压力传感器灵敏度的动态标定及超压测量

压力传感器灵敏度的动态标定及超压测量摘要：介绍了测试爆炸冲击波超压所用传感器灵敏度的动态标定方法，简介了爆炸冲击波超压的测试技术，给出了一种爆炸冲击波超压实验数据处理的方法。

1 引言

用压电或压阻传感器对空中爆炸冲击波进行测量，可以评定炸药或战斗部的爆炸安全性，推算爆炸波的TNT 当量。传感器是进行空中爆炸冲击波测量的关键设备，目前，生产厂家提供的传感器灵敏度多是静态灵敏度，在试验前必须使用标准的TNT 炸药球对传感器的灵敏度进行动态标定。

2 传感器灵敏度的动态标定

根据有关爆炸冲击波超压测试规程，在正式测试战斗部的爆炸冲击波超压前，必须用标准炸药球对压力传感器作两发以上爆炸标定，并且使各个传感器在标定试验中所受的压力与正式测试时所受的压力大体相同，其目的是检查测试系统的状态并提供现场测试系统的动态灵敏度。标定试验所用的仪器、设备、电缆线型号及长度等均应与正式测试时完全一致，不能作任何改动。

标准炸药球在空中爆炸，根据理论或经验公式计算出不同距离处的超压pmax, 较为精确的计算TNT炸药球空中爆炸冲击波超压的经验公式为：

式中： p max为峰值超压， p a为现场大气压；对比距离Z = R /W 1 /3 , 其中R 为测点距爆心距离， W 为战斗部的TNT 当量。在标准大气压和温度为15 ℃（T0 = 288 K ）时的标准状态下可用（ 1）式计算。爆炸现场为非标准状态时，对比距离必须进行校准。

式中： f d为距离校正系数，标准大气压p0 = 101. 3 kPa, Ta为实验现场温度，标准大气温度T0 =288 K。

用示波器记录对应点的最大输出电压U max , 传感器的灵敏度Sv 按（ 2）式进行计算。

作两发以上标定实验，取灵敏度的平均值作为该传感器的测试系统动态灵敏度。

3 超压测试

杀爆战斗部的主要杀伤效应来自战斗部的弹丸，爆炸冲击波对地面目标的致伤效应也是战斗部的杀伤机制之一。爆炸冲击波传至地面时入射或反射峰值超压随地面距离的变化规律是衡量这种致伤能力和致伤面积的基本参数。

3. 1 测试系统

实验测试系统如图1所示。用已标定的传感器进行超压测试时，传感器的安放、测试设备及测试电缆的型号和长度均应与标定时完全一样，用以消除测试系统所引起的误差。传感器的安装、摆放及电缆的敷设均应采取防震措施，防止地震波或安装支架的振动传递到传感器上产生虚假振动信号和“电缆效应”。

图1测试系统示意图

3. 2 传感器的安装

测试的超压处于爆炸冲击波已均化的距爆炸中心13 m以远的位置，估算的超压在20~ 80 kPa范围，采用ENDEVCO8514小型压阻传感器。传感器的安放如图2所示。

图2传感器布局示意图

3. 3 测试结果

战斗部爆炸后，传感器图3 典型的冲击波超压时程图测试系统测得一个电压时程，电压时程除以该传感器测试系统动态灵敏度即得到该测点处的超压时程，典型结果如图3所示。

图3 典型的冲击波超压时程图

3. 4 数据处理

由图3可以看出，超压时程主要由主爆炸冲击波和跟在后面的地面反射波两部分组成。但在主爆炸冲击波还未到达测点时和整个超压时程上都存在密集的尖峰状高频脉冲干扰，这是弹丸和破片弹道冲击波持续干扰造成的。要从这种带有密集高频干扰的超压时程准确确定爆炸冲击波峰值超压或超压时程是一个十分困难的任务。虽然至今已提出的各种滤波处理方法都有滤去高频干扰的功能，但同时也使爆炸冲击波超压时程的前沿部分发生畸变，致使峰值超压产生很大的误差。尽管所测信号存在密集干扰，但超压时程的变化趋势还是明显的。用下列方法来求超压的最大值△p max。

图4 超压峰值的求取方法

（ 1）卡取超压峰值的到达时间ta, 如图（ 4）中的ta= 17. 616 ms。因为到达时间测量误差（ 0. 1 % ）比峰值超压测量误差（对裸露装药为5% , 对带壳战斗部为10% ~ 15% ）更为准确；

（ 2）在图（ 4 ）中画到达时间ta 直线（视上升前沿很小，可以忽略）；

（ 3）在超压时程曲线上选取变化趋势较明显的一段，如图（ 4）中截取的超压时程曲线段；

（ 4）将截取的超压时程曲线段进行指数衰减拟合，得到拟合曲线；

（ 5）到达时间ta 直线和拟合曲线交点处的数值既为该点的峰值超压△pmax;

（ 6）运用同样方法，可以得到不同测点处的超压数据。

运用上述数据处理方法得到战斗部静爆实验中各个测点的峰值超压数据，根据该数据和对应的距离及实验时的环境压力和温度，按公式（ 1）可以反推出爆炸冲击波的平均TNT 当量。

4 结语

测定空中爆炸冲击波压力时程时，必须对所用传感器的灵敏度进行动态标定，若直接使用静态灵敏度，会给测试带来较大的误差；在测试过程中，传感器的安装环节非常重要，必须尽可能减少电缆长度，采取缓冲、减震措施，防止虚假的信号叠加于被测信号之上；战斗部超压信号的处理工作是一烦琐的工作，采用本文中提出的处理方法可以获得真实的压力峰值。