基于電荷輸出型壓電傳感器的沖擊波超壓存儲測試系統*

袁佳艷，狄長安，徐天文，李永超

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

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基于電荷輸出型壓電傳感器的沖擊波超壓存儲測試系統*

袁佳艷，狄長安，徐天文，李永超

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

針對集成電路壓電(ICP)型傳感器抗振動和抗熱沖擊性能不足的問題，實驗對比了高阻電荷型與ICP型壓電傳感器的抗振動以及抗熱沖擊干擾性能，發現電荷輸出型相比于ICP型壓電傳感器對復雜測試環境有較好的抑制作用。采用電荷輸出型壓電傳感器設計了存儲測試裝置及其抗振動、防潮的保護外殼。實驗表明：設計的存儲測試裝置能可靠觸發，可實現沖擊波壓力信號的采集、顯示和回讀。

沖擊波超壓； 電荷輸出型壓電傳感器； 熱沖擊； 振動； 存儲測試； 集成電路壓電型傳感器

0 引 言

目前沖擊波超壓測試技術最常用的兩種方法是引線電測法與存儲測試法。采用引線電測法實測時，需要鋪設較長的電纜線。但隨著電纜線長度和信號頻率的增加，電纜線的等效電阻將增大，這會導致電纜線傳輸的電壓信號幅值衰減、相位滯后。此外，爆炸產生的電磁干擾對電纜線產生的影響也隨著線纜長度的增加而增加。為了減小電纜的干擾及線纜敷設的繁瑣，采用存儲測試法進行沖擊波超壓測試。張哲[1]、焦耀晗[2]、薛莉等人[3]開展了用于沖擊波超壓測量的存儲裝置的研究。王代華等人[4]對比了壓阻式和壓電式壓力傳感器的優缺點，選擇了集成電路壓電(ICP)型壓力傳感器進行了存儲測試裝置的設計。上述研究主要介紹了存儲測試裝置設計電路，尚未涉及其裝置在復雜環境下的應用特性研究。杜紅棉等人[5]雖然通過激波管動態標定試驗研究了7種用于沖擊波超壓測試傳感器的性能，但也未明確基于壓電效應的高阻電荷型與ICP型傳感器在振動、熱沖擊作用下的特性差別。

本文針對ICP型壓電傳感器抗振動和熱沖擊性能不足等問題，實驗對比了高阻電荷型與ICP型壓電傳感器的抗振動以及抗熱沖擊干擾性能，采用電荷輸出型壓電傳感器設計了存儲測試裝置及其抗振動、防潮的保護外殼，并進行了實驗驗證。

1 系統設計

1.1 壓力傳感器選型

常用的沖擊波壓力傳感器有兩種：壓電式和壓阻式壓力傳感器。壓阻式壓力傳感器由于存在光效應現象，在沖擊波近場測試中使用存在一定問題[6]。而壓電式傳感器由于其固有頻率高、工作可靠、信噪比高、靈敏度高等優點在沖擊波測試中得到廣泛的應用。基于壓電效應的傳感器有兩種類型，一種是高阻電荷型傳感器，將壓電材料受力產生的電荷直接輸出，另一種是ICP型傳感器，將電荷轉換電路集成在傳感器內部中，產生的電荷直接轉換為電壓并將電壓輸出。由于在沖擊波測試中，熱沖擊和振動會對沖擊波超壓測量帶來較大影響，因此，沖擊波超壓測量傳感器的振動與熱沖擊特性就顯得比較重要。圖1分別為高阻電荷型傳感器與ICP型傳感器的振動響應。

圖1 高阻電荷型傳感器與ICP型傳感器的振動響應Fig 1 Output of sensors with high amplitude vibration

圖1表明，壓電式壓力傳感器在受到加速度幅值較小的振動時高阻電荷輸出型傳感器的輸出幾乎不會發生變化，但ICP傳感器會有一定的振動響應值輸出。隨著振動幅值的增加，兩個傳感器都會有壓力值輸出，但ICP傳感器的輸出比電荷型傳感器輸出大。通過上述對比實驗可以發現高阻電荷輸出型傳感器對沖擊波及地震波所造成的振動有更好的抑制作用。

圖2分別為高阻電荷型傳感器與ICP型傳感器的熱沖擊響應曲線。

圖2 不同傳感器熱沖擊響應Fig 2 Thermal shock response of different sensors

通過實驗可以發現，高阻電荷輸出型壓電式傳感器溫度特性明顯優于ICP型傳感器，即高阻電荷輸出型壓力傳感器對爆炸沖擊波的熱沖擊有較好的抑制作用。

綜上所述，本文選用了Kistler帶有加速度補償的高阻電荷輸出型壓力傳感器603B。

1.2 測量原理

爆炸產生的沖擊波傳到存儲測試裝置時，高阻電荷輸出型傳感器敏感面受到壓力作用產生電荷信號，經過電荷放大電路將電荷輸出轉化為電壓輸出，再對該電壓信號進行放大濾波滿足AD滿量程輸入后，進入A/D轉換模塊將模擬信號轉為數字信號，并將轉換好的數字信號存儲到存儲器中。需要讀取數據時，通過存儲測試裝置的數據讀出端口，將數據傳輸到上位機，通過上位機程序對測得數據進行分析與處理。存儲測試裝置組成及其工作流程圖如圖3所示。

