基于準δ高壓傳感器動態(tài)校準系統(tǒng)研究

李楊華

摘 要：本文主要是介紹一種適用于兵器工業(yè)領域中高動壓測試的技術：準δ校準。在以前的研究中已經有了一系列的校準方法及其相應的校準裝置，但由于這些校準裝置只適用于低壓測試，而且產生的誤差也比較大，在這樣的前提下提出了準δ校準這樣的一個新概念。因此，準δ校準的目的是改正傳統(tǒng)的校準方法不能適應高壓的缺點，并提高精度。本文主要介紹了準δ校準法的定義、提出的背景以及準δ校準法的優(yōu)越性，同時設計出了它的校準裝置并敘述了其工作原理。到目前為止，國內外對于高動壓測試技術的研究并不是很完善，準δ校準技術也是如此，都需要做進一步地研究。

關鍵詞：準δ校準；校準裝置；準δ信號

1 引言

今天，信息技術對社會發(fā)展﹑科學進步起到了決定性作用。而信息的采集離不開傳感器技術，傳感器廣泛應用于各個領域。利用傳感器要獲得準確的測量結果，就必須對傳感器和測量系統(tǒng)進行正確校準。我國近年來在高壓傳感器的動態(tài)標定技術和設備的研究方面進行了大量的探索和研究，并取得了一系列明顯的成績。為確保動態(tài)參數測試的精度、可靠和統(tǒng)一，就要求在大力發(fā)展動態(tài)測試技術的同時，開展動態(tài)校準技術的研究，尤其是高壓動態(tài)校準技術方面的研究。

2 準δ校準

本文主要是研究高動壓測試中的一種方法：準δ校準法。首先要了解準δ校準法提出的前提；其次，要知道準δ校準法相對于以往的校準方法存在怎樣的特點和優(yōu)勢。

2.1 準δ校準法的提出

理論上，若以理想的δ脈沖（δ—函數）激勵某系統(tǒng)，那么其響應（時域）就是該系統(tǒng)的脈沖響應，且此響應的傅立葉變換即為該系統(tǒng)的頻率響應特性。因此，如果能實際產生近似的δ脈沖并用它對傳感器與測試系統(tǒng)進行激勵，則對其響應作傅立葉變換，就可獲得一定精度的傳感器與測試系統(tǒng)的頻率響應特性。從校準的意義上講，其實質是以近似的δ脈沖作激勵源。若稱此近似的δ脈沖為準δ脈沖，則相應的動態(tài)校準方法可稱為準δ校準法。

2.2 準δ函數和準δ信號的定義

準δ函數，又名沖激函數，它寬度為0，幅值∞，積分面積為1，頻譜從0～∞均為恒值，是最理想的激勵源，但在物理上無法實現(xiàn)。

準δ信號：若一波形任意的時限脈沖函數f（t），在一定頻率范圍內和任意給定的精度上與δ函數有近似的歸一化幅相頻譜，則稱f（t）為該精度上的準δ函數，或稱準δ沖激、準δ脈沖。脈寬為微秒量級，幅值為一定值，物理上能夠實現(xiàn)。

2.3 準δ信號的特點

分析后可以歸納出準δ信號的三個特點：

①準δ信號的頻譜從零頻開始，比較平緩，適合精確的校準；

②準δ信號的波形不影響其頻譜。也就是說，波形不一樣的準δ信號通過傅立葉變換得到的頻譜相差不大；

③準δ信號的脈沖寬度越窄，得到的頻譜就越平緩。

2.4 準δ校準法的優(yōu)越性

對于本課題研究的準δ校準法，相對于以往的校準方法，存在著明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下的一些方面：

①根據上面的介紹可以知道，對作為激勵信號的準δ信號僅限制激勵脈沖的脈寬而不限制激勵的波形，加之校準的頻率響應特性采用以零頻幅值歸一化，雖然在高壓下校準但并不需要對高壓脈沖幅值作精確的測量。這樣，就避開了傳統(tǒng)的校準方法必須精確地已知激勵波形的難點。

