殼體電容式電子測壓器動態校準系統的合理性研究

馮 彬，范錦彪*，王 燕

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;2中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

殼體電容式電子測壓器動態校準系統的合理性研究

馮 彬1，2，范錦彪1，2*，王 燕1，2

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;2中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

針對微型電子測壓器在實測過程中受到環境因素影響比較大，且將測壓器置于實炮內進行實測校準的理想校準方法成本高、周期長等問題，提出了一種電容式電子測壓器的動態校準方法。該方法采用模擬膛壓發生器對微型電子測壓器進行準動態校準，分析動態校準系統組成和工作原理，通過對標準傳感器的特性和環境相似性的分析表明，對電容式電子測壓器進行應用環境下校準的測試系統是滿足要求的，這種校準方法也能有效用于動態高壓的測量。

動態校準;電容式測壓器;模擬膛壓發生器;頻率響應

在軍事應用中對測壓器的精確測量要求越來越高。基于殼體的電容式電子測壓器作為火炮膛壓測試的新型測試儀器，其主要適用于高溫、高壓、高沖擊惡劣環境下的火炮膛壓p-t曲線的獲取，由于該測壓器使用殼體作為敏感元件，采用圓柱型電容器為基本原理，該電子測壓器具有功能穩定、靈敏度高、低功耗、微小型、抗惡劣環境能力強等一系列優點［1-3］。

對于動態校準，由于其沒有動態壓力的標準參考(即校準源)，如標準的膛壓信號，所以采用普通的方法不能實現對傳感器的動態校準，并且傳感器的不確定度也無法計算，這樣就無法估計測試數據的準確性，給我們認識膛壓和指導火炮研制帶來了很大的困難，因此研究傳感器的動態校準是非常必要的。

1 動態校準原理

傳遞函數決定了傳感器的動靜態特性。確定傳遞函數有兩種可能的方式:諧波的方法;瞬態方法。第1種方法要求周期壓力發生器提供一個正弦波信號，而第2種方法需要非周期壓力發生器提供一個階躍信號或者脈沖信號。本文研究的校準系統屬于第2種方法的研究［4］，非周期壓力發生器多應用于瞬態測試，被校準傳感器受到一個壓力階躍信號并做出響應，輸入輸出函數經過傅里葉變換得到傳遞函數:

傳感器受到壓力發生器產生的一個幅值為P0的階躍信號，假設輸入為一個完美的階躍信號e(t)，記錄輸出s(t)并確定傳遞函數H(f)，通過多次記錄以確定重復性。

在一個理想輸入和被測輸出之間的傳遞函數是可以估算的，它是一個趨于理論模型的不完美階躍信號的響應。圖1顯示了理想和實際傳遞函數的差別，相關元器件效率越高，二者之間的差距越小［5］。

圖1 傳遞函數動態校準原理

給出頻域［f1，f2］，考慮到頻域內最大絕對偏差為ε，基于均勻分布原理，誤差主要由階躍信號發生器產生且無法消除［6］。

在不考慮校準系統和傳感器的動態行為情況下，傳遞函數決定了傳感器振幅響應的頻域和相關不確定度。

2 系統組成和工作原理

從膛壓信號的分析［7］可以知道，它是峰值達到600 MPa的單次階躍信號，因此我們采用非周期壓力發生器。隨著校準技術的發展，壓力發生器也在與時俱進，從早期的空氣炮、落錘、氮氣驅動活塞，到現在常用的激波管和快開閥，動態壓力校準已經是壓力傳感器研制的重要過程之一［8］。

應用最廣泛的壓力發生器是激波管，它能夠用于測量壓力傳感器的瞬態響應。一些用于激波管的動態校準標準也被建立。分級壓力的穩定時間為3 ms～5 ms，能被接受的最低頻率一般為2 Hz～3 Hz。激波管校準方法的兩個主要缺點是:1)最低限制頻率太高，在很多時候被涉及的高頻時不能給出通用的傳輸特性，而且在這種頻寬下特性容易被測試精度影響。對于大多數動態測試，信號的低頻部分通常占據信號的大部分能量。2)能被校準的最大壓力為100 MPa～150 MPa，高壓傳感器的動態校準只能在低壓下實現。

由于電容式電子測壓器結構特點和應用環境不適用于上述裝置，祖靜教授提出環境因子校準，即在與工作環境相近或相同的環境中進行校準，該測試系統是基于標準傳感器的校準系統。本課題組設計了放入式測量儀動態校準系統——模擬膛壓校準系統。如圖2所示，該系統能承受高壓(800 MPa)、高溫(2 000℃)，作用時間為10 ms～20 ms，由模擬膛壓發生器、3個標準壓力傳感器與電荷放大器組成，數據經一套多通道數據采集進行處理后通過Mathcad進行數據的簡單處理，Mathcad是一個強大的工程計算軟件。測試系統在實際測試環境下與在此環境下校準的特性相類似，測試結果具有可比性。

其系統組成如圖2所示，3個標準壓力傳感器與微型電子測壓器前端面的相對位置如圖3所示。

圖2 模擬膛壓動態校準系統

圖3 3個標準傳感器和測壓器位置示意圖

在模擬膛壓發生器端部與微型電子測壓器相對的端蓋上安裝3個已校準的標準壓力傳感器，校準的時候把模擬膛壓發生器中的發射藥點燃，其內產生的壓力同時作用在標準壓力傳感器和被校準的微型電子測壓器上，標準壓力傳感器與微型電子測壓器同時采集此信號，信號記錄完畢后由計算機讀出其內數據，把微型電子測壓器數據和標準測試系統數據一起進行數據處理，即得被校準微型電子測壓器的靈敏度系數［9-11］。

