基于爆炸為驅(qū)動源的壓力傳感器動態(tài)標校裝置研究

馬 林,李建昌,門麗娟,柯 文,王鳳丹,劉 衎

(中國兵器工業(yè)試驗測試研究院,陜西華陰 714200)

?

基于爆炸為驅(qū)動源的壓力傳感器動態(tài)標校裝置研究

馬 林,李建昌,門麗娟,柯 文,王鳳丹,劉 衎

(中國兵器工業(yè)試驗測試研究院,陜西華陰 714200)

為了解決靶場試驗測試中沖擊波壓力傳感器的動態(tài)標校問題,文中在對現(xiàn)有標校方法分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計出一種基于小藥量炸藥爆炸為驅(qū)動源的壓力傳感器動態(tài)標校裝置。該裝置采用組合式結(jié)構(gòu),可同時滿足對多個壓力傳感器的動態(tài)標校,并且能夠?qū)ν涣砍潭鄠€傳感器的一致性進行評估。經(jīng)試驗驗證,通過該裝置獲取到傳感器靈敏度系數(shù)的誤差率小于10%,可以滿足靶場試驗測試傳感器靈敏度系數(shù)的動態(tài)標校。

爆炸力學;沖擊波;傳感器;動態(tài)標校

0 引言

隨著各種爆炸毀傷類武器的不斷發(fā)展,戰(zhàn)斗部裝藥量及其毀傷半徑越來越大,伴隨的靶場武器科研試驗中終點威力爆炸參數(shù)測試任務(wù)大量增加,傳感器使用頻率高度上漲[1-3]。沖擊波參數(shù)作為戰(zhàn)斗部威力評價的關(guān)鍵指標,其測試數(shù)據(jù)的可靠性關(guān)系到試驗的成功與否,而壓力傳感器作為戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波參數(shù)測試系統(tǒng)的重要組成部分,良好的傳感器動態(tài)響應(yīng)是測試成功的關(guān)鍵。為了保證傳感器的可靠選擇,壓力傳感器的動態(tài)標校就變得至關(guān)重要[4-5]。

目前,傳感器的標定分為靜態(tài)標定和動態(tài)標定兩個方面。靜態(tài)標定用于確定壓力傳感器的靜態(tài)性能指標,動態(tài)標定用于確定壓力傳感器的動態(tài)特性參數(shù),用以估計動態(tài)誤差。壓力傳感器的靜態(tài)標定在靜態(tài)標準條件下進行,即沒有加速度、振動、沖擊,環(huán)境溫度一般為常溫,應(yīng)用靜平衡的工作原理實現(xiàn)靜態(tài)標定。壓力傳感器的動態(tài)標定常采用激波管標定方法,激波管采用高壓氣體實現(xiàn)標定過程,最終通過入射激波速度的測試實現(xiàn)傳感器測量壓力的計算。而激波管涉及到高壓氣體,只能在實驗室環(huán)境下進行,且標定傳感器數(shù)量有限,標定成本高[6-9]。

靶場目前沒有相應(yīng)的壓力傳感器動態(tài)標定裝置和標定方法,試驗測試用壓力傳感器均是在靜態(tài)標定條件下完成,不能真實反映傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性,不能滿足動態(tài)測量的需求。針對靶場現(xiàn)況研究了基于爆炸為驅(qū)動源的壓力測試傳感器動態(tài)標校裝置。

1 標校裝置

為了克服試驗測試用壓力測試傳感器的動態(tài)標校問題,設(shè)計出一種基于爆炸為驅(qū)動源的壓力測試傳感器動態(tài)標校裝置,裝置示意圖如圖1所示。

本裝置采用多部件組合結(jié)構(gòu),包括爆炸主體、爆炸管、傳送管和傳感器安裝座。所有結(jié)構(gòu)部件均通過螺紋連接實現(xiàn),并且能夠根據(jù)需要進行組合數(shù)量選擇,甚至當某一部件受損時,可以進行單件替換或同樣部件間的替換。

