沖擊波超壓傳感器研究現(xiàn)狀

劉東來(lái)，王偉魁，李文博，彭泳卿，金小鋒

沖擊波超壓傳感器研究現(xiàn)狀

劉東來(lái)，王偉魁，李文博，彭泳卿，金小鋒

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

沖擊波超壓傳感器是測(cè)量爆炸沖擊波壓力特征參數(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，目前一般采用壓阻式和壓電式傳感器。我國(guó)近年來(lái)對(duì)于沖擊波超壓傳感器的研究取得了一定的進(jìn)展，但是相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)還是較為落后，在精度、可靠性、穩(wěn)定性等方面還存在差距。從沖擊波超壓傳感器發(fā)展歷程、壓阻式壓力傳感器與壓電式壓力傳感器各自優(yōu)缺點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀等方面進(jìn)行了分析和總結(jié)，并對(duì)各種沖擊波超壓傳感器的性能進(jìn)行了對(duì)比，探討國(guó)內(nèi)傳感器相較于國(guó)外典型傳感器存在差距的原因。

沖擊波超壓；壓阻式壓力傳感器；壓電式壓力傳感器

引 言

當(dāng)炸藥在空氣中爆炸時(shí)，具有高壓、高溫、高速的爆炸產(chǎn)物會(huì)直接作用到其周圍的介質(zhì)。爆炸產(chǎn)物如同一個(gè)超音速的活塞一樣高速向周圍擴(kuò)散。它強(qiáng)烈地壓縮相鄰的空氣介質(zhì)，使其溫度、壓力、密度等物理量突躍式地升高，從而形成沖擊波[1]。

沖擊波是研究爆炸問(wèn)題要特別關(guān)注的現(xiàn)象，它是壓力、密度等物理量的間斷，對(duì)應(yīng)著流體力學(xué)方程組中存在的間斷解。沖擊波也是彈藥爆炸對(duì)人員、設(shè)備和防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷和破壞效應(yīng)的主要因素之一，因此測(cè)量沖擊波超壓參數(shù)是爆炸物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要測(cè)試項(xiàng)目，其壓力特征參數(shù)是評(píng)價(jià)炸藥爆炸威力的一個(gè)重要手段，在工程領(lǐng)域有著重要的作用[2]。而沖擊波超壓傳感器是測(cè)量沖擊波超壓參數(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。

1 沖擊波超壓傳感器發(fā)展歷程

二次世界大戰(zhàn)期間及以后，國(guó)外出于軍事上的目的對(duì)空中爆炸過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，相應(yīng)地研制和發(fā)展了各種用于爆炸沖擊波壓力測(cè)量的傳感器和測(cè)量?jī)x器，而對(duì)爆炸沖擊波作用下目標(biāo)的毀傷效應(yīng)理論研究成果較為系統(tǒng)的表述最早可追溯到十九世紀(jì)六十年代出版的文獻(xiàn)。

沖擊波超壓測(cè)試技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾十年的積累與發(fā)展，產(chǎn)生了等效靶法、電測(cè)法等多種測(cè)試技術(shù)與方法。美國(guó)、俄羅斯、加拿大等國(guó)采用不同技術(shù)對(duì)爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓進(jìn)行了大量測(cè)試。美國(guó)早在上世紀(jì)四十年代在海軍兵工研究所（NOL）、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（SNL）、陸軍彈道實(shí)驗(yàn)室（BRL）等研究機(jī)構(gòu)的主持下對(duì)沖擊波超壓測(cè)試做了許多研究，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。1981年美國(guó)陸軍試驗(yàn)與鑒定司令部頒布了《Electronic Measurement of Airblast Overpressure》標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)沖擊波超壓測(cè)試試驗(yàn)的試驗(yàn)裝備、操作章程、數(shù)據(jù)處理及其它相關(guān)事項(xiàng)作了全面說(shuō)明[3]。我國(guó)建國(guó)以來(lái)特別是上世紀(jì)六十年代以后，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位分別開(kāi)展了對(duì)爆炸沖擊波各方面的研究工作。從八十年代至今北理工、南理工、航天一院某所、兵器某所、總參工程兵科研三所、中北大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等多家單位都對(duì)沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)，并取得了一定成果。其中，1983年李崢通過(guò)深入的研究，收集了大量沖擊波毀傷效果的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了細(xì)致的分析，揭示了爆炸時(shí)炸藥量為0.3噸~100噸時(shí)，磚混結(jié)構(gòu)建筑毀傷效果與爆炸時(shí)產(chǎn)生的超壓的關(guān)系，并研究爆炸時(shí)炸藥量為0.3噸~100噸時(shí)磚木結(jié)構(gòu)的房屋毀傷效果與爆炸時(shí)產(chǎn)生的超壓的關(guān)系[4]。1987年王正國(guó)通過(guò)梳理前人的研究，對(duì)爆炸產(chǎn)生的沖擊波毀傷情況，進(jìn)行了比較完善的綜述，對(duì)爆炸產(chǎn)生的沖擊波毀傷從醫(yī)學(xué)的角度進(jìn)行了分析，得到了有益的結(jié)論[5]。

