瞬態(tài)超高壓壓阻式傳感器技術(shù)研究

張敏華，胡曉紅，王育維，屈潔，張薇薇

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

0 引言

隨著國內(nèi)外高膛壓火炮技術(shù)的發(fā)展，電測膛壓已超過600 MPa，而膛內(nèi)壓力曲線的測試是研究火炮內(nèi)彈道與裝藥結(jié)構(gòu)及火炮性能的重要手段[1]。一般用于火炮膛壓測試的主要有壓阻式、應(yīng)變式和壓電式傳感器。而國內(nèi)現(xiàn)有的壓阻[2]或應(yīng)變式傳感器最高測量壓力只達(dá)到400 MPa，壓電式傳感器測量壓力雖達(dá)到1000 MPa，但其來源主要依靠進(jìn)口，價(jià)格高、配件昂貴，在使用上也受到各種條件影響(如濕度、電纜、裝配方式等)，不適合用于高膛壓火炮測試。本文提出一種適用于高膛壓火炮及高壓密閉實(shí)驗(yàn)裝置膛壓-時(shí)間(P-t)曲線測試所用的超高壓壓阻式傳感器，能夠在火炮發(fā)射及高壓密閉爆發(fā)器燃燒過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)高壓、高溫環(huán)境下進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力測量，測量范圍達(dá)到0～800 MPa。該傳感器選用具有良好壓阻效應(yīng)的硅鍺錳銅絲作為敏感元件材料，通過改進(jìn)制作工藝和裝配方式，實(shí)現(xiàn)了在高、低、常溫狀態(tài)下非線性誤差均不大于0.5%的性能，而且傳感器靈敏度高、體積小、安裝靈活方便，不受安裝位置的影響，可廣泛應(yīng)用于高膛壓火炮及高壓密閉爆發(fā)器試驗(yàn)裝置的壓力測試與研究。

圖1 壓阻式壓力傳感器工作原理圖

1 工作原理

所研究的傳感器采用壓阻式壓力傳感器工作原理[3]，如圖1所示。將阻值相同的四個(gè)電阻連接成Wheatstone電橋。其中R1為壓阻傳感器；R2為補(bǔ)償電阻，起溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?；R3，R4為固定電阻；VB為外加電壓。當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，補(bǔ)償電阻與測量電阻阻值同比例改變，使橋路輸出不受影響[4]。

Wheatstone電橋電路的輸出

(1)

當(dāng)傳感器不受力時(shí)，電阻值滿足關(guān)系式R1R3=R2R4，電路的輸出為零，因此在設(shè)計(jì)中，要求R1=R2=R3=R4=R，也即俗稱的等臂電橋，在無外應(yīng)力時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)。

當(dāng)傳感器上存在壓力時(shí)，其內(nèi)部壓敏電阻將發(fā)生形變，使得R1的阻值變?yōu)镽1+ΔR1，Wheatstone電橋失去平衡，產(chǎn)生輸出

(2)

代入R1=R2=R3=R4=R，且ΔR1=ΔR,由ΔR/(2R)?1可得

(3)

此時(shí)壓力傳感器輸出電壓V0正比于電阻的增量ΔR，電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生的電壓輸出為ΔR應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生電阻增量的電壓值，通過電橋電路把電阻絲的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓的輸出，然后提供給放大器電路放大后即可得到測試結(jié)果。

瞬態(tài)超高壓壓阻式傳感器以硅鍺錳銅電阻絲作為敏感元件[5]，敏感元件安裝在傳感器壓力腔內(nèi)，當(dāng)用于壓力測量時(shí)，腔內(nèi)注滿介質(zhì)油，所有敏感元件浸在一個(gè)全部密閉的腔體內(nèi)，壓力通過介質(zhì)油傳遞到敏感元件周圍，其受力處處相等，此時(shí)電阻絲的有關(guān)參數(shù)值均發(fā)生變化，引起電阻R的變化，即

(4)

式中：ρ為金屬絲電阻率；L為金屬絲長度；S為金屬絲的截面積。

在周圍壓力均勻作用下，金屬內(nèi)部原子間距縮小，改變了原來的排列狀態(tài)，這種排列狀態(tài)的改變使電阻率也發(fā)生變化，而L和S的變化十分微小，敏感元件在壓力作用下直接呈現(xiàn)電阻率變化。因此，式(4)可近似寫成

(5)

電阻R的變化由電阻率ρ的變化決定，而電阻率ρ是隨壓力和溫度而變化的，硅鍺錳銅合金的溫度系數(shù)小，溫度對(duì)電阻值的影響非常小，具有良好的壓阻效應(yīng)，因此該瞬態(tài)超高壓壓阻式傳感器壓力的變化與硅鍺錳銅絲電阻率的變化成正比。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及敏感元件制作

2.1 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使傳感器具有通用性和互換性，設(shè)計(jì)瞬態(tài)超高壓壓阻式傳感器安裝尺寸為M10×1，總長30 mm，密封面采用平面加斜面的自緊密封方式。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)物如圖3所示。

圖2 超高壓壓阻式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 超高壓壓阻式傳感器實(shí)物圖

設(shè)腔體內(nèi)承受的最大壓力為800 MPa，選取安全系數(shù)ns=1.1，該傳感器本體選擇高強(qiáng)度馬氏體特種時(shí)效鋼，其抗拉極限為σb=2060 MPa，屈服極限為σs=1990 MPa，腔體內(nèi)徑為r1=2×2.25 mm，外徑為r2=2×4.35 mm，按照第二強(qiáng)度理論計(jì)算腔體可承受的壓力為

