電容式電子測壓器合理性研究范文

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《電子器件雜志》2014年第三期

1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600MPa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3ms～5ms，能被接受的最低頻率一般為2Hz～3Hz。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100MPa～150MPa，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(800MPa)、高溫(2000℃)，作用時間為10ms～20ms，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Math-cad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。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。

2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。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。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5kHz以內，測壓器系統的頻率響應在160kHz～240kHz范圍內，所以在進行模擬應用環境下用頻率小于5kHz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0～10kHz的信號頻率范圍內，幅頻特性不平直度僅為0．04dB，相頻特性最大相移僅為－0．42dB，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］。

3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800MPa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。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。

4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。

作者：馮彬范錦彪王燕單位：中北大學電子測試技術國家重點實驗室中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室