冲击波测量用压力传感器准静态校准方法

冲击波测量用压力传感器准静态校准方法
孔德仁　李永新　朱明武
(南京理工大学　南京　210094)
摘要　阐明了冲击波测量的意义,介绍了目前用于冲击波测量的方法,分析了这类方法存在的问题,为提高冲击波的测量精度,针对存在的问题,提出了一种适用且新颖的准静态冲击波测量用压力传感系统的校准方法—利用落锤液压动标装置对冲击波测量用压力传感系统实施准静态的绝对校准。

关键词　冲击波测量　压力传感器　准静态校准　绝对校准　落锤动标装置
Qua si-sta tic Ca l ibra tion M ea sure of Pressure sen sor for Shock W ave
Kong D eren　L i Yongx in　Zhu M ingw u
(N anj ing U n iversity of S cience and T echnology,N anj ing　210094,Ch ina)
Abstrsact　T he significance of m easuring the shock w ave is illum inated.T he existing m ethods used to m easure the shock w ave are introduced.T he existed p roblem s of th is k ind of m ethods are analyzed.Po inting to the exist2 ed p roblem s,a suitable and new quasi-static m ethod is put fo rw ard to i m p rove p recisi on of m easuring the shock w ave.T h is m ethod is quasi-static abso lute calibtrati on on p ressure senso r system used to m easure the shock w ave w ith drop-hamm er dynam ic p ressure calibrati on device.
Key words　M easurem ent of shock w ave　P ressure senso r　Q uasi-static calibrati on　A bso lute calibrati on　D ropper-hamm er dynam ic calibrati on device
1　引 言
冲击波的压力大小及作用范围是衡量武器威力的主要指标,为定量地评定各类武器或爆炸器材之爆炸威力及计算爆炸释放能量与燃烧率,冲击波压力测量具有十分重要的意义。

由于化爆所产生的压力作用时间很短,要求测压系统具有足够动态特性及测量范围0.02M Pa～70M Pa。

常用的传感器有压阻式及压电式两种。

在实际应用中压电式使用较为广泛。

压电式冲击波测量传感器有两种:一是高阻抗输出;二是低阻抗输出。

高阻抗输出的传感器在构成测量系统时需配置高阻抗输入的二次仪表电荷放大器。

冲击波压力场测量一般要求多点测量,且输出电缆线较长,因压电测量系统共性问题,实际应用较少。

低阻抗输出的压电式冲击波测量传感器实际上是在高阻输出的传感器内封装了阻抗变换器,如k istler211BE、206E,这类传感器在使用时,其输出电缆与被测信号的频率分量有关,当高频分量较丰富时,要求配接的电缆长度较短,高频分量不多时,可适当增加电缆长度。

这类传感器输出量是电压,其灵敏度由生产厂家给定。

在使用中,由于测试环境多变性及所用电缆长度均会引起灵敏度之变化,给测量带来严重的误差。

另一方面,由于压电测量系统固有特性不宜采用静态校准确定系统工作灵敏度,且对那些高精度、寿命有限的昂贵传感器更不宜采用静态校准。

为能准确地测量冲击波压力,需对这类传感器的校准方法进行必要的研究。

本文提出了一种较为实用的准静态冲击波压力测量传感器的校准方法。

2　准静态校准的含义
常用压力传感器校准方法可分为两类:一是静态校准;二是动态校准。

静态校准是用标准压力标定机产
第23卷第3期增刊仪　器　仪　表　学　报2002年6月
生不同的“标准压力”作用在传感器上,由实际输入和系统之输出确定系统的工作参数,由此方法获得的系统工作灵敏度可能会引入各种频率分量上的幅值测量误差。

动态校准之目的是获取测量系统或传感器的动态工作范围,常用设备有激波管等,适用于压力值较大(>50M Pa)及较小(<0.1M Pa)的冲击波测量系统动态校准的激励源有一定的技术困难,且该方法提供的低频部分的灵敏度,尤其是直流灵敏度并不可靠。