沖擊波超壓傳感器作為沖擊波超壓測(cè)試的關(guān)鍵試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)傳感器的制備主要有以下幾方面要求：①為了能夠可靠地記錄沖擊波壓力的高速變化過(guò)程，傳感器應(yīng)該具有盡可能高的頻率響應(yīng)特性；②盡量小的外形尺寸，這樣可以更好地減小因傳感器的放置位置而對(duì)爆炸波流場(chǎng)造成的擾動(dòng)影響；③具有很好的壓力敏感特性，并且對(duì)溫度、加速度等其他物理量不敏感；④線性響應(yīng)較為良好，并且在信號(hào)輸入較小的情況下有較大的信號(hào)輸出；⑤應(yīng)具有較高的穩(wěn)定性和適中的價(jià)格；⑥被測(cè)量與傳感器的量程要在一定范圍內(nèi)匹配，一般選擇被測(cè)量是傳感器量程的三分之二或二分之一[6]。

電容傳聲式測(cè)試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)一般為2~100kHz，可以應(yīng)用于小口徑槍炮等的沖擊波測(cè)試[7]；壓阻式測(cè)試系統(tǒng)的頻響一般為0~300kHz，是不錯(cuò)的測(cè)試系統(tǒng)，壓阻式壓力傳感器具有綜合精度高、靈敏度高、體積小、后繼電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[8]，但是除了靈敏度與擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度和環(huán)境溫度的相互影響關(guān)系外，還應(yīng)該注意在使用過(guò)程中如何能夠更好地避免或減輕傳感器輸出電壓受環(huán)境溫度影響的因素，提高傳感器溫度穩(wěn)定性；壓電式測(cè)試系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)常用的沖擊波測(cè)試系統(tǒng)，其頻率響應(yīng)一般為1~500kHz，壓電式壓力傳感器的突出特點(diǎn)是具有很好的高頻響應(yīng)特性，具有使用可靠性高、溫度范圍寬、測(cè)量范圍廣、頻帶寬等特點(diǎn)，廣泛用于測(cè)量動(dòng)態(tài)力。盡管隨著新材料及新加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)，利用激光等各種微細(xì)加工技術(shù)制成的硅傳感器正在迅猛發(fā)展，但壓電式傳感器因其穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)仍是沖擊測(cè)量傳感器的主流。特別是在惡劣環(huán)境下的沖擊測(cè)量領(lǐng)域仍然占有絕對(duì)統(tǒng)治地位。因此，沖擊波超壓測(cè)量一般采用壓電式和壓阻式傳感器。

2 壓阻式超壓傳感器

2.1 壓阻式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器是根據(jù)材料的壓阻效應(yīng)[9]制作而成的。壓阻效應(yīng)由C.S. Smith在1954年首次發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是當(dāng)壓敏電阻受到應(yīng)變或者變形時(shí)，其阻值會(huì)發(fā)生變化。

