放入式電子測壓器的校準技術研究

楊　文，張　瑜，祖　靜

（1.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051；2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051；3.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

放入式電子測壓器的校準技術研究

楊文1，張瑜1，祖靜2，3*

（1.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051；2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051；3.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

電子測壓器是理想的火炮膛壓測試儀器，用經(jīng)過靜態(tài)標定的測壓器測得的火炮膛壓峰值與銅柱測壓器測得的峰值相比散布很大。究其原因可能是選用的壓力傳感器的帶寬無法完全覆蓋膛壓信號的帶寬，也可能是火炮發(fā)射時的惡劣環(huán)境改變了傳感器的動態(tài)特性。針對上述問題，通過準δ函數(shù)校準法得出壓力傳感器的頻響特性完全滿足測量膛壓的要求。設計了模擬膛壓校準裝置，能模擬火炮膛內(nèi)高溫高壓環(huán)境，產(chǎn)生幅值在80 MPa～800 MPa，脈寬在10 ms～20 ms的壓力信號。實彈測試數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過模擬應用環(huán)境校準后的測壓器所測壓力峰值分布穩(wěn)定性好、置信度高。

準δ函數(shù)校準法；模擬應用環(huán)境；電子測壓器；高精度

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.020

膛壓測試的精度對火炮、彈丸、發(fā)射藥的設計、研制起著舉足輕重的作用。放入式電子測壓器由壓電式壓力傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器及高強度殼體組成的測試系統(tǒng)。測試時將測壓器置于火炮膛底，自動完成信號的采集和存儲，并可重復使用，是一種理想的火炮膛壓測試儀器［1-3］。

采用在實驗室環(huán)境下靜態(tài)標定的測壓器進行實彈測試，在彈重與裝藥條件一致的情況下，膛壓曲線與銅柱測壓器測得的壓力峰值比對，散布較大。其原因可能來自兩個方面:第一，選用的壓力傳感器的有效帶寬不能夠覆蓋被測膛壓信號的有效帶寬；第二，由于火炮發(fā)射時產(chǎn)生的瞬時高溫、高壓改變了壓力傳感器和電路的工作特性。

本文針對影響測壓器精確度的原因進行了實驗研究。首先，根據(jù)改進的準δ函數(shù)脈沖壓力校準法得到壓力傳感器的頻域響應曲線，定量的論證了所選用的壓力傳感器測試火炮膛壓的合理性。然后，根據(jù)設計的模擬膛壓發(fā)生器校準裝置，采用環(huán)境因子校準法對電子測壓器實施校準［4-6］。

1　準δ函數(shù)脈沖校準法

壓力傳感器是獲取信號的源頭，電子測壓器能否精確測量膛壓信號主要取決于壓力傳感器是否能準確獲取膛壓信號。目前，常使用激波管對傳感器進行校準。但是，其紙磨片壓力幅值較小，僅適用于低壓校準，并且測量的下限頻率無法至0。目前的準δ函數(shù)脈沖壓力發(fā)生器是利用垂直飛片打擊液面，在液盂里產(chǎn)生壓力窄脈沖，壓力可達500 MPa。當壓力波反射時會產(chǎn)生幅值很大的拉應力，拉應力作用于壓電晶片就會產(chǎn)生負壓，容易損壞傳感器。針對傳統(tǒng)方法的不足，對測試裝備進行了改進。

改進后的準δ函數(shù)校準裝置主要由Hopkinson桿、高壓油腔、應變片、氣槍管、彈丸、電磁閥、高壓氣腔、壓力傳感器、錳銅傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。事先用砝碼加在活塞上形成400 MPa的靜態(tài)高壓，高壓氣體通過電磁閥推動彈丸高速運動，子彈撞擊Hopkinson桿，產(chǎn)生幅值較小的準δ壓力脈沖，可避免反射拉應力形成負壓。同時采集壓力傳感器和錳銅傳感器的輸出信號，根據(jù)校準原理對實驗數(shù)據(jù)進行進行處理，即可得到壓力傳感器的頻率特性曲線［7］。

圖1　準δ校準裝置系統(tǒng)

若已知產(chǎn)生的δ信號的波形和以δ信號為激勵的輸出波形，通過求傅里葉變換可以得到傳感器的頻率響應H（jw）。設計中使用頻率響應較高的錳銅傳感器采集激勵信號 f（t），采集壓力傳感器傳感器的輸出信號 y（t），則被校準傳感器的頻率響應

假設準δ信號 f（t）是是脈沖寬度為τ，壓力峰值為p的矩形脈沖信號。

信號f（t）的頻譜F（w）為:

f（t）的歸一化幅頻譜

圖2是壓力傳感器的頻率響應曲線，該傳感器的諧振頻率約為252 kHz。在幅值誤差小于5%的條件下，頻響特性在0～20 kHz段比較平坦，而火炮膛壓的有效帶寬是0～5 kHz，說明選用的壓力傳感器應用于火炮膛壓測試是合理的。

