波測(cè)點(diǎn)，固定于罐壁，用于測(cè)量油氣爆炸對(duì)油罐產(chǎn)生的沖擊，傳感器的布置如圖4所示。

圖4　傳感器布置圖

埋地油罐點(diǎn)火后，罐內(nèi)發(fā)生爆炸，爆炸產(chǎn)生的火焰和沖擊向人孔井口正上方釋放，持續(xù)2～3 s．油罐內(nèi)部沖擊波如圖5所示，可以看出，敞口爆炸時(shí)，罐內(nèi)產(chǎn)生300 kPa左右的沖擊波，由于測(cè)點(diǎn)布置于罐壁，與經(jīng)典沖擊波波形不同的是，沖擊波正壓過(guò)后不會(huì)形成真空負(fù)壓段。

圖5　沖擊波測(cè)量結(jié)果

4　結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)某型壓阻傳感器受到光干擾會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)波脈沖的問(wèn)題，將特殊處理過(guò)的隔光硅脂涂抹于傳感器表面，經(jīng)過(guò)閃光實(shí)驗(yàn)證明該方法能夠有效的消除光干擾。利用激波管對(duì)未經(jīng)處理的傳感器和經(jīng)過(guò)隔光硅脂處理過(guò)的傳感器進(jìn)行測(cè)試，兩種狀態(tài)下傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度的變化在校準(zhǔn)誤差5%范圍內(nèi)，結(jié)果表明傳感器表面涂抹硅脂和碳粉混合物對(duì)靈敏度無(wú)影響。將處理過(guò)的壓阻式傳感器用于埋地油罐的罐內(nèi)爆炸壓力沖擊波測(cè)量，得到了合理可信的測(cè)量結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

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[6]趙亞梅．某微型壓力傳感器瞬態(tài)光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理方法研究[學(xué)位論文]．太原：中北大學(xué)，2007．