尤文斌，丁永紅，馬鐵華，張晉業(yè)

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室,山西 太原 030051；2.晉西集團(tuán)技術(shù)中心，山西 太原 030051)

在爆炸場的壓力測試中常常使用石英壓電壓力傳感器作為敏感元件[1-5]。壓電式傳感器的優(yōu)點有：

工作頻率范圍寬(可從幾赫茲到幾百兆赫)、頻響時間快、溫度穩(wěn)定性好(-20℃～+150℃);靈敏度和分辨率高、線性范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、牢固，可靠性好，壽命長;體積小，質(zhì)量小，剛度、強(qiáng)度、承載能力和測量范圍大，動態(tài)誤差小[6]。

壓電壓力傳感器在壓力測試中，當(dāng)傳感器受到較大加速度作用時，影響壓力信號的分析。為此，張志英等人采用由壓縮空氣加速的氣彈射到裝有壓力傳感器和加速度計的加預(yù)壓的密閉容器上，使密閉容器獲得加速。在碰撞的過程中，壓力傳感器獲得一個加速度沖擊響應(yīng)，得出壓力傳感器的加速度效應(yīng)[7]。祖靜等人通過施加一系列不同的壓力并采用霍普金森桿產(chǎn)生與之對應(yīng)的不同系列加速度脈沖激勵壓力傳感器，通過測試儀器測得該壓力傳感器在不同系列激勵下的加速度效應(yīng)，從而得出受壓狀態(tài)下加速度效應(yīng)靈敏度系數(shù)[8]。筆者采用馬歇特錘作為加速度激勵源，將壓力傳感器、加速度傳感器及采集電路封裝在一個殼體內(nèi)，對壓電壓力傳感器的加速度特性進(jìn)行了研究，找出加速度與壓力傳感器輸出之間的關(guān)系。

1 傳感器加速度效應(yīng)

壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號的。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈以下線性關(guān)系：

Q=k×S×p

(1)

式中:Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為壓力,通過測量電荷量可知被測壓力大小。

圖1為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電元件夾于兩個彈性膜片之間，壓電元件的一個側(cè)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過引線將電荷量引出。當(dāng)被測壓力均勻作用在膜片上，使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷[9]。

當(dāng)壓力傳感器的受壓膜片在受到加速度作用時，膜片在慣性力作用下發(fā)生變形擠壓壓電晶片，傳感器就輸出電荷信號，這就是壓電傳感器的加速度效應(yīng)。為了解決壓電壓力傳感器在實際測試中作用到測試裝置產(chǎn)生加速度效應(yīng)，采用馬謝特錘沖擊實驗的方法找出傳感器的加速度效應(yīng)特性。測量彈底壓力時同時獲取傳感器所承受的加速度，利用獲取的加速度與壓電傳感器的加速度效應(yīng)靈敏度修正壓力數(shù)據(jù)。

2 試驗方法

壓電元件是高阻抗、小功率元件，極易受外界機(jī)、電振動引起的噪聲干擾，如聲場、電源和接地回路噪聲等。目前大多數(shù)壓電傳感器設(shè)計成隔離基座和獨立外殼結(jié)構(gòu)，聲噪聲影響極小。電纜噪聲是同軸電纜在振動或彎曲變形時，電纜屏蔽層、絕緣層和芯線間將引起局部相對滑移摩擦和分離，而在分離層之間產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電荷干擾，它將混入主信號中被放大[10]。為避免電纜帶來的系列干擾問題，本試驗采用電荷信號就近轉(zhuǎn)換成電壓信號和存儲測量記錄的模式來消除其影響。

存儲測量記錄儀由壓力傳感器、加速度傳感器、電荷放大器、采集存儲電路、電池、機(jī)械殼體組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。測量記錄電路每通道采樣頻率1 MHz，分辨率12 bit，記錄容量20 MB。觸發(fā)方式為內(nèi)觸發(fā)，當(dāng)壓力達(dá)到100 MPa時存儲退出1 MB的循環(huán)記錄，順序記錄19 MB。存儲芯片采用三星K9F8G08，壓力傳感器選用kistler公司的6215，量程為600 MPa，固有頻率大于240 kHz。加速度傳感器選用上海微系統(tǒng)所生產(chǎn)的壓阻式HG-50k，量程為50 000g。為了準(zhǔn)確測量壓電壓力傳感器受加速度帶來的影響，加速度傳感器安裝在壓力傳感器的旁邊，用于記錄壓力傳感器在沖擊過程中的加速度。存儲測量電路同時采集并記錄壓力傳感器和加速度傳感器的信號。