准静态校准是基于静态和动态校准之间[1],其方法为:用已知峰值的类似于被测冲击波压力信号的半正弦脉冲信号作用于被校系统上,以此确定系统的灵敏度,该方法弥补了上述两种方法的缺陷,由于静校时的每点加载时间一般是以分钟计时的,而实施准静态校准的每点加载时间一般<1m s,显然可延长传感器的使用寿命。

目前国内许多测试单位,在冲击波压力实测前的系统调试采用各种鞭炮模拟冲击波信号进行调试,该方法操作不规范,且不方便,采用准静态校准可现场确定系统的工作灵敏度,又可方便调试。

3　准静态校准的实施
一般测量各类武器及爆炸器材之冲击波都在室外靶场进行,其环境条件较实验室恶劣,为能真正校准冲击波测量系统的灵敏度,采用便携式准静态压力校准系统是十分必要的,该校准系统中的压力发生器是一便携式落锤液压动标装置。

落锤液压动标装置的工作原理:当重锤沿导向系统自由下落时,重力势能转化为动能,在重锤撞击和压缩活塞的过程中,重锤的动能又转化为油缸中液压油体积变化的弹性势能,在液压油内形成压力,当重锤与活塞达到最大压缩行程时,油缸内的压力达到最大值。

之后由于液压油的弹性恢复作用,将活塞与重锤回推,直至重锤跳离活塞,弹性势能重新转化为重锤势能。

在油缸内的液压油中产生一由低到高又由高到低的压力脉冲,呈半正弦曲线形。

在油缸四周可径向安装各种测压传感器(标准、被校)供比对校准用。

合理改变重锤质量m、落高h、油缸的初始容积V0及活塞面积S可获得不同脉宽Σ及峰值P m压力曲线。

便携式落锤液压动标装置产生的压力曲线主要指标为:峰值压力为P m0. 02M Pa～70M Pa;压力脉宽Σ1m s±20%。

4　绝对校准方法
利用落锤液压动标装置可实现冲击波测量用压力传感器之准静态校准,亦可实现冲击波测量用传感器准静态“绝对校准”。

“绝对校准”即是对校准用油缸组件及重锤系统先用“标准传感器”进行标定,以获得重锤的落高h与P m之间的函数关系,然后拆除“标准传感器”,利用上述h-P m的函数关系,对被校传感器进行校准,标定过程形式上像“绝对校准”,所以被称之谓传感器之“绝对校准”,而实质上是工作传感器与标准传感器进行间接比对,其校准准确度不如直接比对好,比较适合于野外环境的现场校准及系统调试。

实现冲击波压力测量传感器准静态绝对校准之关键是在已知重锤质量m,油缸初始容积V0、活塞面积S 及液压油体积弹性模量E的前提条件下,用实验的方法建立符合脉宽要求的h-P m之模型。

落锤液压动标装置的拟线性模型。

P m=
m gh
v0
+
Αm gh
v0
2
+
2E0m gh
v0
(1)
Σ=Π
s
m v0
E0tΑp m
(2)
式中:Α为液压油体积弹性模量的无因次系数。

可见,在一个h-P m模型中不可能实现0.02M Pa～70M Pa的压力校准。

根据大量的实验及分析计算,将其分成了三个模型段,并分别设计了相应的重锤质量、油缸组件。

三个模型段分别为:0.02M Pa～1M Pa,校准精度为4%;1M Pa～10M Pa,校准精度为3%;10M Pa ～70M Pa,校准精度为2%。

建模实验时,为消除油缸组件安装误差,油缸组件均要进行多次安装的重复实验,且每个落高h点要进行5次重复实验,以消除落高所造成的随机误差。

5　结 论
文中介绍的基于便携式落锤液压动标装置可用于冲击波压力测量用传感器的准静态校准,该方法解决了目前冲击测量用传感器灵敏度只能依赖厂方提供的数据问题,提高了冲击波测量精度;为冲击波测量系统的现场调试提供了一种实用、可行的激励源;同时延长了价格昂贵但寿命有限的冲击波测量传感器的使用寿命。

参考文献
1　孔德仁,朱明武,李永新.压力传感器准静态绝对校准.传感器技术,2001,(12):32～43.
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　第3期增刊 冲击波测量用压力传感器准静态校准方法。