張 瑜，祖 靜，張紅艷，馬鐵華

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

放入式電子測(cè)壓器（以下簡(jiǎn)稱測(cè)壓器）用于火炮膛壓測(cè)試，使用時(shí)放在藥筒底部或藥室內(nèi)［1］，自動(dòng)測(cè)量射擊時(shí)火炮的膛底壓力，射擊試驗(yàn)后回收讀取測(cè)試數(shù)據(jù)。它主要由壓電式壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)電路、電池及高強(qiáng)度殼體組成。

目前，動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)定都是在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)施的。先用油壓標(biāo)定機(jī)標(biāo)定傳感器，得到傳感器的靈敏度系數(shù)（單位pC／MPa）；用電荷校準(zhǔn)儀標(biāo)定數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)電路，得到電路靈敏度系數(shù)（單位pC／b）；再用電路靈敏度除以傳感器靈敏度，得到系統(tǒng)靈敏度（單位 MPa／b）。壓力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定可以采用激波管校準(zhǔn)法或落錘法［2］，激波管和落錘動(dòng)壓發(fā)生器被美國(guó)軍方推薦為主要校準(zhǔn)設(shè)備。現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置只能對(duì)壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，不能對(duì)測(cè)試系統(tǒng)整體進(jìn)行校準(zhǔn)，不考慮測(cè)試環(huán)境的影響。

用靜態(tài)標(biāo)定的測(cè)壓器測(cè)量火炮膛壓，在彈重和裝藥量等條件相同的情況下測(cè)得的壓力峰值散布很大，根據(jù)彈丸初速以及銅柱測(cè)壓器所測(cè)壓力峰值數(shù)據(jù)可知實(shí)際火炮膛內(nèi)壓力不會(huì)有如此大的散布。分析其原因，主要是在實(shí)測(cè)過(guò)程中測(cè)壓器受到高溫、高壓、高沖擊和腐蝕等環(huán)境力的作用，其系統(tǒng)特性發(fā)生了改變，具體表現(xiàn)為傳感器底座的變形、熱沖擊等引起的傳感器特性改變，電路特性的改變等。為了提高膛壓測(cè)量精度，采用環(huán)境因子校準(zhǔn)方法，對(duì)現(xiàn)有模擬膛壓發(fā)生器校準(zhǔn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，建立了校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 原校準(zhǔn)裝置與環(huán)境因子校準(zhǔn)思想

測(cè)壓器的校準(zhǔn)原來(lái)使用模擬膛壓發(fā)生器校準(zhǔn)裝置［3］，該裝置用來(lái)產(chǎn)生火炮發(fā)射時(shí)膛內(nèi)的高溫和高壓環(huán)境，產(chǎn)生的單次性壓力信號(hào)幅值在150～400 MPa，脈寬在10～50ms，上升時(shí)間小于2ms?，F(xiàn)有的校準(zhǔn)裝置操作復(fù)雜，產(chǎn)生的壓力幅值不能滿足800MPa量程測(cè)壓器的校準(zhǔn)需要。該量程測(cè)壓器用于高膛壓火炮膛壓測(cè)試，高膛壓火炮的膛壓可達(dá)750MPa。因此急需改進(jìn)模擬膛壓發(fā)生器校準(zhǔn)裝置。

在動(dòng)態(tài)參量的測(cè)試過(guò)程中，要求測(cè)試用的傳感器或測(cè)試儀器放置到被測(cè)體中或被測(cè)環(huán)境中，在被測(cè)體或被測(cè)環(huán)境實(shí)際運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中實(shí)時(shí)實(shí)況地測(cè)取其動(dòng)態(tài)參數(shù)［3］。測(cè)試系統(tǒng)將受到與被測(cè)對(duì)象相同的極端惡劣的環(huán)境力的作用。測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試環(huán)境激勵(lì)的響應(yīng)定義為環(huán)境因子。

測(cè)試精度是動(dòng)態(tài)參量測(cè)試的關(guān)鍵問(wèn)題，為了確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠，減小測(cè)試環(huán)境對(duì)測(cè)試系統(tǒng)精度的影響，文獻(xiàn)［4］最早提出了環(huán)境因子校準(zhǔn)的概念，研究了壓電晶體壓力傳感器靈敏度在低溫環(huán)境下的變化規(guī)律。文獻(xiàn)［5］提出了在模擬應(yīng)用環(huán)境下校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)的理念：通過(guò)研制環(huán)境模擬裝置，模擬實(shí)際測(cè)試環(huán)境，使測(cè)試系統(tǒng)在與其工作環(huán)境相同或相近的環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得其在實(shí)測(cè)環(huán)境下的工作特性。

