內(nèi)置式壓力測(cè)試方法的研究

中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室　劉　磊　李新娥

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內(nèi)置式壓力測(cè)試方法的研究

中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室劉磊李新娥

【摘要】為了完成在惡劣環(huán)境下的壓力測(cè)試，本文基于實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的內(nèi)置式壓力測(cè)試儀，提出并改進(jìn)了一種基于測(cè)試儀殼體電容充放電原理的微小電容檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)電路主要包括三個(gè)部分：信號(hào)調(diào)理電路、電源管理電路和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)電路。通過(guò)理論分析與計(jì)算，確定了電路的各個(gè)參數(shù)。分析了在不同時(shí)刻的采樣波形和同一采樣周期內(nèi)電容不同充放電振蕩周期的數(shù)據(jù)采集情況，讀取系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)獲得了完整的壓力p-t曲線，驗(yàn)證了該內(nèi)置式壓力測(cè)試方法的有效性和可行性。

【關(guān)鍵詞】?jī)?nèi)置式；壓力測(cè)試；檢測(cè)系統(tǒng)

0　引言

在惡劣環(huán)境下的壓力測(cè)試，如火炮膛內(nèi)壓力的測(cè)試[1]，在測(cè)試過(guò)程中瞬時(shí)高溫可達(dá)3000oC，并且火藥燃燒伴隨巨大的電磁噪聲及震動(dòng)。這對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性要求極高[2]，而且需要將測(cè)試系統(tǒng)置于炮膛內(nèi)部。為了適應(yīng)這種高溫度、高壓力、強(qiáng)磁場(chǎng)的測(cè)試環(huán)境，需要設(shè)計(jì)一種微小體積、低功耗、高可靠性的內(nèi)置式壓力測(cè)試系統(tǒng)。

1　內(nèi)置式壓力測(cè)試儀

本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的內(nèi)置式壓力測(cè)試儀[3]，由外部殼體及其內(nèi)部的測(cè)試電路構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中外筒與內(nèi)筒構(gòu)成同軸圓柱型電容器，當(dāng)測(cè)壓儀受到外部壓力作用時(shí)，其外殼發(fā)生彈性形變，導(dǎo)致殼體電容發(fā)生變化，微小電容檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)并存儲(chǔ)電容兩端電壓值的變化情況，通過(guò)運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部壓力的測(cè)量[4，5]。

圖1 內(nèi)置式壓力測(cè)試儀實(shí)體結(jié)構(gòu)示意圖

2　微小電容檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于測(cè)試儀殼體電容充放電原理的微小電容檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖2所示，主要包括有單片機(jī)、電源管理模塊、信號(hào)調(diào)理電路、8M高速晶振、面板和串行接口。信號(hào)調(diào)理電路負(fù)責(zé)將系統(tǒng)采集到的電容信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓信號(hào)，再將相應(yīng)的變化情況記錄下來(lái)，其中對(duì)于信號(hào)的采集、處理和存儲(chǔ)均由單片機(jī)完成。電源管理模塊兒為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，并且在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)功耗的控制。面板提供電路模塊與外界的連接。

圖2　檢測(cè)系統(tǒng)整體框圖

2.1信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的核心部分，完成電容信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)變，故信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)直接影響檢測(cè)系統(tǒng)的性能。其主要由運(yùn)算放大器、RC充放電電路、電壓跟隨器和電壓比較器組成。其中運(yùn)算放大器和電壓比較器由單片機(jī)內(nèi)置模塊提供，同軸圓柱殼體作為RC充放電電路的電容，電壓跟隨器采用高帶寬的OPA365，模擬開(kāi)關(guān)采用高響應(yīng)速率的ADG719。

2.2電源管理電路

考慮到測(cè)試環(huán)境對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的要求，電池的選用原則是：容量盡可能大，體積小且能夠在－40oC環(huán)境下正常工作3～4小時(shí)，具有極強(qiáng)的抗沖擊能力。本電路中選用的是兵器213所研制的可充電耐低溫聚合物鋰離子電池，該電池空載電壓4.2V，容量40mAh，體積僅為0.8cm3。

電源管理電路采用芯片LP5996，電路的主要作用體現(xiàn)在減小系統(tǒng)功耗上。其中芯片的VCC和VDD分別為模擬電路供電電壓和數(shù)字電路供電電壓，EN1和EN2為VDD 和VCC的使能端，EN1連接電池始終處于使能狀態(tài)，使數(shù)字電路持續(xù)供電，而EN2接單片機(jī)的I/O口，受單片機(jī)控制，使模擬電路只需要在采樣期間才受到供電。

2.3晶振

為了滿足測(cè)試系統(tǒng)較高的采樣頻率，必須外接高頻晶體振蕩器，該電路使用的是SG-310-SCF8M，晶振的ST管腳同樣接單片機(jī)的一個(gè)I/O口，當(dāng)ST使能高電平時(shí)，輸出時(shí)鐘頻率為8MHz，其工作電流僅為1.5 mA。

3　數(shù)據(jù)處理

使用上位機(jī)軟件對(duì)存儲(chǔ)在單片機(jī)Flash中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，讀取后的P-t曲線如圖3所示。

4　總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于測(cè)試儀殼體電容充放電原理的微小電容檢測(cè)系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)電路，簡(jiǎn)單分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了檢測(cè)系統(tǒng)的可行性，為內(nèi)置式壓力的測(cè)試提供了理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)方法，為最終在惡劣環(huán)境下的壓力測(cè)試提供了基礎(chǔ)性的研究與設(shè)計(jì)。

圖3　讀值后的P-t曲線

不足之處是通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的噪聲較大，并且無(wú)法非常準(zhǔn)確的對(duì)每一部分噪聲的具體數(shù)值進(jìn)行定量分析，只能進(jìn)行粗略的計(jì)算，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的分析還有待進(jìn)一步深入。

參考文獻(xiàn)

[1]張文棟.存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]李新娥,祖靜,馬鐵華等.用于火炮膛內(nèi)壓力測(cè)試的電容式傳感器的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2011,32(3): 640-645.

[3]王海明,裴東興,張瑜等.微小型放入式電子測(cè)壓器的研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009,17(12):29-31.

[4]葉娟.微型殼體電容式電子測(cè)壓器的研究[D].中北大學(xué),2012.

[5]邵學(xué)濤.基于電容傳感原理的電子測(cè)壓器的研究[D].中北大學(xué),2011.

劉磊（1990—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，研究方向：動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器。

作者簡(jiǎn)介：