PVDF 傳感器在水中爆炸弱壓力信號測量中的應(yīng)用

閆瀟敏，李芝絨，陳 君，翟紅波，張玉磊

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065)

0 引 言

近幾年，國內(nèi)外對水中炸藥沖擊波超壓和氣泡能的測量已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，取得了不少的科研成果［1～3］。在對炸藥水中爆炸性能進(jìn)行研究過程中，有時需要對小藥量試驗的沖擊波壓力進(jìn)行測量，有時需要對較遠(yuǎn)距離處的沖擊波壓力進(jìn)行測量，這些壓力存在信號弱、易被噪聲淹沒的問題。對于水中爆炸沖擊波本身就弱的信號，氣泡脈動壓力就更加微弱。要準(zhǔn)確地測量沖擊波能和氣泡能這兩個參數(shù)，對傳感器就要有一些特殊的要求，不僅要滿足低量程、高靈敏度的要求，還要求頻率響應(yīng)要特別高，以減小測試波形的失真［4］。目前用于水中爆炸壓力測量的傳感器多是美國PCB 公司生產(chǎn)的以電氣石晶體作為壓電轉(zhuǎn)換元件的138A 型傳感器，這種傳感器價格昂貴，試驗成本較高。而且這種傳感器的晶體組件外層由金屬網(wǎng)、硅油和塑料管三種材料包裹，如果其中的兩種材料聲阻抗不匹配，就會影響壓力信號的測試結(jié)果。

本文通過水中爆炸試驗對自行研制的聚偏氟乙烯(PVDF)傳感器進(jìn)行了試驗驗證，傳感器的各項性能指標(biāo)達(dá)到使用要求，可以用于水中爆炸微弱壓力信號的測量。PVDF 傳感器具有很高的頻響，特別是它與水的聲阻抗相近，可以滿足水中爆炸弱壓力信號測量對頻響和靈敏度的要求，用來測量水中爆炸沖擊波壓力應(yīng)用前景廣闊［5，6］。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 敏感元件的選擇

水中爆炸弱信號的測量，須選用合適的傳感器。電氣石因其具有頻響高、穩(wěn)定性及線性良好而被作為敏感元件應(yīng)用于水中壓力傳感器，但其靈敏度偏低，在被測壓力較大時，可以輸出足夠的幅值，但當(dāng)被測壓力較小時，輸出就顯得不足。PVDF 壓電薄膜材料具有頻響范圍寬、靈敏度高等特點，能根據(jù)需要做成合適的面積，可以滿足弱壓力信號測量對頻響和靈敏度的要求。用PVDF 壓電薄膜作為敏感元件制作PVDF 傳感器，制作工藝簡單、成本低，適合于水中爆炸微弱信號的測量。同時采用傳感器內(nèi)裝放大電路的方法，可以使傳感器具有高信噪比和高頻響性能。

1.2 傳感器的制作

傳感器由壓電轉(zhuǎn)換元件(即晶體組件)和放大電路兩部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。壓電轉(zhuǎn)換元件用PVDF 壓電薄膜制作。將壓電薄膜材料裁剪成Ф3～Ф5 大小的圓片，在壓電薄膜兩表面分別粘貼上2 根細(xì)導(dǎo)線，2 根導(dǎo)線分別連接到內(nèi)裝放大器的輸入端，再將內(nèi)裝放大器封裝在具有一定強度的金屬殼體內(nèi)，封裝時做好防水密封處理。壓電薄膜用液體硅橡膠材料封裝、再固化，形成與水的聲阻抗匹配的、高絕緣阻抗的固態(tài)封裝，使傳感器結(jié)構(gòu)簡單但又不易被爆炸產(chǎn)物擊壞，提高了傳感器使用的可靠性。傳感器還配有電源變換器，其功能是給內(nèi)裝放大電路供電，并對信號輸出進(jìn)行歸一化處理。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Schematic structure of sensor

1.3 傳感器的標(biāo)定

傳感器的動態(tài)靈敏度標(biāo)定采用比較校準(zhǔn)標(biāo)定法［7］。將被校傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器分別安裝在液壓標(biāo)定器兩邊的接頭上，壓力源激勵的壓力擠壓腔內(nèi)油介質(zhì)，產(chǎn)生的壓力脈沖同時作用在2 只傳感器上，比較標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被校傳感器的輸出峰值便可完成靈敏度校準(zhǔn)。改變撞擊強度，即標(biāo)定出傳感器在不同激勵峰值下的靈敏度。傳感器動態(tài)校準(zhǔn)原理如圖2 所示。

圖2 傳感器動態(tài)靈敏度校準(zhǔn)原理圖Fig 2 Principle diagram of dynamic sensitivity calibration of sensors