2 校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成及工作原理

模擬應(yīng)用環(huán)境的校準(zhǔn)系統(tǒng)組成如圖1、圖2所示，主要由模擬膛壓發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)及高低溫實(shí)驗(yàn)箱組成。

圖1 模擬應(yīng)用環(huán)境的校準(zhǔn)系統(tǒng)組成Fig.1 System composition of environmental factors alibration system for the internal electronic pressure gauge

圖2 標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器與被校準(zhǔn)測(cè)壓器的安裝位置示意圖Fig.2 Installation diagram of standards pressure sensors and linternal electronic pressure gauge

改進(jìn)后的模擬膛壓發(fā)生器產(chǎn)生的壓力信號(hào)幅值在80～800MPa，脈寬在10～20ms，上升時(shí)間小于2ms。

標(biāo)準(zhǔn)測(cè)壓系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、3個(gè)Kistler6215型電荷放大器、3個(gè)Kistler6213BK型標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和3個(gè)電荷放大器一一配套后經(jīng)國(guó)防高壓計(jì)量一級(jí)站進(jìn)行溯源性校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)壓系統(tǒng)的基本誤差小于滿量程的0.05%。

高低溫實(shí)驗(yàn)箱用來(lái)對(duì)被校準(zhǔn)的測(cè)壓器進(jìn)行保溫。在校準(zhǔn)試驗(yàn)前測(cè)壓器要按照火炮內(nèi)彈道試驗(yàn)方法國(guó)軍標(biāo)保高溫、低溫或常溫48h［6］。

測(cè)壓器的校準(zhǔn)采用環(huán)境因子校準(zhǔn)方法，模擬膛壓發(fā)生器是環(huán)境模擬裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)火炮膛壓測(cè)試時(shí)高溫高壓環(huán)境的模擬，能承受800MPa高壓和2 000℃瞬時(shí)高溫，在模擬膛壓發(fā)生器端部與測(cè)壓器相對(duì)的端蓋上安裝3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器，校準(zhǔn)時(shí)預(yù)先將測(cè)壓器保溫48h，再迅速放入模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)，然后放入含有電點(diǎn)火頭、點(diǎn)火藥和發(fā)射藥的藥包，最后通過(guò)點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃發(fā)射藥（約100～150g），這樣在模擬膛壓發(fā)生器的腔體內(nèi)產(chǎn)生了與火炮膛內(nèi)相似的高溫高壓環(huán)境，產(chǎn)生的壓力同時(shí)作用在標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和被校準(zhǔn)的測(cè)壓器上。標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器與測(cè)壓器同時(shí)采集信號(hào)，信號(hào)記錄完后，由計(jì)算機(jī)讀出測(cè)壓器數(shù)據(jù)。每個(gè)測(cè)壓器要在常溫、低溫、高溫條件下各校準(zhǔn)8次，把測(cè)壓器數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)一起進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［4－5］，得到被校準(zhǔn)測(cè)壓器的工作特性方程：y＝b＋k×x，其中：y是該保溫條件下某采樣點(diǎn)的壓力值，單位是MPa；b是該保溫條件下的截距，單位是MPa；k是該保溫條件下的靈敏度，單位是MPa／b；x是測(cè)壓器某采樣點(diǎn)的比特值，即AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量值。

表1 實(shí)測(cè)火炮膛壓信號(hào)的特征參數(shù)Tab.1 The character parameters of the real chamber pressure signals

表2 泄壓膜片厚度、裝藥量、最大壓力值對(duì)照表Tab.2 Comparison table of diaphragm plate、charge amounts and maximum pressure

3 模擬應(yīng)用環(huán)境校準(zhǔn)的合理性分析

3.1 模擬膛壓發(fā)生器火藥燃燒與火炮實(shí)射膛壓過(guò)程對(duì)測(cè)壓器的作用具有相似性

表1是實(shí)測(cè)和調(diào)研獲得的各類炮種的壓力上升時(shí)間及壓力脈寬。從表1可以看出膛壓峰值小于600MPa，壓力上升時(shí)間最快的是1.3ms，大多數(shù)都在3～4ms內(nèi)。壓力持續(xù)時(shí)間在10～30ms內(nèi)。