壓阻式壓力傳感器由于其具有制造工藝簡(jiǎn)單、線性度良好、直接輸出電壓信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，并且簡(jiǎn)化了傳感器與后續(xù)電路的接口問(wèn)題，占據(jù)了當(dāng)前MEMS壓力傳感器的主流市場(chǎng)，是目前應(yīng)用最為廣泛的壓力傳感器之一。但是因?yàn)槠鋵?duì)溫度較為敏感，存在溫漂現(xiàn)象，同時(shí)靈敏度又相對(duì)較低，所以不太適用于高穩(wěn)定性、高靈敏度的場(chǎng)所[10]。

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外較早開(kāi)展了對(duì)于壓阻式動(dòng)態(tài)壓力傳感器的研究，將其用于航空和宇航等軍事工業(yè)中。1967年美國(guó)Kulite半導(dǎo)體公司首先開(kāi)始為波音公司研制壓阻式壓力傳感器，成功用于風(fēng)洞測(cè)試；1970年法國(guó)新魯母貝格公司進(jìn)行生產(chǎn)并用于協(xié)和式大型客機(jī)和阿波羅飛船中。由于其自身的優(yōu)點(diǎn)十分引人注目，因此美、日、德、法、英等國(guó)家的許多儀器儀表制造廠都在研制生產(chǎn)[11]。

美國(guó)Kulite、Endevco、Entran等公司是主要的壓阻式傳感器生產(chǎn)廠家。Kulite是世界著名的微型動(dòng)態(tài)壓力傳感器公司，是壓阻式壓力傳感器鼻祖之一。它將芯片裸封，做成了外徑尺寸僅0.8mm的超微型傳感器XCQ-030，雖然幾年后它就因不適用而被淘汰，但Kulite仍擁有包括現(xiàn)在世界上最小的傳感器XCQ-062（外徑為1.7mm），XCQ-080（外徑為2.0mm）在內(nèi)的微型動(dòng)態(tài)傳感器系列[12]。Kulite公司后來(lái)一直致力于微型動(dòng)態(tài)壓力傳感器研究，也專為高壓高沖擊場(chǎng)合研發(fā)出了用于爆炸壓力測(cè)量的一系列傳感器，包括HKS-11HP-375，HKM-15-500等。其中傳感器外形圖見(jiàn)圖1，它們的主要指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。值得注意的是，它們的非線性、遲滯性、重復(fù)性綜合指標(biāo)都可達(dá)到±0.1%FSO BFSL（典型值），±0.5%FSO BFSL（最大值），其中BFSL為最佳擬合線。

圖1 Kulite公司壓阻式傳感器[13-15]

Endevco公司是另一家微型傳感器公司，成立于1947年，它更側(cè)重微型壓電式和壓阻式傳感器研究，是沖擊、動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，代表著世界傳感器技術(shù)的最高水平。在微型動(dòng)態(tài)壓力傳感器方面，Endevco公司的外徑3mm傳感器做得很出色，并且將傳感器與平衡調(diào)理電路進(jìn)行了一體化，在該技術(shù)上超過(guò)了Kulite[12]。Endveco公司更注重研制適于惡劣環(huán)境的敏感元件，其產(chǎn)品的系列化是在逐步進(jìn)行的。圖2為Endevco典型壓阻式動(dòng)態(tài)壓力傳感器外形圖，表1列出了其部分型號(hào)產(chǎn)品主要性能指標(biāo)。

圖2 Endevco公司壓阻式壓力傳感器[16-18]

2.3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)壓阻式傳感器技術(shù)起步較晚，國(guó)內(nèi)技術(shù)人員研發(fā)使用壓阻式動(dòng)態(tài)壓力傳感器始于二十世紀(jì)八十年代初期。西北核技術(shù)研究所的林俊德院士、周忠海研究員和寶雞傳感器研究所合作，研發(fā)出中國(guó)第一個(gè)壓阻式動(dòng)態(tài)壓力傳感器CYG40。雖然受到當(dāng)時(shí)工藝水平的限制，傳感器量程還不夠?qū)?，最大?2.25MPa，最小為490kPa，但其高達(dá)500~900kHz的固有頻率和亞μs級(jí)的上升時(shí)間在沖擊波測(cè)試中發(fā)揮了優(yōu)良的作用。通過(guò)采用近年來(lái)迅速發(fā)展的MEMS技術(shù)，高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器的上限量程已提高到100MPa，下限量程降低到40 kPa。傳感器的靜態(tài)穩(wěn)定性和精度指標(biāo)也達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品的水平[19]。