裝置中爆炸管為一鋼質(zhì)空心圓柱結(jié)構(gòu),用于TNT藥柱的爆炸,其長度應(yīng)保證爆炸波經(jīng)爆炸管內(nèi)壁多次反射可以形成穩(wěn)定的平面波;爆炸主體為一外形為方形,五面加工有相互貫穿的連接螺紋孔,頂部為與爆炸管連接的螺紋孔,四周為與傳送管連接的螺紋孔,爆炸平面波到達爆炸主體后能夠均衡的分散到4個測試方向上;傳輸管為一鋼質(zhì)空心圓柱結(jié)構(gòu),用于傳送到達爆炸主體四周的平面波分量;傳感器安裝座為一鋼質(zhì)空心圓柱結(jié)構(gòu),在同一距離上開設(shè)1個或多個傳感器安裝孔,用于安裝被標定傳感器。爆炸管四周的傳送管連接螺紋孔直徑與傳送管、傳感器安裝座內(nèi)孔直徑一致。

圖1 壓力測試傳感器動態(tài)標校裝置示意圖

該裝置采用小當量炸藥爆炸為驅(qū)動源,炸藥起爆后形成的爆炸沖擊波經(jīng)過爆炸管壁面的不斷反射形成平面波向前傳播,最終傳至爆炸主體中心的空腔中。由于爆炸主體中心空腔完全對稱,爆炸形成的平面波均勻進入爆炸主體四周連接的傳送管中并沿傳送管繼續(xù)向前運動,最終進入傳感器安裝座內(nèi)部。傳感器敏感面感受到傳感器安裝座內(nèi)壓力的變化,進而實現(xiàn)爆炸動態(tài)壓力測量。該裝置不僅能夠有效的實現(xiàn)壓力傳感器的動態(tài)標校,能夠?qū)ν粶y量范圍的傳感器的一致性進行評估,而且裝置體積小,易于安裝,能夠確保試驗測試用壓力傳感器的快速可靠選擇。

2 標校原理

該裝置的動態(tài)靈敏度計算方法與激波管標定相似。壓電壓力傳感器的輸出電壓U(t)與作用在壓電敏感元件表面的平均超壓之比定義為壓電壓力傳感器的電壓靈敏度S(U):

(1)

式中U(t)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。

再利用理想氣體的沖擊波關(guān)系計算沖擊波超壓Δp。

(2)

式中：k為定值,對于空氣,常取k=1.4。

即

(3)

通過測量沖擊波到達的時刻及測試系統(tǒng)的輸出信號,可以得到系統(tǒng)的電壓靈敏度。

已知記錄儀可以準確記錄沖擊波到達各個壁面壓力傳感器的時間t,可得到?jīng)_擊波距離S和到達時刻t的關(guān)系曲線,再對該曲線進行擬合,根據(jù)擬合曲線的斜率可以得到各壁面壓力傳感器處的沖擊波入射波速v,繼而可以由下式得到入射波Ma。

Ma=v/C0

(4)

式中：C0為標定時低壓段的初始音速(m/s)。

再根據(jù)式(1)、式(3)、式(4)可得到傳感器電壓靈敏度S(U)。

3 標校試驗

3.1 試驗現(xiàn)場布設(shè)

根據(jù)上面標校原理,試驗時用小藥量TNT在爆炸管口部爆炸,根據(jù)要標定傳感器數(shù)量選擇傳送管與傳感器安裝座的套數(shù),本次試驗標定8個傳感器所以選擇8套。利用安裝在傳感器安裝座上的壓力傳感器,捕捉傳送過的壓力信號,壓力信號經(jīng)傳輸電纜傳給數(shù)據(jù)采集儀采集記錄,通過分析沖擊波的到達時刻和超壓值,來確定傳感器的靈敏度,試驗現(xiàn)場圖如圖2所示。

圖2 試驗現(xiàn)場圖

3.2 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)由壓力傳感器、信號適配器和數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)組成,其中傳感器選用瑞士KISTLER公司生產(chǎn)的211B和211M系列端面式壓力傳感器,信號適配器選用美國PCB公司生產(chǎn)的F482A16型信號適配器,數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)選用奧地利Dewetron公司生產(chǎn)的DEWE-2010型系統(tǒng)。

3.3 試驗結(jié)果與分析

為保證傳感器動態(tài)標校的準確性和可靠性,要求在同樣的測量條件下進行至少3次以上試驗。最終實現(xiàn)多個壓力傳感器的動態(tài)標校,保證試驗測試用傳感器的可靠選擇及測試信號的有效獲取。