圖2　壓力傳感器的頻域響應

圖3　模擬膛壓校準系統(tǒng)

2　基于環(huán)境因子的準靜態(tài)校準

經(jīng)過以上驗證，導致測壓器測量的誤差來源只可能是實彈的高溫、高壓、熱沖擊等因素影響使壓力傳感器的動態(tài)特性發(fā)生了改變。因此，要得出在實彈環(huán)境中壓力傳感器的靈敏度，必須把傳感器之與實彈環(huán)境下進行校準，這種辦法顯然不可取。采用模擬環(huán)境因子校準法，可以實現(xiàn)對壓力傳感器的校準。所謂模擬環(huán)境因子校準方法是指把壓力傳感器置于與實彈環(huán)境類似的條件下所做出的測量。

圖3是經(jīng)過改進的模擬應用環(huán)境的校準系統(tǒng)，該裝置操作更加簡單，主要由模擬膛壓發(fā)生器、測壓器、3個標準壓力傳感器、信號采集系統(tǒng)和高低溫實驗箱等部分組成，模擬膛壓校準系統(tǒng)框圖如圖3。實彈測試時，測壓器通常要隨彈保溫，在實驗中常使用高低溫實驗箱保溫48 h。保溫48 h后迅速放入模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)，點火起爆后標準壓力傳感器與被校傳感器同時采集信號。每個被校傳感器分別置于高溫、低溫、常溫中各測多組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后擬合出被校傳感器的靈敏度系數(shù)［8］。

2.1模擬應用環(huán)境下準靜態(tài)校準的合理性分析

2.1.1模擬膛壓發(fā)生器與火炮實射環(huán)境的相似性分析

模擬膛壓發(fā)生器是通過控制點火開關，使火藥瞬態(tài)燃燒的方式模擬出火炮的環(huán)境。根據(jù)高溫高壓的火藥氣體狀態(tài)方程，其中R為與氣體組分有關的常數(shù)；T為火藥的燃燒溫度；v為火藥氣體的比容；α為氣體的分子容積。當裝入火藥的量一定時，產(chǎn)生的溫度T一定。由公式可以得出，不同的火藥裝入量，產(chǎn)生的溫度不同，即可產(chǎn)生不同的壓力值。通過控制火藥的多少即可模擬出不同彈丸的發(fā)射環(huán)境。

2.1.2被校測壓器的合理性分析

圖4為模擬膛壓校準系統(tǒng)中被校測壓器與三套標準系統(tǒng)的相對位置。三套標準系統(tǒng)已經(jīng)過國防高壓計量一級站溯源性校準，基本誤差小于滿量程的0.05%。經(jīng)過大量的測試分析，三套標準系統(tǒng)的平均壓力曲線，與三套標準系統(tǒng)各自測得的壓力曲線，兩兩之間的相關系數(shù)在0.999 9以上。說明三套系統(tǒng)受同一壓力激勵源。

圖4　被校傳感器與三個標準傳感器的相對位置

圖5為被校測壓器所測壓力曲線與標準系統(tǒng)平均壓力曲線。其中，實線為測壓器測得的壓力曲線，虛線為三套標準系統(tǒng)的平均壓力曲線。，xst為被校傳感器的壓力信號，xsti為三套標準系統(tǒng)所測壓力曲線的平均值。Cxstx-sti（τ）max≥0.999。說明三套標準系統(tǒng)與被校準測壓器所測壓力具有的相關性。即三套標準系統(tǒng)與被校測壓器測量的是同一局部環(huán)境的壓力過程［9-10］。

圖5　被校傳感器壓力曲線與標準系統(tǒng)平均壓力曲線

表1和表2分別為實測火炮的膛壓信號測試參數(shù)和模擬膛壓發(fā)生器的信號測試參數(shù)。由表2可知，當裝藥量相同時，模擬膛壓發(fā)生器產(chǎn)生的最大壓力值隨著膜片厚度的增加而增大。

表1　實炮膛壓信號的數(shù)據(jù)參數(shù)

表2　模擬膛壓信號的數(shù)據(jù)參數(shù)

圖6　130火炮實測膛壓曲線及其頻譜

由表1和表2數(shù)據(jù)可知，實炮膛壓產(chǎn)生的壓力信號與模擬膛壓發(fā)生器產(chǎn)生的壓力信號的幅值和脈寬相似。圖6和圖7分別為130火炮實測膛壓曲線及其頻譜和模擬膛壓發(fā)生器的壓力曲線和頻譜圖。某型火炮的壓力峰值為324.34 MPa，上升時間4.61 ms，脈寬為20.84 ms。模擬膛壓發(fā)生器的壓力峰值為463.28 MPa，上升時間2.02 ms，脈寬23.43 ms。說明了模擬膛壓發(fā)生器與實彈環(huán)境下對測壓器的作用具有相似性。