(6)

從計(jì)算結(jié)果可以看出，傳感器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足最大膛壓800 MPa的使用要求。經(jīng)過反復(fù)的加壓試驗(yàn)，該傳感器能夠承受800 MPa的高壓。

2.2 敏感元件制作

敏感元件作為該瞬態(tài)高壓壓阻式傳感器的核心部件，制作工藝如下：兩根接線柱從陶瓷錐塞通孔穿過，兩端各留一定的長度，并用高強(qiáng)度絕緣膠密封固化后作為傳感器的兩個(gè)極,一端焊接導(dǎo)線作為傳感器兩個(gè)極的引出線，另一端兩根接線柱的根部焊接事先準(zhǔn)備好的硅鍺錳銅絲，在電阻絲二分之一長度處打結(jié)系一根棉線，之后將電阻絲從接線柱的頂端往下均勻纏繞，棉線亦均勻纏繞于電阻絲之上捆扎固定，起保護(hù)作用。此時(shí)測量引出線保證其電阻為120 Ω。裝配時(shí)，在錐塞錐體的外部涂抹高強(qiáng)度絕緣膠，使錐塞的錐面和本體的錐面充分接觸并固化。將頂螺旋入，導(dǎo)線穿進(jìn)套管進(jìn)入頂螺的中心孔內(nèi)，端面用環(huán)氧樹脂膠固化。

3 標(biāo)定與試驗(yàn)

標(biāo)定時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生已知的非電量并輸入到待標(biāo)定的傳感器中，然后將傳感器輸出量與輸入量的標(biāo)準(zhǔn)量做比較，獲得一系列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或曲線。靜態(tài)標(biāo)定量信號(hào)不隨時(shí)間變化的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)下，對(duì)傳感器的靜態(tài)特性如非線性、靈敏度等指標(biāo)進(jìn)行檢定。動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要是研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3.1 靜態(tài)標(biāo)定

按國軍標(biāo)對(duì)環(huán)境試驗(yàn)樣的要求，將3只超高壓壓阻式傳感器封裝好置于保溫設(shè)備中，分別在低溫-40 ℃、高溫+50 ℃、常溫20 ℃中連續(xù)保溫12 h以上，迅速取出安裝在3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的YU-1000活塞式壓力標(biāo)定機(jī)上進(jìn)行等壓力間隔靜態(tài)標(biāo)定[6]，標(biāo)定結(jié)果見表1。

表1 靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果

注：標(biāo)定結(jié)果P=a+bN。

從計(jì)算結(jié)果可看出，在高、低、常溫狀態(tài)下傳感器的非線性誤差均不大于0.5%，其靈敏度基本不變[7]。表明此瞬態(tài)超高壓壓阻傳感器所用的敏感元件對(duì)溫度變化不敏感，具有溫度互補(bǔ)功能，不會(huì)引起輸出特性(靈敏度)的波動(dòng)。

3.2 動(dòng)態(tài)標(biāo)定

采用落錘式動(dòng)態(tài)壓力標(biāo)定機(jī)Kistler6909對(duì)瞬態(tài)超高壓壓阻式傳感器和Kistler6215型壓電傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)對(duì)比標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見表2，動(dòng)態(tài)標(biāo)定曲線如圖4所示。

表2 動(dòng)態(tài)標(biāo)定結(jié)果

圖4 動(dòng)態(tài)標(biāo)定壓力-時(shí)間曲線

從壓力曲線可以看出，瞬態(tài)超高壓壓阻式傳感器與壓電傳感器所測曲線趨勢完全一致，但壓電傳感器具有更高的頻響，所測曲線壓力上升時(shí)間快。

3.3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

將裝配好的瞬態(tài)超高壓壓阻式傳感器與Kistler6215型壓電傳感器同時(shí)安裝在200 ml高壓密閉爆發(fā)器裝置上進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用雙芳3-16/1標(biāo)準(zhǔn)藥，裝填密度Δ=0.2 g/cm3，通過DEWE3010數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到試驗(yàn)曲線，如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，瞬態(tài)超高壓壓阻式傳感器與Kistler6215型壓電傳感器所測壓力值一致，其誤差不超過0.5%。

圖5 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)壓力-時(shí)間曲線

瞬態(tài)超高壓壓阻式傳感器用于某大口徑高膛壓火炮上的壓力測試，實(shí)測膛底和坡膛壓力-時(shí)間曲線，如圖6所示?；鹋趯?shí)彈射擊試驗(yàn)所測曲線平滑，抗干擾能力強(qiáng)。

圖6 實(shí)測膛內(nèi)壓力-時(shí)間曲線

4 總結(jié)

闡述了瞬態(tài)超高壓壓阻式傳感器的工作原理和設(shè)計(jì)思路，著重闡述了敏感元件制作工藝及裝配方式，從靜態(tài)、動(dòng)態(tài)標(biāo)定以及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可以看出其性能穩(wěn)定，在高、低、常溫狀態(tài)下非線性誤差均不大于0.5%，靈敏度高，能夠承受瞬態(tài)高溫、高壓環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)0～800 MPa動(dòng)態(tài)壓力測試。該傳感器可促進(jìn)國內(nèi)高膛壓火炮技術(shù)發(fā)展，特別是可應(yīng)用于大口徑高膛壓、高初速火炮內(nèi)彈道與發(fā)射裝藥技術(shù)研究，且具有廣闊的市場前景。

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