用于測量水中爆炸壓力的傳感器設計

引 言

　　為了測量炸藥在水中的爆炸壓力，因測量介質(zhì)與常規(guī)測量的不同，測量環(huán)境比較惡劣，所以，對傳感器就要有一些特殊的要求：首先，傳感器要有較高的頻率響應，水下爆炸的壓力是一個高速變化的過程；其次傳感器要有較強的抗干擾能力，以便減小測量誤差，提高測試精度；再者，傳感器要有足夠的強度、良好的密封性能和較強的防腐蝕能力。因此，以電氣石為敏感元件的傳感器則被應用于水中爆炸壓力的測量。由于在水中爆炸壓力的測量中，傳感器的基本性能指標為：測量范圍上限為250MPa；測量精度≤2％FS；上升前沿≤2.5μs。根據(jù)系統(tǒng)性能指標要求，確定了用于水中爆炸壓力測量傳感器的結構，同時，克服了選材和工藝方面的技術難題。

　　1 傳感器的選材及其結構

　　1.1 敏感元件材料的選擇

　　敏感元件是傳感器的關鍵元件，因為它決定著傳感器的原理和特性。因此，是傳感器結構設計時首先要考慮的問題。根據(jù)測試對象，對炸藥在水中爆炸產(chǎn)生的壓力進行測量，故采用壓電式壓力傳感器。所以，敏感元件選用壓電晶體，壓電晶體種類較多，如，石英、電氣石、鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇等，根據(jù)幾種常用的壓電晶體性能，由于電氣石晶體具有體壓電效應的特點，而且，國內(nèi)外在對炸藥在水中爆炸產(chǎn)生的壓力進行測試時，均采用電氣石晶體作為壓電式壓力傳感器的敏感元件，所以，敏感元件材料選擇電氣石晶體。

　　1.2 傳感器的結構及工作原理

　　水中爆炸壓力傳感器的結構如圖1所示。

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　　該傳感器以具有壓電效應的電氣石為敏感元件，內(nèi)部填充硅油，采用高絕緣密封膠進行密封。工作時，將傳感器放入水下離爆炸源一定的距離，當炸藥爆炸后產(chǎn)生的壓力通過水，以沖擊波的形式向各個方向傳播，電氣石晶體將感受到的壓力信號轉(zhuǎn)換成的電信號，從而實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

　　2 傳感器的性能檢測

　　2.1 傳感器的靜態(tài)標定

　?。?）標定設備：傳感器的校準設備為JS-2500（250MPa）活塞壓力計；準確度等級為0.02。

　?。?）標定方法：采用加載法，每個傳感器預壓3遍后開始校準，校準3次取平均值，按最小二乘直線法計算得出傳感器的靜態(tài)靈敏度、非線性靜態(tài)標定結果見表1。

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　　由表1標定的結果得出：MCRI傳感器的非性為1.36％。靈敏度為26.12pC/MPa。

　　2.2 動態(tài)標定

　　（1）標定設備：美國PCB公司913B02型水動力脈沖標定裝置（含內(nèi)裝電荷放大器的136A型標準傳感器）。

　　（2）標定方法：采用比較校準落球標定法，將傳感器按照靜態(tài)靈敏度配置模塊式電荷放大器，然后，與標準傳感器同時安裝在標定接頭上，將鋼球從不同的高度自由下落，撞擊高壓液壓裝置中的活塞，產(chǎn)生的半正弦波壓力（也是一種脈沖壓力）經(jīng)過液壓油傳遞給傳感器，以參考傳感器為基準。將被校傳感器的曲線與標準傳感器的曲線進行幅值和波形一致性的校準，求得傳感器的動態(tài)校準非線和靈敏度。傳感器的動態(tài)標定結果見表2。

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　　由表2的結果可以得出：傳感器的非線性為0.17％；平均靈敏度為123.76mV/MPa。

　　由靜態(tài)和動態(tài)標定得到的傳感器的非線性值不一樣，這是因為當傳感器的絕緣電阻不是很高時，在靜態(tài)標定中，由于加載時間較長，傳感器會產(chǎn)生一定的零漂，從而影響傳感器的線性指標；另外，動態(tài)標定使用的設備，由于密封的問題，標定只能到達29MPa的壓力，遠低于量程上限，所以，動態(tài)標定的非線性比靜態(tài)標定的非線性指標高。