馬錦垠 中國人民解放軍91439部隊，遼寧大連 116041

壓電式壓力傳感器靈敏度標定方法研究

馬錦垠 中國人民解放軍91439部隊，遼寧大連 116041

水下爆炸壓力測量傳感器靈敏度的標定是靶場試驗的一個重要環(huán)節(jié)，標定方法及結(jié)果直接影響水下爆炸壓力測量精度。本文詳細介紹了兩種靶場常用的傳感器標定方法，并通過對傳感器標定結(jié)果的分析，給出兩種方法標定兩種型號六個壓力傳感器的實測結(jié)果，得出準動態(tài)標定法可以通過數(shù)據(jù)處理達到標準球形藥包標定法結(jié)果。

水下爆炸壓力；壓力傳感器；靈敏度；標定

引言

爆炸沖擊波壓力是一個壓力范圍相當寬、頻率相當高的隨時間變化的過程，壓電式晶體傳感器憑借其測壓范圍寬、頻率高、體積小且結(jié)構簡單等特點，一直是爆炸試驗中測量爆炸壓力的重要手段。但這種傳感器的靈敏度易受溫度、濕度、壓力等環(huán)境因素的影響，為保證試驗測量精度，每次使用前都應對其靈敏度進行實時標定。

1 傳感器靈敏度標定方法

壓電式晶體傳感器的標定，各種文獻上所推薦使用的方法各有不同，其特點及適用范圍亦相差甚遠。靶場在多年工程實踐中，對水下爆炸壓力測量用傳感器的標定積累了一定的經(jīng)驗，經(jīng)比較研究總結(jié)如下。

1.1 標準球形藥包標定法

對于某些爆速穩(wěn)定的炸藥，在嚴格地控制其密度與形狀的條件下，水下爆炸壓力峰值 與藥包半徑參數(shù) 之間的函數(shù)關系也是相當準確的。也即，對于某些標準球形藥包來說，在確定距離處的壓力、沖量等參數(shù)也是確定的，這就構成了標定的基礎。

——R ：測點到藥包中心之間的距離（m）

——W ：藥包質(zhì)量（kg）

代入（1）式得：標準

圖1 傳感器方法示意圖

圖2 水下爆炸沖擊波形示意圖

如圖1所示：傳感器固定于鋼管上，則藥球與傳感器距離R可量出，代入

1.2 準動態(tài)標定法

準動態(tài)標定法是在靜態(tài)標定法基礎上發(fā)展起來的一種標定方法，這種方法能夠清除靜態(tài)法標定的一些缺點。它假定：由于給定的流體靜壓力作用的結(jié)果，晶體傳感器的輸出變?yōu)槠胶?，隨后通過閥門的快速開啟或爆破膜片的方法使壓力產(chǎn)生迅速的上升或下降，與此同時實現(xiàn)對輸出電荷的快速記錄。

圖3 所示為傳感器標定原理示意圖

圖3所示為傳感器標定原理示意圖，加壓器產(chǎn)生的壓力符合水下爆炸壓力特征；放大倍數(shù)即壓力傳感器校準裝置的增益值，在傳感器標定前設置。

安裝好被標定傳感器，通過加壓器給傳感器加壓，加壓至一定值P即停止加壓，壓力傳感器校準裝置采集記錄傳感器輸出，由示波器讀取輸出波形如圖4所示。

圖4 準動態(tài)標定凌形示意圖

2 標定結(jié)果對比分析

選取美國PCB公司138系列兩種型號的水下爆炸壓力傳感器共6只（高靈敏度3只，低靈敏度3只），分別用上述兩種方法進行靈敏度標定。標定結(jié)果見表1。

標準球形藥包標定法的實施在碼頭進行，試驗海域為泥沙底，流速小于1kn，水深30m，傳感器入水10m；試驗用炸藥為1kgTNT標準藥球，采用經(jīng)驗

在碼頭共進行3次爆炸，分別計算傳感器靈敏度值，三次值平均即為傳感器靈敏度值。

準動態(tài)標定法的實施在實驗室進行，每個傳感器標定3次，分別計算傳感器靈敏度值，三次值平均即為傳感器靈敏度值。

表1 傳感器標定結(jié)果

標準球形藥包標定法與傳感器實際工作情況相同，所以表1中以此法的標定結(jié)果為真值，進行準動態(tài)標定法誤差的計算。從表1可以看出，誤差最大為5.67%，最小僅為0.28%，這說明完全可以用準動態(tài)標定法進行壓力傳感器靈敏度的標定。不過從表1還可以看出，準動態(tài)標定法所得結(jié)果均大于標準球形藥包標定法結(jié)果，這說明這一標定法所采用的壓力傳感器校準裝置存在系統(tǒng)誤差，這是不可避免的，每一套系統(tǒng)均存在這樣的固有誤差，只需在實際使用時對傳感器測量的水下爆炸壓力進行數(shù)據(jù)處理時適當予以考慮這一情況即可。

3 結(jié)語

標準球形藥包標定法由于其對藥包制作質(zhì)量的極高要求，以及其實施成本高、組織復雜，目前已極少使用。而準動態(tài)標定法正以很大成效被廣泛采用，其加壓器產(chǎn)生的壓力強度大、變化快，完全符合水下爆炸壓力特征，更重要的是其標定結(jié)果與傳感器實際使用條件下藥球爆炸標定結(jié)果基本一致。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.072

馬錦垠（1973-），男，本科，工程師，主要研究方向為水聲工程。