通過(guò)改變泄壓膜片厚度和裝藥量可以使模擬膛壓發(fā)生器產(chǎn)生不同壓力幅值的壓力信號(hào)。表2是模擬膛壓發(fā)生器的泄壓膜片厚度、裝藥量與產(chǎn)生的最大壓力值之間的對(duì)照表。由表2可知，當(dāng)裝藥量相同時(shí)，模擬膛壓發(fā)生器所產(chǎn)生的最大壓力值隨著膜片厚度的增加而增大。當(dāng)膜片厚度相同時(shí)，最大壓力值隨著裝藥量的增加而增大。

圖3為加農(nóng)炮的實(shí)測(cè)膛壓曲線及頻譜特性，峰值壓力是288MPa，圖4為模擬膛壓發(fā)生器壓力－時(shí)間曲線及頻譜特性，峰值壓力是470MPa，上升時(shí)間1.82ms，脈寬14ms。比較模擬膛壓發(fā)生器產(chǎn)生的壓力曲線與實(shí)測(cè)火炮的膛壓曲線，可以看出兩者產(chǎn)生的壓力信號(hào)有效頻率均在5kHz以內(nèi)，壓力上升時(shí)間均在2～6ms內(nèi)，壓力信號(hào)的持續(xù)時(shí)間都在10～30ms之間。

圖3 加農(nóng)炮的膛壓曲線及頻譜特性Fig.3 The chamber pressure curve and spectrum curve of cannon

圖4 模擬膛壓發(fā)生器壓力－時(shí)間曲線及頻譜特性Fig.4 The pressure curve and spectrum curve of the simulation chamber pressure generator

模擬膛壓發(fā)生器火藥燃燒瞬態(tài)高溫對(duì)測(cè)壓器的作用與火炮發(fā)射時(shí)的作用相近。根據(jù)火藥氣體的狀態(tài)方程［7］，有

式（1）中，p為火藥燃燒產(chǎn)生的壓強(qiáng)；R為火藥氣體常數(shù)，R＝p0ω1／273；T為火藥燃燒的溫度；ω為火藥氣體的比容；b為火藥氣體的分子容積；p0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)一個(gè)大氣壓值1.033kg／cm2；ω1為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1kg火藥燃燒生成物的容積。

由式（1）可以看出，火藥燃燒符合氣體狀態(tài)方程，溫度是壓力的線性函數(shù)。在模擬膛壓發(fā)生器中和火炮膛內(nèi)相近火藥示性數(shù)的火藥燃燒的過(guò)程中壓力相當(dāng)時(shí)燃?xì)鉁囟葘?duì)電子測(cè)壓器的作用也相當(dāng)。因此，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的過(guò)程能夠比較確切地反映測(cè)壓器在炮膛內(nèi)高溫高壓環(huán)境下的動(dòng)態(tài)特性。

3.2 校準(zhǔn)時(shí)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)與被校測(cè)壓器測(cè)量的是同一個(gè)局部環(huán)境的壓力過(guò)程

對(duì)同一動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行測(cè)量，要求不同測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)波形相似程度高，相對(duì)能量誤差小，即所測(cè)波形相關(guān)系數(shù)應(yīng)接近1。

1）3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)所測(cè)壓力曲線與平均壓力曲線的相關(guān)系數(shù)在0.999以上。

式（2）中，xstmean為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力的平均壓力曲線；xsti為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力系統(tǒng)的壓力曲線，i＝1，2，3。

相關(guān)系數(shù)可以表示動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)相對(duì)誤差的大小，接近1則波形相似程度高，相對(duì)誤差??；接近0則波形相似程度低，相對(duì)誤差大。

從大量動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析得出，校準(zhǔn)系統(tǒng)中的3套測(cè)試系統(tǒng)彼此間的相關(guān)系數(shù)最低為0.999 93，波形相似程度極高，說(shuō)明測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)動(dòng)態(tài)誤差很小，3套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)受同一壓力源激勵(lì)。

2）被校準(zhǔn)測(cè)壓器所測(cè)壓力曲線與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的平均壓力曲線的相關(guān)系數(shù)在0.999以上。

對(duì)于測(cè)壓器的校準(zhǔn)，不僅要求3套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)間應(yīng)具有良好的相關(guān)性，而且要求3套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)所測(cè)壓力值的平均壓力曲線和被校準(zhǔn)測(cè)壓器所測(cè)壓力曲線間具有良好的相關(guān)性。

式（3）中，ycald（t）為被校準(zhǔn)測(cè)壓器的輸出信號(hào)，xcald（t）為解算出的被校準(zhǔn)測(cè)壓器壓力信號(hào)。

從大量動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析看出，3套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)所測(cè)壓力值的平均壓力曲線和被校準(zhