2013兵器实验技术答案

兵器实验技术试题答案
1
①
（6分）
图1 应变式压力测量系统组成框图
各组成单元的作用：被测压力作用于应变式传感器上转换成传感器的输出电阻发生变化，并经过电桥转换成电压信号，再经电阻应变仪放大后，给测量记录仪记录。

静态压力标定机用于对该系统的标定或校准。

（3分）②
图2 压电式压力测量系统组成框图（6分）各组成单元的作用：被测压力作用于压电式传感器上转换成传感器的输出电荷发生变化，并经电荷放大器放大后，给测量记录仪记录。

静态压力标定机用于对该系统的标定或校准。

（3分）③
图3 应变简式压力传感器的工作原理图（2分）
图4 应变简式压力传感器弹性敏感元件示意图（2分）
（2分）
（a）直流电桥（b）交流电桥
图5 实际测量时的电桥电路图
④
图6 载波放大式动态电阻应变仪的典型方框图（6分）
各功能单元的作用：稳压电源对放大器和载波振荡器提供稳定的电压。

载波振荡器产生
一定频率的正弦电压供给测量电桥并作为相敏检波器的参考电压。

当工作片感受一个动态应
变时，电桥输出一个微弱的调幅波，调幅波的包络线与动态应变相似。

放大器将微弱调幅波
放大一定倍数后输入相敏检波器，经解调得应变包络线，检出应变波形，辨别出信号的正负
方向，在经过低通滤波器滤去载波及高次谐波而得到与所测动态应变相似的放大信号（电压
或电流波形），将这种信号输给记录仪或记录器。

（2分）
⑤
图7 压电传感器与电荷放大器连接的等效电路图 （4分）
图中，压电传感器可以等效为一个电荷源和一个电容a C ，
F C 是反馈电容，它的作用是将输出信号0U 反馈到反向输入端；F R 是并联在反馈电容两端的漏电阻。

（1分）
假设运算放大器为理想放大器，由“虚地”原理可知，反馈电容Cf 折合到放大器输入
端的有效电容Cf ′为
f f C k C )1(+='
设放大器输入电容为Ci 、传感器的内部电容为Ca 和电缆电容为 Cc ，则放大器的输出
电压
f i c a C k C C C kQ
U )1(0++++-=
当)()1(i c a f C C C C k ++>>+，放大器的输出电压为
f C Q
U -≈0 （3分）
⑥ 注意事项：
（1）安装前应将传感器；传感器安装孔及其相应部位清洗干净，并作干燥处理。

（2）应变式传感器要按照规定的安装方式进行，要对应变传感器、安装表面及安装工
具都要有相关的处理。

（3） 应力传感器与应变仪之间的连接电缆一般应采用对称性较好的四芯电缆，以免因
电缆电参数不同(电阻、电容不同)而在长距离传输时，应变电桥的零点平衡难以调整。

（4）安装压电传感器的底座安装面应平整、清洁，无任何油膜，胶膜等存在。

安装底
座本身应有足够的强度和刚性，一般要求高于传感器本身的强度和刚度。

（5）应减小和消除电缆的“抖动”，以免引起动态电容不平衡信号。

这个信号叠加在被测信号上将引入附加的测量误差。

（6）采用现场直接标定。

其优点是：现场标定曲线包括了长线传输的影响，以及系统增益变化的影响，标定结果可靠，测量数据处理简便。

（7）压电传感器在安装时要注意安装力矩的相关规定。

（8）传感器安装要注意压力管道效应。

（9）注意查看简式应变测压传感器壳体有无损坏、变形，对测量造成误差。

（10）注意环境温度有无引起传感器的灵敏度变化和零点漂移。

（8分）⑦
压电传感器的内阻很高，输出电信号很弱，一般需要配套的电荷放大器与之匹配，压电传感器的输出信号经过同一型号的电荷放大器放大归一化，然后由同一测量放大器在放大并指出峰值，因而排出了二次测量仪表的不同而产生的影响。

归一化方法为：将电荷放大器灵敏度按钮旋转至所选择的的压电传感器的灵敏度。

（3分）如在本例中，所选择的压电传感器的灵敏度为2.78PC/MPa,故此时为了实现灵敏度的归一化，可将电荷放大器的灵敏度按钮旋转至2.78PC/MPa,同时可将电荷放大器的放大倍数按钮旋转至10档，即可将压电传感器测得的信号放大10倍。

（2分）⑧
A）静态标定的目的是确定测压系统的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后时间和重复性等。

（3分）常用的静态压力发生装置，如活塞式压力发生器，通过增加或减小标准砝码的数量，可达到给传感器或压力仪表逐级加压或降压的目的，这种压力静态标定方法又称静重比较法。

B）动态标定的目的是确定测压系统的动态特性参数，如频率响应函数，时间常数、固有频率等。

（3分）测定动态压力的响应特性，以便正确地估计动态测量误差。

C）所谓准静态标定，传感器准静态标定采取所谓的“绝对校准”形式。

其原理是先对校准用的油缸-重锤组件用“标准传感器”进行标定，获得重锤落高与压力峰值之间的函数关系（即建模）。

有了这个模型就可以撤去标准传感器，而根据重锤落高按模型计算压力峰值，并据此对工作传感器进行标定。

标定过程在形式上很像绝对校准，而实质上是工作传感器与标准传感器之间进行间接比对式校准。

这种标定方法的精度显然还不如直接比对式标定，但因为加载时间短（只有几毫秒），因而可以对低频效应差甚至那些根本没有直流响应的传感器进行校准，例如压电传感器配用中等输入阻抗的电荷放大器的情况下，静态标定是难以实现的，而准静态标定就没有困难，
另外，加载时间短，对于保护寿命较短而价格昂贵的高压传感器来讲也是十分有利的。

（3分）
⑨
注意的问题：在测量火药燃气压力时，由于是测量动压信号，所以传感器需要接引压管，引压管道的尺寸、传感器的安装位置对传感器的动态压力测量精度影响很大。

由于引压管道本身的频率响应比较低，所以在测量快速变化时，应尽可能使传感器与被测介质接触，即采用“齐平”安装方式。

然而要实现“齐平安装”是困难的，例如空间尺寸不允许，被测量介质温度高，压力传感器的膜片不宜与它直接接触等原因，需要借助引压管道传递压力，使被测介质通过引压管道与压力传感器的膜片相连通，为使压力能作用在膜片上，膜片前需要留有一定大小的空腔，也称为“容腔”。

（3分）
与管道效应对测压系统的影响：管道效应对测量精度的影响很大。

通过分析发现：
n
声速成正比，在工作介质为液体且其中混有气体时，声的传播速度就会降低，则传输管道的固有频率也会降低，从而带来测量误差，因此应尽量排除混在工作介质中的气体；n ω与管道长度L 成反比，因而要尽量减少传输管道的长度L ，以提高系统的固有频率；另外在一定的条件下，应设法增大管道容积，减小容腔容积。

为适当增大阻尼比，应选用黏度较大的液体，选择合适的管道面积，以综合考虑阻尼比与系统的固有频率。

（3分） 2
1）
对于动态测量过程来讲，若测量系统的动态响应特性不够理想，则输出信号的波形与输入信号波形相比会产生畸变，这种畸变称之为动态误差。

（3分）
动态误差产生的原因：一般测量系统的灵敏度是由静态标定获得的，也就说用w=0的灵敏度来判读测量系统的输出值，对动态信号测量来讲，由于一阶、二阶系统的幅频特性不可能做到从零频率到无穷大是一条平直的直线，因此会产生动态误差。

(2分）
测量系统无失真测试条件推导过程： 设测量系统输出)(t y 和输入)(t x 满足下列关系:
)()(00τ-=t x A t y （1）
对式（1）取傅里叶变换得
)j (e )j (0j 0ωωωτX A Y -=
可见，若输出的波形要无失真地复现输入波形，则测量系统的频率响应H (j ω)应当满足：
ωτωωω0j 0e )
j ()j ()(j -==A X Y H 即 常数==0)(A A ω （3分）
ωτωφ0)(-=
2 ）答到一种给3分，两种给6分，三种给10分。

产生控制测时过程电信号的装置称为区截装置，简称为靶。

放置在起点者称为Ⅰ靶，放置在终点者称为Ⅱ靶。

区截装置的结构常因具体测量对象不同而异。

常用的区截装置有线圈靶、光电靶、天幕靶、声靶等。

（1）线圈靶
线圈靶是基于电磁感应原理制作的区截装置。

因此，要求待测运动体必须是导磁体，线圈靶分感应式线圈靶和励磁式线圈靶两种。

前者需将待测运动体事先磁化，当运动体穿过线圈靶时，造成线圈的磁通量变化，在线圈内产生感应电势，形成区截信号。

后者有两组线圈，一组为励磁线圈，工作时通入直流励磁电流，产生一个恒定磁场。

另一层为感应线圈，被测运动体不需事先磁化，当运动体穿过线圈时，感应线圈的磁通量发生变化，产生感应电动势，形成区截信号。

（2）天幕靶
天幕靶是一种光电靶，对弹丸的材料没有特殊要求，不干扰弹丸的运动，具有其他区截装置所没有的优点。

如图8所示，根据透镜成象原理，发光体ab 所成的象为a b ''。

如在象前装一个光阑，则只有光阑上狭缝所允许通过的光才能成
象于c d ''。

如对准c d ''安装一个光敏元件，它所接收的只是垂直
于纸面方向（与光阑狭缝平行），宽度为cd 的一条光幕的光。

当弹丸飞过该光幕时，弹丸的影像将使照射到光敏元件上的光通量
发生变化，使光敏元件产生的电信号发生变化，形成区截信号。

图8 天幕靶的工作原理 b a d c c d b
a
（3）声靶
当弹丸以超音速在大气中飞行时,形同超音速气流吹过弹丸而被弹丸头部分开，产生了空气动力学中的凹角转折和凸角转折现象，使弹丸周围的空气发生压缩和膨胀，便在弹丸的头尾部形成一个圆锥形的脱体激波。

声靶是通过传声器将该激波信号转换为电信号的区截装置。

声靶具有以下的特点：使用被动式工作原理，不需要在被测物体上安装其它设备；构造简单、体积小，不易被弹丸击中；产生的信号大，抗干扰能力强、可全天候工作。

（4）光幕靶
光幕靶由产生光幕的光源与光电转换装置组成。

光源产生正交于弹丸飞行方向的光幕，当弹丸穿过光幕测试区时，会遮住一部分光幕，光通量发生变化，光电转换装置将此变化转换成电信号并进行放大、滤波、整形，形成脉冲信号作为测时仪的触发信号。

在弹丸先后穿过两靶面后，测试仪分别记录这两个时刻，以此计算出弹丸穿过两靶面间弹道的时间，即可计算出弹丸穿过两靶面的平均速度。

3）
当采用二线接法时，引出导线r1、r2被接于电桥的一臂上，当由于环境温度发生变化或通过电流引起温度变化时，将产生附加电阻，引起测量误差。

采用三线接法时，具有相同温度特性的导线r1、r2接于相邻两桥臂上，此时由于附加电阻而引起的电桥输出将自行进行补偿。

（2分）
（4分）
图10 三线接法电桥电路图
2.4
拉氏传递函数：
222()2n n n
w G s s w s w ξ=++ （1分） 频率响应函数：
21
()12n n G jw w w j w w ξ=⎛⎫-+ ⎪⎝⎭
（1分) 幅频函数关系式：
222
21()()14n n n n A jw G jw w w w w ξ==⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎢⎥-+ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦ （2分） 相频函数关系式：
()22tan 1n n w w w arc w w ξψ⎛⎫ ⎪⎝⎭=-⎛⎫- ⎪⎝⎭
（2分） 三种圆频率之间的关系：
21d n w w ξ=- （1分） 212r n w w ξ=- （1分）。