1991年復(fù)旦大學(xué)制成量程為6kPa、非線性、滯后、重復(fù)性均優(yōu)于5×10–4FS和量程為100kPa、非線性、滯后、重復(fù)性均優(yōu)于5×10–4FS的PT14型矩形雙島硅膜結(jié)構(gòu)擴(kuò)散硅壓力傳感器[20]。但該傳統(tǒng)壓阻壓力傳感器在復(fù)雜工況下無(wú)法直接用于沖擊波的測(cè)量。2004年總參工程兵科研三所設(shè)計(jì)了硅壓阻式動(dòng)態(tài)壓力傳感器，設(shè)計(jì)的傳感器在橋阻為2kΩ時(shí)，固有頻率達(dá)490~780kHz，上升時(shí)間為2μs；橋阻為600Ω時(shí)，固有頻率達(dá)500~900kHz，上升時(shí)間為0.3~0.5μs。但該壓阻式傳感器在爆炸場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用中抗環(huán)境干擾能力差，無(wú)法滿足使用要求[21]。2008年河南科技大學(xué)的韓紅彪、昆山雙橋傳感器公司的王冰等人聯(lián)合研制的無(wú)線存儲(chǔ)式爆炸沖擊波壓阻式壓力傳感器有低至1mm的敏感區(qū)半徑，高達(dá)數(shù)百千赫茲的固有頻率和低至亞微秒的上升時(shí)間，采用無(wú)管腔的全齊平設(shè)計(jì)，可使用帶寬為0~100kHz，能夠方便準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)爆炸沖擊波的壓力檢測(cè)[22]。2009年西安電子科技大學(xué)的王冰、李躍進(jìn)等人研制了一種基于MEMS技術(shù)的壓阻高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器。該傳感器具有周邊固支的圓平膜片，它的固有頻率為300kHz~1MHz，上升時(shí)間為0.2μs~0.5μs[12]。2010年復(fù)旦大學(xué)的吳如兆、張建秋等人研究設(shè)計(jì)了適用于沖擊波測(cè)量的高頻響應(yīng)壓阻壓力傳感器，采用了硅壓阻式原理和硅-玻璃鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了固有頻率最低300kHz，帶寬600kHz以上[11]。2015年北京理工大學(xué)的胡宇提出了一種用于測(cè)量水下爆炸的錳銅壓阻式傳感器，量程幾百兆帕到1吉帕，上升時(shí)間為0.8μs[23]。2018年西北機(jī)電工程研究所研制了一種瞬態(tài)超高壓壓阻式傳感器，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)0~800MPa動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試[24]。

表1 部分典型的壓阻式傳感器主要性能參數(shù)

Table 1 Main performance parameters of some typical piezoresistive sensors

昆山雙橋傳感器公司主要研制壓阻壓力傳感器，具有爆破經(jīng)驗(yàn)，傳感器經(jīng)過(guò)特殊處理可耐2000℃/20ms的瞬時(shí)高溫，上升時(shí)間為1μs。主要研制的CYG400系列高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器產(chǎn)品具有無(wú)管腔全齊平結(jié)構(gòu)，固有頻率較高，優(yōu)越的靜態(tài)性能及動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的特點(diǎn)。CYG401/402的非線性度為±0.2%~±1.0%，可用于各種爆炸沖擊波測(cè)量，CYG402還可用于高溫動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量。CYG412型高壓自由場(chǎng)高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器非線性度±0.5%~±1.0%，可用于各種高壓爆炸沖擊波自由場(chǎng)壓力測(cè)量[25]。CYG401與CYG412型外形圖見(jiàn)圖3，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 CYG400系列壓阻式高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器