3 標準傳感器的動態響應

對傳感器的動態特性的分析主要集中在頻域分析和時域分析中。時域分析是使用拉普拉斯變換，直接在時間域中對系統采集的信號進行分析，直觀準確，通過時域分析我們可以得到整個系統信號的響應函數;而頻域分析也稱為頻譜分析，是指借助于傅里葉級數，將非正弦信號分解為一系列不同頻率的正弦量之和，這樣對于不同頻率正弦量就可以分別求解，再進行疊加。

傳遞函數

所用壓力傳感器的頻率特性如下式［11］:

其幅頻特性為:

其相頻特性為:

式(3)～式(5)中，ωn為傳感器的固有頻率，ξ為傳感器的阻尼比系數。

在假設標準壓力傳感器是一個二階系統的前提下，其歸一化的階躍響應為:

式(3)中，ωd為傳感器阻尼振蕩角頻率ωn，φ為傳感器相位延遲，且

圖4是其中一套標準壓力傳感器的階躍響應曲線圖;表2是測得的3個標準壓力傳感器固有頻率ωn和阻尼比系數ξn。代入式(4)和式(5)可得3個標準壓力傳感器的幅頻特性和相頻特性，如圖5所示。

圖4 6213-sn1286334#傳感器階躍響應曲線圖

表2 3個標準傳感器實驗數據

圖5 一標準傳感器的幅頻和相頻響應特性

在動態校準中，要求動態激勵信號的頻譜必須充分地覆蓋被校系統的全部模態頻率，系統的頻率特性曲線是與橫坐標平行的直線才能滿足無失真動態測試。從圖5可以看出，模擬膛壓發生器產生的壓力和實測火炮膛壓的信號頻帶寬度都在5 kHz以內，測壓器系統的頻率響應在160 kHz～240 kHz范圍內，所以在進行模擬應用環境下用頻率小于5 kHz這樣一個信號作為測壓器系統校準的激勵是可行的。由分析得3個標準傳感器在0～10 kHz的信號頻率范圍內，幅頻特性不平直度僅為0.04 dB，相頻特性最大相移僅為-0.42 dB，滿足動態激勵信號的要求和無失真動態測量的條件，如圖5是其中一套標準壓力傳感器的幅頻特性和相頻特性曲線。上述說明微型電子測壓器進行模擬應用環境下的標準系統的動態響應特性是滿足要求的［13］。

4 應用環境的相似性

模擬膛壓發生器就是為模擬火炮膛內環境設計的，二者都由火藥燃燒進而形成了氣固兩相流場［14］，此流場作用在其中的微型電子測壓器上，被測得其動態壓力，從而得到膛內的壓力曲線。模擬膛壓發生器可通過控制裝藥量來模擬適合的實炮膛壓信號，二者都能產生高達800 MPa的壓力信號，產生壓力的環境在一定程度上很相似。

圖6是由模擬膛壓發生器產生的某壓力信號與某實炮膛壓信號的對比圖。表3是模擬膛壓發生器產生的壓力信號與實炮膛壓信號的比較列表。

圖6 某條模擬膛壓信號與某條實炮膛壓信號對比圖

表3 模擬膛壓信號與實炮膛壓信號比較列表

由圖6和表3可知，模擬膛壓發生器產生的壓力信號與實炮膛壓信號非常相似，特別是在信號的上升沿階段，其上升時間均較短，最高有效頻率也出現在這個階段，但模擬膛壓信號的脈寬相對較窄。

5 結論

殼體電容式測壓器作為火炮膛壓測試的理想儀器，為常規兵器的設計和檢驗提供了重要的保障。面對其惡劣的實測環境和繁重的測試任務，如何提高其智能化水平并保證其測試的可靠性和精度顯得尤為重要。本文對該測壓器的校準系統進行研究，介紹了動態校準理論和系統的組成及工作原理，并通過對標準傳感器的分析和應用環境相似性兩方面論證了該校準系統的合理性。

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馮 彬(1986- )，男，山西省大同人，碩士研究生。主要從事動態測試與智能儀器的研究，dtfb007@163.com;

范錦彪(1974- )，男，博士，教授。主要從事動態參量的校準、侵徹過載測試，姿態參數測試等方面的研究，獲國防科學技術獎二等獎1項，山西省科學技術獎二等獎1項，國家發明專利2項，在國內外核心期刊和學術會議上發表論文10余篇，其中多篇被SCI、EI、ISTP收錄，fanjinbiao@nuc.edu.cn。

Rationality Analysis on Dynamic Calibration Method for Capacitance Pressure Measurement Detector

FENG bin1，2，FAN Jinbiao1，2*，WANG yan1，2
(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

The dynamic calibration method used to calibrate pressure measurement device was presented due to the influence of the significant environmental and cost factors.The ideal calibration method is putting pressure measurement detector in the bore of artillery but it is a cost method and a long time must be taken.Simulation chamber pressure generator is proposed.The composition and working principle of dynamic calibration system are related and the characteristics of standard sensor and the environmental similarity are analyzed in order to prove that it is proper，this kind of calibration method can be used to calibrate pressure measurement detector and also used in dynamic high pressure measurement.

dynamic calibration;capacitance pressure measurement detector;simulation chamber pressure generator;frequency response

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.031

TP212

A

1005－9490(2014)02－0311－04

2013-07-16修改日期:2013-08-16

EEACC:7220