記錄裝置通過螺栓固定在馬歇特錘的錘頭上方，為避免壓力傳感器在沖擊過程中損壞，使用5 mm厚的毛氈墊置于鐵砧上，這樣就使得加速度作用的脈寬時間在1.5 ms左右。加速度值的大小通過馬歇特的轉(zhuǎn)盤控制在5 000g左右。

3 試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 馬謝特錘沖擊試驗數(shù)據(jù)

圖3(a)為kistler6215在沖擊過程中產(chǎn)生的響應(yīng)曲線，壓力傳感器的響應(yīng)帶有高頻的劇烈振蕩，同時整體包絡(luò)線向下彎曲。圖3(b)為與之對應(yīng)的加速度信號，加速度為負(fù)向，曲線較光滑，加速度峰值達(dá)到5 100g，作用時間1.2 ms左右。

對壓力數(shù)據(jù)采用FFT變換，得到如圖4所示的頻譜，低頻能量占據(jù)了主要部分，高頻部分主要集中在250 kHz左右。

采用50 Hz的切比雪夫4階低通濾波器對壓力傳感器數(shù)據(jù)濾波得到如圖5所示的曲線，壓力傳感器輸出的壓力峰值達(dá)到0.21 MPa，作用時間1.3 ms左右。利用壓力峰值和加速度峰值計算得到壓力傳感器軸向的加速度效應(yīng)系數(shù)為0.45 kPa/g。對比圖3(b)和圖5，將兩條曲線數(shù)據(jù)作相關(guān)計算，相關(guān)系數(shù)達(dá)到89.7%。

因為測量記錄的兩個通道具有相同的時間基準(zhǔn)，可通過加速度傳感器的值來修正壓力值，其表達(dá)式為:

P(i)=Pc(i)±Ka×A(i)

(2)

式中，Pc(i)為經(jīng)低通濾波后的實測壓力值;Ka為壓力傳感器的加速度效應(yīng)系數(shù);A(i)為經(jīng)低通濾波后的加速度數(shù)據(jù)值。

3.2 實彈測試數(shù)據(jù)處理

將電子測壓器安裝在155 mm口徑火炮膛底，彈底壓力記錄儀安裝在炮彈底部。在4號裝藥常溫條件下獲取了測量數(shù)據(jù)。

圖6為加速度傳感器感應(yīng)彈丸在膛內(nèi)軸向加速度的響應(yīng)曲線，從曲線中可得到彈體膛內(nèi)軸向加速度峰值為12 057g，峰值時間同樣在10.3 ms時刻。18.6 ms時出現(xiàn)30 000g的振蕩為彈丸出炮口的響應(yīng)。電子測壓器測得膛底壓力峰值為185 MPa，峰值出現(xiàn)在10.2 ms時刻。

彈丸在膛內(nèi)受到推力的作用向炮口方向加速運動，壓力傳感器在加速度作用下產(chǎn)生的輸出與推力相反。將加速度響應(yīng)曲線經(jīng)50 Hz切比雪夫4階低通濾波器濾波后,采用公式(2)取加號,獲得修正后的彈底壓力曲線如圖7中的實線部分。

修正后的彈底壓力曲線與電子測壓器測得的膛底壓力曲線(圖7中的虛線部分)對比,壓力峰值差0.89 MPa,為膛底峰值的0.5%。彈底壓力峰值比膛底壓力峰值提前1.6 ms出現(xiàn)，在彈底壓力峰值處與膛底壓力值相差22 MPa，在膛底壓力峰值處與彈底壓力值相差32 MPa。

4 結(jié) 論

通過采用存儲測量的方式同時記錄在馬謝特錘沖擊加速度作用下壓電壓力傳感器和壓阻加速度傳感器的輸出，其響應(yīng)信號特點是其能量集中在低頻50 Hz以內(nèi)，高頻信號集中在250 kHz左右。經(jīng)低通濾波后的壓力傳感器響應(yīng)曲線與加速度響應(yīng)曲線相似。利用獲取的軸向加速度效應(yīng)系數(shù)，修正彈丸彈底壓力得到了較為滿意的結(jié)果。對于壓電壓力傳感器的高頻加速度效應(yīng)，還有待在下一步的工作中進(jìn)行研究。

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