壓電式壓力傳感器靈敏度標定方法研究

馬錦垠 中國人民解放軍91439部隊，遼寧大連 116041

壓電式壓力傳感器靈敏度標定方法研究

馬錦垠 中國人民解放軍91439部隊，遼寧大連 116041

水下爆炸壓力測量傳感器靈敏度的標定是靶場試驗的一個重要環節，標定方法及結果直接影響水下爆炸壓力測量精度。本文詳細介紹了兩種靶場常用的傳感器標定方法，并通過對傳感器標定結果的分析，給出兩種方法標定兩種型號六個壓力傳感器的實測結果，得出準動態標定法可以通過數據處理達到標準球形藥包標定法結果。

水下爆炸壓力；壓力傳感器；靈敏度；標定

引言

爆炸沖擊波壓力是一個壓力范圍相當寬、頻率相當高的隨時間變化的過程，壓電式晶體傳感器憑借其測壓范圍寬、頻率高、體積小且結構簡單等特點，一直是爆炸試驗中測量爆炸壓力的重要手段。但這種傳感器的靈敏度易受溫度、濕度、壓力等環境因素的影響，為保證試驗測量精度，每次使用前都應對其靈敏度進行實時標定。

1 傳感器靈敏度標定方法

壓電式晶體傳感器的標定，各種文獻上所推薦使用的方法各有不同，其特點及適用范圍亦相差甚遠。靶場在多年工程實踐中，對水下爆炸壓力測量用傳感器的標定積累了一定的經驗，經比較研究總結如下。

1.1 標準球形藥包標定法

對于某些爆速穩定的炸藥，在嚴格地控制其密度與形狀的條件下，水下爆炸壓力峰值 與藥包半徑參數 之間的函數關系也是相當準確的。也即，對于某些標準球形藥包來說，在確定距離處的壓力、沖量等參數也是確定的，這就構成了標定的基礎。

——R ：測點到藥包中心之間的距離（m）

——W ：藥包質量（kg）

代入（1）式得：標準

圖1 傳感器方法示意圖

圖2 水下爆炸沖擊波形示意圖

如圖1所示：傳感器固定于鋼管上，則藥球與傳感器距離R可量出，代入

1.2 準動態標定法

準動態標定法是在靜態標定法基礎上發展起來的一種標定方法，這種方法能夠清除靜態法標定的一些缺點。它假定：由于給定的流體靜壓力作用的結果，晶體傳感器的輸出變為平衡，隨后通過閥門的快速開啟或爆破膜片的方法使壓力產生迅速的上升或下降，與此同時實現對輸出電荷的快速記錄。

圖3 所示為傳感器標定原理示意圖

圖3所示為傳感器標定原理示意圖，加壓器產生的壓力符合水下爆炸壓力特征；放大倍數即壓力傳感器校準裝置的增益值，在傳感器標定前設置。

安裝好被標定傳感器，通過加壓器給傳感器加壓，加壓至一定值P即停止加壓，壓力傳感器校準裝置采集記錄傳感器輸出，由示波器讀取輸出波形如圖4所示。

圖4 準動態標定凌形示意圖

2 標定結果對比分析

選取美國PCB公司138系列兩種型號的水下爆炸壓力傳感器共6只（高靈敏度3只，低靈敏度3只），分別用上述兩種方法進行靈敏度標定。標定結果見表1。

標準球形藥包標定法的實施在碼頭進行，試驗海域為泥沙底，流速小于1kn，水深30m，傳感器入水10m；試驗用炸藥為1kgTNT標準藥球，采用經驗

在碼頭共進行3次爆炸，分別計算傳感器靈敏度值，三次值平均即為傳感器靈敏度值。

準動態標定法的實施在實驗室進行，每個傳感器標定3次，分別計算傳感器靈敏度值，三次值平均即為傳感器靈敏度值。

表1 傳感器標定結果

標準球形藥包標定法與傳感器實際工作情況相同，所以表1中以此法的標定結果為真值，進行準動態標定法誤差的計算。從表1可以看出，誤差最大為5.67%，最小僅為0.28%，這說明完全可以用準動態標定法進行壓力傳感器靈敏度的標定。不過從表1還可以看出，準動態標定法所得結果均大于標準球形藥包標定法結果，這說明這一標定法所采用的壓力傳感器校準裝置存在系統誤差，這是不可避免的，每一套系統均存在這樣的固有誤差，只需在實際使用時對傳感器測量的水下爆炸壓力進行數據處理時適當予以考慮這一情況即可。

3 結語

標準球形藥包標定法由于其對藥包制作質量的極高要求，以及其實施成本高、組織復雜，目前已極少使用。而準動態標定法正以很大成效被廣泛采用，其加壓器產生的壓力強度大、變化快，完全符合水下爆炸壓力特征，更重要的是其標定結果與傳感器實際使用條件下藥球爆炸標定結果基本一致。

[1]張洪潤,張亞凡,鄧洪敏編著.傳感器原理及應用[M].清華大學出版社，2008.7.

[2]黃正平.爆炸與沖出過程測試技術[M].北京理工大學出版社，1994.

[3]崔海濤,劉慶明.沖擊波壓力傳感器測試系統的動態標定[J].流體力學實驗與測量,2004.3,第18卷第1期：92～96.

[4]孫忠良.沖擊波傳感器動態標定的若干問題[A].中國兵工學會第五屆測試技術學術年會論文集(1）[C],1990.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.072

馬錦垠（1973-），男，本科，工程師，主要研究方向為水聲工程。