2 水池試驗

2.1 試驗條件

爆炸試驗水池直徑5 m，水深3 m，試驗炸藥為5 g TNT，安裝深度0.7 m，水中爆炸試驗布置如圖3 所示。傳感器固定在一根橫桿上形成傳感器簇(編號如圖4 所示)，入水深度0.7 m，每2 只傳感器之間距離0.1 m，為考察系統(tǒng)頻響對測量結(jié)果的影響，4'#傳感器不帶內(nèi)裝放大電路，使用采樣頻率只有100 kHz 的采集儀器。炸點距離橫桿的垂直距離為1.5 m。

試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用8 通道以上的同步數(shù)據(jù)采集儀、計算機和同步觸發(fā)控制器，5 m 長的定位支架等，采集儀采樣頻率500 kSPS，觸發(fā)設(shè)置:正延遲(100 ms)。

圖3 水中爆炸試驗布置示意圖Fig 3 Layout of underwater explosion test

圖4 傳感器安裝位置示意圖Fig 4 Installation location of sensors

2.2 試驗結(jié)果

在本試驗條件下，對5 g TNT 炸藥水中爆炸試驗，測量炸藥在水中爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力隨時間變化曲線和氣泡脈動壓力波，典型測試波形見圖5，爆炸測試試驗數(shù)據(jù)見表1。

圖5 典型沖擊波超壓與氣泡壓力波形Fig 5 Typical waves of shock wave over pressure and bubble pressure

試驗環(huán)境參數(shù):水中溫度:15 ℃;大氣壓:710 mmHg(94 659Pa);密度:1.6 g/cm3;聲速:1 446.6 m/s2。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 測量數(shù)據(jù)的差異性分析

由圖5 可以看出:PVDF 傳感器在試驗中獲得的沖擊波波形上升前沿陡峭，抗干擾能力強。從表1 的數(shù)據(jù)可以看出:每只傳感器測量的沖擊波到達(dá)時間和氣泡脈動峰值時間基本一致，且測量得到的沖擊波超壓峰值與理論超壓峰值相差不大;沖擊波超壓峰值隨著爆心距增大而逐漸減小，個別測點的沖擊波超壓峰值例外，如4#傳感器測得的沖擊波超壓峰值為4.29 MPa，大于3#和3'#傳感器的測量結(jié)果，這是因為小藥量炸藥水中爆炸時，存在著爆轟不穩(wěn)定的現(xiàn)象。傳感器全部安裝在一根橫桿上，間隔距離較小，所以，即便是對稱測點，它們的爆心距也不能保證絕對相等。因此，對稱測點測得的沖擊波超壓峰值略有不同。

2.3.2 系統(tǒng)頻響對測量結(jié)果的影響

測量系統(tǒng)的高頻響應(yīng)對測量結(jié)果的影響很大，主要影響測量結(jié)果的峰值大小和峰值到達(dá)的時間，改變波形的時間常數(shù)。對于小藥量的爆炸參數(shù)測試，對系統(tǒng)的頻響要求高。由于4'#傳感器不帶內(nèi)裝放大電路，使用的采集儀器采樣頻率只有100 kHz，從測試數(shù)據(jù)可以看出:4'#傳感器測得的沖擊波壓力比另一側(cè)對稱位置的4#傳感器測得的沖擊波超壓明顯偏低，原因就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)頻響低，造成信號高頻分量丟失。

表1 水中爆炸試驗測量數(shù)據(jù)Tab 1 Measurement data of underwater explosive experiment

3 結(jié) 論

本文采用PVDF 壓電薄膜作為敏感元件和帶內(nèi)裝放大電路的傳感器，在5 g TNT 炸藥水池爆炸壓力測量中，得到了沖擊波與氣泡脈動壓力曲線，波形一致性較好，沖擊波波形上升前沿陡峭，抗干擾能力強。說明對于5 g TNT 藥量，PVDF 傳感器配合高頻響的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能正常輸出上升前沿陡峭的沖擊波超壓和低頻響的氣泡脈動壓力測試波形，可以用于炸藥水中爆炸微弱壓力信號的測量。

［1］ 黃正平.爆炸與沖擊電測技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［2］ 周聽清.爆炸動力學(xué)及其應(yīng)用［M］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2001.

［3］ Cole R P.水下爆炸［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1965.

［4］ 李玉節(jié)，趙本立.水下爆炸壓力測量中的若干問題［J］.試驗力學(xué)，1992，7(1):17－22.

［5］ Kenji Murata，Katsuhiko Takahashi，Yukio Kato.Precise measurements of underwater explosion phenomena by pressure sensor using fluoropolymer［J］.Journal of Materials Processing Technology，Elsevier Science SA，1999，85:39－42.

［6］ 趙繼波，譚多望，張遠(yuǎn)平，等.PVDF 計在水中爆炸近場壓力測試中的應(yīng)用［J］.火炸藥學(xué)報，2009，32(3):1－4.

［7］ 殷俊蘭，蘇健軍，陳 君.水中壓力傳感器靈敏度校準(zhǔn)的研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(12):29－31.