Fig. 3 Figure of CYG400 series piezoresistive high frequency dynamic pressure sensor

由表1對(duì)比可知，國(guó)內(nèi)目前壓阻式動(dòng)態(tài)壓力傳感器性能較國(guó)外領(lǐng)先水平的差距正在逐漸縮小，某些型號(hào)的測(cè)量溫度范圍更寬，但在最大量程、固有頻率、非線性等指標(biāo)上仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。硅壓阻式傳感器具有壓電傳感器沒(méi)有的光敏感，對(duì)于爆炸的近場(chǎng)測(cè)試來(lái)說(shuō)，強(qiáng)閃光是一個(gè)很強(qiáng)的光干擾源，對(duì)測(cè)試結(jié)果會(huì)造成影響。此外，由于壓阻式壓力傳感器易受溫度影響以及壓敏電阻制造工藝的局限性，普遍存在熱零點(diǎn)漂移、熱靈敏度漂移和非線性等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)在這些方面的抑制補(bǔ)償較國(guó)外還存在著差距，導(dǎo)致傳感器在精度方面存在不足。

3 壓電式超壓傳感器

3.1 壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器利用壓電材料的壓電效應(yīng)進(jìn)行壓力測(cè)量。在壓力作用下，壓電材料發(fā)生形變，壓電體的兩端會(huì)出現(xiàn)正負(fù)極化電荷。在一定壓力范圍內(nèi)，壓電體兩端產(chǎn)生的極化電荷與壓電材料所受壓力呈線性關(guān)系，根據(jù)產(chǎn)生電荷的多少，能夠測(cè)量出壓力的大小[10]。壓電式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、工作可靠等，因此在各種動(dòng)態(tài)力的測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用[26]。

3.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外著名的壓電式高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器生產(chǎn)廠家有PCB公司、丹麥的B&K公司和瑞士的KISTLER公司等。其中KISTLER公司自1957年開(kāi)始開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)測(cè)量壓力的壓電式石英傳感器。該公司傳感器具有自振頻率高，上升時(shí)間短，溫度范圍較大的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)提供壓電式和壓阻式傳感器，壓電式壓力傳感器適合測(cè)量高動(dòng)態(tài)、動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)的壓力變化或者壓力波動(dòng)。壓阻式壓力傳感器適合測(cè)量靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)壓力變化。KISTLER公司除了擁有電荷型壓力傳感器，包括中小量程的601CAA、601B1和大量程的603CAA等，還有諸如603CBA、601CBA、211B等多種IEPE型壓電傳感器[27]。圖4為KISTLER壓電式壓力傳感器外形圖，表2中列出了KISTLER部分傳感器主要性能參數(shù)。

美國(guó)PCB公司成立于1967年，是壓電傳感器研究領(lǐng)域的代表。其生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)壓力傳感器以電氣石、石英、壓電陶瓷等材料作為敏感元件均可達(dá)到較高的測(cè)量水準(zhǔn)，有很寬的幅值和頻率范圍及很快的響應(yīng)速度。主要應(yīng)用于爆炸零件測(cè)試、爆炸沖擊波檢測(cè)。公司首創(chuàng)ICP（傳感器內(nèi)置放大器）技術(shù)，即：用電壓前置放大器（阻抗變換器）將晶體表面上產(chǎn)生電壓=/C（C是壓電傳感器的電容）放大，并將壓電傳感器的高阻輸出變換為較低阻抗輸出。借助微電子技術(shù)的發(fā)展，PCB早于七十年代已將電壓前置放大器制成微型電路并植入壓電傳感器，稱為ICP壓電傳感器，已成功運(yùn)用在高頻響沖擊波、彈道壓力等實(shí)驗(yàn)上，具有很高的頻率響應(yīng)。它是低阻輸出（100W），所以可以用普通雙芯電纜連接傳感器與適調(diào)儀。它的優(yōu)點(diǎn)是傳感器的靈敏度不受連接電纜的長(zhǎng)度影響，甚至適用于潮濕環(huán)境下的測(cè)試，而且每個(gè)測(cè)量通道成本遠(yuǎn)較電荷型的測(cè)量通道低。因?yàn)镮CP傳感器的低阻抗輸出、優(yōu)異的信噪比以及能夠驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)的低成本同軸電纜，使它們幾乎適用于所有動(dòng)態(tài)壓力應(yīng)用領(lǐng)域。圖5為PCB動(dòng)態(tài)傳感器外形圖，表2列出了PCB 113B/102B、小型ICP壓力傳感器105C型及ICP自由場(chǎng)“鉛筆式”爆炸壓力傳感器137系列部分傳感器主要性能參數(shù)。其中102B系列是113B系列的對(duì)地絕緣版本，具有更好的隔離性，有助于防止接地回路問(wèn)題[28]。