該存儲測試裝置的系統量程為20,1 MPa，帶寬為12.5 Hz～100 kHz(3 dB)，采樣頻率為1 MHz，采樣長度為1 s，分辨率為12 bit，電池工作時間大于8 h。

圖3 存儲測試裝置結構框圖Fig 3 Structure block diagram of storage test device

1.3 外殼設計

存儲測試裝置外殼三維裝配圖如圖4所示。圖中經仿真研究，安裝蓋板的直徑大小會對測量結果產生影響。考慮到測試的穩定性和便攜性，安裝蓋板的直徑設計為30 cm。銅片用來隔離模擬電路和數字電路之間的電磁干擾。為了抵抗爆炸沖擊和防潮，在各部件連接處分別加了緩沖墊圈和密封圈。存儲裝置實物圖如圖5所示，左邊為安裝蓋板和保護外殼，右邊為外殼內部安裝電路板和操作面板的裝置。

圖4 沖擊波存儲測試裝置三維裝配圖Fig 4 Three dimensional assemble drawing of shock wave storage test device

圖5 存儲裝置實物圖Fig 5 Physical map of storage device

2 實驗測試

傳感器事先進行了標定，存儲測試電路部分通過輸入標準信號進行了性能檢驗，在此僅進行存儲測試裝置的觸發、曲線的實時記錄以及數據回讀能力的測試與驗證。將實驗系統組裝好后埋入土中，在存儲測試裝置上方點燃藥包，爆炸后存儲測試裝置回讀的波形如圖6所示。

圖6 沖擊波測試波形Fig 6 Shock wave test waveform

從圖6中可以看出，該沖擊波超壓存儲測試裝置可以可靠觸發，能采集到完整的波形數據，并能進行顯示和回讀。在1 ms處，沖擊波超壓值為15 kPa。實驗同時也表明，在小量程的沖擊波超壓的測試時，該存儲測試裝置也具有較高的信噪比。

3 結束語

針對壓阻傳感器對爆炸光敏感以及ICP型壓電傳感器抗振動和熱沖擊性能不足等問題，采用對復雜測試環境有較好的抑制能力的高阻電荷輸出型壓電傳感器設計了存儲測試裝置，并根據測試環境設計了抗振動、防潮的保護外殼。經實驗驗證，設計的存儲測試裝置能可靠觸發，實現了沖擊波壓力信號的采集、顯示和回讀。

[1] 張 哲,李寶珠,王存寶,等.基于無線數據傳輸的沖擊波超壓測試系統的研究[J].傳感器與微系統,2009,28(6):7-9.

[2] 焦耀晗,杜紅棉,徐 鵬,等.基于多重觸發和負延遲的炮口沖擊波存儲測試[J].探測與控制學報,2015(1):86-89.

[3] 薛 莉,杜紅棉,裴東興,等.基于ICP傳感器的沖擊波超壓測試系統設計[J].儀表技術與傳感器,2014(4):7-9.

[4] 王代華,宋林麗,張志杰.基于ICP傳感器的存儲式沖擊波超壓測試系統[J].傳感技術學報,2012(4):478-482.

[5] 杜紅棉,祖 靜.常用沖擊波壓力傳感器動態特性實驗研究[J].彈箭與制導學報,2012(2):214-216.

[6] 杜紅棉,祖 靜,張志杰.壓阻傳感器8530B閃光響應規律研究[J].測試技術學報,2011,25(1):78-81.

Storage and test system for shock wave pressure based on charge output type piezoelectric sensor*

YUAN Jia-yan,DI Chang-an,XU Tian-wen,LI Yong-chao

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China)

Aiming at the poor performance of vibration resistance and thermal shock resistance of integrated circuit piezoelectric(ICP)type piezoelectric sensor,experiments are carried out to compare the performance of vibration resistance and thermal shock resistance between high impedance charge type and ICP type piezoelectric sensor.It is found that high impedance charge type piezoelectric sensor has better inhibitory effect on complex test environment than ICP type.The storage test device and its vibration resistance and moisture proof shell are designed based on high impedance charge type piezoelectric sensor.Experiments show that the designed storage test device can be reliably triggered,which can realize collecting,displaying and returning of shock wave pressure signal.

shock wave pressure;charge output type piezoelectric sensor;thermal shock;vibration;storage test;integrated circuit piezoelectric(ICP)type piezoelectric sensor

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0107—02

2016—01—29

中國博士后科學基金資助項目(2014M561647)

TJ 410.6

A

1000—9787(2016)11—0107—02

袁佳艷(1991-)，女，江蘇常州人，碩士研究生，主要研究方向為測試技術。