圖7　模擬膛壓發(fā)生器的壓力曲線和頻譜圖

2.2準靜態(tài)校準方法

3套標準壓力傳感器經(jīng)過國防高壓力計量一級站靜態(tài)特性溯源。分別在三種保溫下進行試驗，每種溫度下進行若干次試驗，獲得各境溫度下的數(shù)據(jù)。下面以常溫試驗為例說明，常溫下測壓器測得的壓力曲線為yi，單位MPa，xi為對應的測量電壓輸出量，單位為bit。把數(shù)據(jù)進行最小二乘法線性回歸處理，求得常溫下的動態(tài)直線方程yi=kxi+b，其中bi為截距，單位MPa；ki為某溫度下的靈敏度系數(shù)，單位MPa/bit［11-12］。

3　放入式電子測壓器實測數(shù)據(jù)分析

表3是實驗室環(huán)境下對測壓器進行標定的靈敏度系數(shù)和模擬應用環(huán)境下校準的靈敏度系數(shù)對比結果。說明在高溫高的環(huán)境下會改變測壓器的靈敏度系數(shù)。

表3　靜態(tài)標定與環(huán)境因子校準靈敏度系數(shù)

銅柱測壓法是一種傳統(tǒng)的測試膛壓的方法，此方法測試可信度高。表4是用銅柱測壓法和電子測壓器測得的膛壓值。從表中可看出，準靜態(tài)校準前測試的數(shù)據(jù)與銅柱測壓法測得的壓力峰值相比分散較大。說明在準靜態(tài)校準前的電子測壓器置信度較低，經(jīng)過基于環(huán)境因子的準靜態(tài)校準后，壓力峰值散布明顯降低，并且低于銅柱測試法。驗證了電子測壓器設計的合理性。電子測壓器與銅柱測試法相比抗干擾能力更強，測試精度更高，并且能完整記錄膛內(nèi)壓力的變化情況，能為身管武器的設計提供更可靠的信息。

表4　實炮測試數(shù)據(jù)　單位:MPa

4　結論

通過對靜態(tài)標定的放入式電子測壓器測得的數(shù)據(jù)分析，利用準δ函數(shù)脈沖法得到了傳感器的動態(tài)特性，驗證了壓力傳感器完全滿足對火炮膛壓的測試。盡管對測壓器的靜態(tài)標定的精度很高，但是是在實驗室環(huán)境下進行的。在實彈惡劣的環(huán)境下，可能會改變測壓器的靜、動態(tài)特性，所以，之前標定的結果就不準確。通過模擬膛壓環(huán)境，再對測壓器進行校準得到的靈敏度更準確。通過多次記錄的實彈膛壓曲線表明，模擬環(huán)境的準靜態(tài)校準后測得的數(shù)據(jù)分布明顯變小，說明了模擬應用環(huán)境下的準靜態(tài)校準法是可行的。

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楊文（1987-），男，漢族，湖北荊州人，碩士，研究方向為動態(tài)測試與智能儀器yangwen8136@163.com；

祖靜（1933-），男，漢族，北京人，教授，博士生導師，主要研究方向為儀器科學與技術，動態(tài)測試與智能儀器等，Jingzu@pubilc.ty.sx.cn。

Research on Calibration of Internal Electronic Piezo Gauge

YANG Wen1，ZHANG Yu1，ZU Jing2，3*

（1.School of Computer and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；3.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement（North University of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

Electronic pressure measuring device is an ideal instrument for measuring the pressure of artillery，the static calibration of pressure measured pressure value is large distribution compared with copper crusher.The reason may be the pressure sensor can not be fully covered bore pressure signal，or may be the dynamic characteristics of the sensor have been changed by the harsh environment when the gun is fired.In view of the above problems，through the quasiδcalibration function method proved frequency response characteristics of the pressure sensor fully meets the measurement requirements of bore pressure.Designed a simulation chamber pressure calibration device，which can simulate the high temperature and high pressure environment of artillery bore，and can generate amplitude in 800 MPa～800 MPa，pulse width at 10 ms～20 ms pressure signal.The actual test data show that after the simulation of the application environment，the stability of the pressure peak value of the pressure sensor is high，and the confidence level is high.

quasi-δfunction calibration；simulated application environment；Electronic pressure；high-precision

TM930.12

A

1004-1699（2015）09-1384-05

2015-05-08修改日期:2015-07-13