②準δ信號作為壓力動態(tài)校準的激勵源，相應的動態(tài)校準法即準δ法，使頻率響應特性可校準的下限頻率嚴格地達到零頻，從而開辟由靜態(tài)靈敏度向動態(tài)靈敏度過渡的有效途徑。就目前的校準技術而言，可校準的最高動壓和上限頻率分別為100OMPa和2OkHz，且幅頻、相頻校準誤差小于2～5%。

3 校準裝置及工作原理

3.1 校準裝置組成

整個系統(tǒng)由基座、定位支架、槍管、霍普金遜桿、壓電傳感器、應變儀和高壓甘油以及電荷放大器、瞬態(tài)波形記錄儀等組成。原理框圖如圖

①圖中的電磁閥是一種常閉的裝置，即使接上電源后也是關閉的。但當電源關閉的一瞬間，電磁閥就打開了；

②霍普金遜桿本質上是一種簡單的彈性桿，在桿的一端施加未知的壓力—時間載荷，產生一個彈性波在桿中傳播，彈性波通過試件時，使試件發(fā)生塑性變形。它是測試瞬態(tài)脈沖應力的一種方法；

③高壓甘油產生的靜壓有活塞式壓力計產生，通過改變活塞式壓力計的砝碼就可以得到不同的靜態(tài)壓力。1000MPa活塞式壓力計（以下簡稱壓力計）作為50MPa—1000MPa范圍內檢定標準彈簧壓力表和校驗壓力傳感器。也可以用于實驗室其它高精度壓力測量。本壓力計主要由架體、柱塞泵、高壓連通管、傳動裝置、倍壓器、測量頭、砝碼等七個部分組成。倍壓器的作用是通過一定的倍數比將柱塞泵產生的低壓變?yōu)楦邏?。測量頭的作用是通過一定的倍數比減低壓力，并通過活塞和砝碼相連接。根據砝碼的質量可知倍壓器高壓腔的壓力。

3.2 校準裝置工作原理

高壓氣瓶中的氣體通過手動閥放入高壓氣室中，高壓氣室有一定的體積容量，通過上面的壓力表可以看到此時的氣壓，關閉手動閥，使氣瓶和高壓氣室隔離。打開電磁閥，高壓氣體進入空氣炮，推動子彈在槍膛中快速運動，子彈撞擊霍普金遜桿，此時產生的信號就相當于準δ信號。由于作用的時間極短，產生的壓力波在霍普金遜桿中快速傳播，它在高壓甘油和霍普金遜桿兩接觸面之間發(fā)生反射和折射，折射波進入高壓甘油中，激勵傳感器的敏感面，對傳感器施加一個激勵信號。由于傳感器中壓電晶體產生的電量很小，需要通過電荷放大器對電壓信號進行放大，這樣才能被瞬態(tài)波形記錄儀接受并顯示出一定的波形，再通過與其相連的計算機對波形進行分析就可以得到傳感器在相應高壓下的響應，并保存結果。同時，在霍普金遜桿上貼上應變片，來監(jiān)測應力波在霍普金遜桿中傳播的情況。

本文研究的準δ校準裝置的優(yōu)點在于：將傳感器放置在密封的高壓甘油中，這一部分產生的壓力是很大的，而傳感器實際感受到的壓力就只是壓力發(fā)生器產生的壓力，就是子彈撞擊霍普金遜桿后傳到傳感器上面的壓力。因此，不會損壞傳感器的壓電晶體和垂鏈結構。

4 結論

在兵器工業(yè)領域中，對于校準方法要求很高，以往適用于低壓測試的一些裝置已經不能用于高動壓的測量。而本文研究的準δ校準技術及其裝置適用于高壓測試的要求，并且可以使頻率響應特性可校準的下限頻率嚴格地達到零頻，最重要的是利用準δ信號作為校準的激勵源可以避開傳統(tǒng)的校準方法必須精確地已知激勵波形的難點。因此，此校準方法在高壓傳感器動態(tài)校準系統(tǒng)研究中被廣泛應用。

參考文獻

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