3.3.1 一致性分析

標校試驗完成后,通過對各個測量值的判讀及數(shù)據(jù)分析,分析數(shù)據(jù)如圖3和圖4所示。

圖3 第一個等距離半徑上4個傳感器的電壓時間曲線

圖4 第二個等距離半徑上4個傳感器的電壓時間曲線

通過圖3和圖4數(shù)據(jù)的分析,可以看出同一個半徑內(nèi)的壓力傳感器的變化規(guī)律是一致的并且壓力值偏差、響應(yīng)時間偏差都在誤差范圍之內(nèi),說明此次試驗壓力傳感器的一致性較好,沒有一致性比較差的傳感器,試驗用傳感器不用剔除。

3.3.2 電壓靈敏度計算分析

通過測試數(shù)據(jù)和式(1)～式(3)計算得到壓力傳感器的電壓靈敏度如表1所示。

表1 壓力傳感器的電壓靈敏度計算值表

從表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)傳感器電壓靈敏度計算值和實際值誤差率均在10%以內(nèi),可用于外場試驗測試傳感器的標校。

4 結(jié)論分析

文中設(shè)計了一套沖擊波壓力傳感器動態(tài)標校裝置,該裝置體積小、易操作、標校方法簡單,能夠?qū)崿F(xiàn)對同一量程多個傳感器一致性進行評估及傳感器動態(tài)靈敏度的標定,解決了壓力測試傳感器外場動態(tài)標校難題。

由于這是一套全新的標校裝置,文中試驗驗證了該方法的合理性及可行性,標校精度的進一步提升還需對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和改進。

[1] 黃正平. 爆炸與沖擊過程測試技術(shù) [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 1994.

[2] 孫忠良. 沖擊波傳感器動態(tài)標定的若干問題 [C]∥中國兵工學會第五屆測試技術(shù)學術(shù)年會論文集(1)， 1990: 17-21.

[3] 李科杰. 新編傳感器技術(shù)手冊 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2001.

[4] 黃俊欽. 測試系統(tǒng)動力學 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1996.

[5] 俞統(tǒng)昌, 郭煒, 王建靈. 自由大氣爆炸沖擊波超壓測試 [C]∥電子測量及儀器學術(shù)研討會論文集， 北京: 電子技術(shù)應(yīng)用出版社, 2002: 86-89.

[6] 杜曉松, 楊邦朝, 王卉. 薄膜式錳銅傳感器傳感器: 一種新型的超高壓力傳感器 [J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2000(1): 4-7.

[7] 苗常青. FAE爆炸壓力及電磁脈沖存儲測試技術(shù)及應(yīng)用 [D]. 北京: 北京理工大學, 2002.

[8] 王文襄, 王晉林, 李水霞. 幾種高溫高頻壓力傳感器的研制與開發(fā) [J]. 測試技術(shù)學報, 2002(增刊): 23-25.

[9] 崔海濤, 劉慶明. 沖擊波壓力傳感器測試系統(tǒng)的態(tài)標定 [J]. 流體力學實驗與測量, 2004, 18(1): 92-96.

Study on Dynamic Calibration Device of Pressure Sensor Based on Explosion Source

MA Lin,LI Jianchang,MEN Lijuan,KE Wen,WANG Fengdan,LIU Kan

(Test and Measuring Academy of China Ordnance Industries, Shaanxi Huayin 714200, China)

To overcome the problem of pressure sensor calibration in shock wave test, a dynamic pressure sensor calibration device which adopted small weigh of explosion driving was designed. This device adopts modular structure, not only makes dynamic calibration of multiple sensors at the same time, but also evaluates consistency in the same measurement range of sensors. Verified by experiment, sensitivity of the sensor error rate got by the device is less than 10%, can meet range test with the sensor sensitivity coefficient of dynamic calibration.

mechanics of explosion; shock wave; sensor; dynamic calibration

2015-08-18

國防基礎(chǔ)科研基金(A3320110001;A0920110012)資助

馬林(1985-)男,山西大同人,助理研究員,研究方向:毀傷試驗測試。

O383

A