圖4 KISTLER壓電式壓力傳感器

圖5 PCB動(dòng)態(tài)壓力傳感器

3.3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)在1998年由北京理工大學(xué)的孫曉明，黃正平等人研制出了以壓電陶瓷為敏感元件的H-96型聲吸收桿式壓電壓力傳感器，該傳感器量程為1MPa~1GPa，響應(yīng)時(shí)間小于10μs[29]。以及HZP2-WA型自由場(chǎng)壓電壓力計(jì)，該傳感器為筆桿式結(jié)構(gòu)，電氣石晶片置于充滿硅油的鋼制導(dǎo)流桿內(nèi)，內(nèi)有前置放大器，可以測(cè)量的最大壓力為100MPa。2002年電子科技大學(xué)的杜曉松，楊邦朝等人對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)PVDF沖擊波超壓傳感器方面工作進(jìn)行了總結(jié)，給出了該類傳感器在爆炸、高速撞擊、高能脈沖激光輻照等壓力測(cè)試方面的應(yīng)用，并對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了歸納[30]。中北大學(xué)主要從事高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器的另一衍生研究高頻無(wú)線存儲(chǔ)式壓力傳感器，采用壓電式壓力傳感器原理。2009年北京理工大學(xué)的張訓(xùn)文、方繼明等人從事了動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)方面的研究，給出了寬量程寬頻域的正弦壓力校準(zhǔn)方法[31]。2012年任建新、陳虎林等人自制PVDF壓電薄膜傳感器，實(shí)際爆炸測(cè)試表明，實(shí)測(cè)典型波形與軟件計(jì)算結(jié)果誤差小于10%，基本吻合，但精度仍然無(wú)法滿足實(shí)際工程應(yīng)用[32]。2014年北京理工大學(xué)利用PVDF壓電薄膜自制薄膜傳感器，并進(jìn)行落錘動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該傳感器在低壓沖擊狀態(tài)下具有很好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，可用于低壓段沖擊波壓力測(cè)量[33]。2016年總參工程兵科研三所針對(duì)近爆區(qū)沖擊波壓力測(cè)試中壓電式壓力傳感器因動(dòng)態(tài)特性不佳造成信號(hào)畸變的問(wèn)題，利用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字補(bǔ)償濾波器，有效減小動(dòng)態(tài)測(cè)試誤差，提高測(cè)試精度[34]。2017年趙傳榮，孔德仁等人采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了以落高為輸入量、沖擊波壓力峰值為輸出量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。選用典型標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器，在7~30MPa量程范圍開(kāi)展校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該模型預(yù)測(cè)的最大相對(duì)誤差不超過(guò)0.04%，比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)擬合公式的精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)[35]。

揚(yáng)州科動(dòng)電子技術(shù)有限公司主要生產(chǎn)以石英作為敏感元件的壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器。其KD系列壓力傳感器具有上升時(shí)間快、體積小、頻響高、溫度特性好、可靠性高、抗沖擊性能優(yōu)等特點(diǎn)，適用多種壓力測(cè)試場(chǎng)合。其動(dòng)態(tài)壓力傳感器產(chǎn)品分為兩類，一是與電荷放大器相配用，具有動(dòng)態(tài)范圍寬，實(shí)用靈活等特點(diǎn)的電荷型，二是與寬頻恒流適配器相連，具有抗干擾性能較好，測(cè)試量程可定制等特點(diǎn)的IEPE型。此外，科動(dòng)公司還研發(fā)了專為測(cè)量爆炸沖擊波壓力的自由場(chǎng)傳感器，同樣分為電荷型（KD2009等系列）和IEPE型（KD2002L系列）。主要研制產(chǎn)品外形圖如圖6所示，部分傳感器主要性能參數(shù)如表2所示。

與國(guó)外傳感器相比，國(guó)內(nèi)壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器諧振頻率較低，低頻響應(yīng)和國(guó)際最高水平如PCB 113B系列普遍相差1-2個(gè)數(shù)量級(jí)；工作溫度區(qū)間較窄，尤其在負(fù)溫區(qū)差距尤為明顯；上升時(shí)間較慢。無(wú)法滿足大當(dāng)量爆炸毀傷評(píng)估的使用要求。國(guó)內(nèi)壓電式傳感器的這些不足主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面和材料工藝方面。敏感元件預(yù)緊力設(shè)計(jì)存在偏差導(dǎo)致的多模態(tài)問(wèn)題及爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的寄生效應(yīng)如熱沖擊效應(yīng)未根本解決是國(guó)內(nèi)壓電式傳感器穩(wěn)定性及精度不高的主要原因。

圖6 科動(dòng)公司典型壓電型傳感器[34]

表2 部分典型的壓電傳感器主要性能參數(shù)

Table 2 Main performance parameters of some typical piezoelectric sensors

4 結(jié)束語(yǔ)

沖擊波超壓傳感器是測(cè)量爆炸沖擊波超壓這種動(dòng)態(tài)壓力的重要設(shè)備，在武器和工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，其重要性不言而喻，因此許多國(guó)家都非常重視沖擊波超壓傳感器技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究。目前市場(chǎng)上較為常見(jiàn)的是壓阻式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器，包括PCB、KISTLER、Endveco等著名公司都在制造小型化高性能沖擊波超壓傳感器。我國(guó)雖然在沖擊波超壓傳感器的研究上取得了一定的進(jìn)展，但是相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)還較為落后，在精度、可靠性、穩(wěn)定性等方面還存在差距。而目前爆炸沖擊波以及航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力測(cè)量等領(lǐng)域迫切需要響應(yīng)頻帶寬、固有頻率高和響應(yīng)速度極快的動(dòng)態(tài)壓力傳感器。因此，研究小型化高性能的沖擊波超壓傳感器即迫在眉睫，更任重道遠(yuǎn)。

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Research status of shock wave overpressure sensor

LIU Donglai, WANG Weikui, LI Wenbo, PENG Yongqing, JIN Xiaofeng

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

The shock wave overpressure sensor is a key device for measuring the characteristic parameters of the explosion shock wave pressure. Currently, piezoresistive and piezoelectric sensors are generally used. In recent years, China has made some progress in the research of shock wave overpressure sensors, but it is still relatively backward compared with foreign countries, and there are still gaps in accuracy, reliability and stability. The development history of shock wave overpressure sensor, the advantages and disadvantages of piezoresistive pressure sensor and piezoelectric pressure sensor, and the research status at home and abroad are analyzed and summarized, and the performances of various shock wave overpressure sensors are compared, the reasons for the difference between domestic sensors and foreign sensors are discussed.

Shock wave overpressure; Piezoresistive pressure sensor; Piezoelectric pressure sensor

TP212

A

CN11-1780(2019)05-0007-09

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

2019-05-18

2019-09-17

劉東來(lái) 1995年生，在讀碩士，主要研究方向?yàn)闆_擊波超壓測(cè)試技術(shù)。

王偉魁 1983年生，博士后，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試技術(shù)與儀器。

李文博 1982年生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘袌?chǎng)毀傷動(dòng)態(tài)參量測(cè)試測(cè)量技術(shù)。

彭泳卿 1980年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)航天傳感技術(shù)。

金小鋒 1977年生，研究員，主要研究方向?yàn)镸EMS傳感器技術(shù)。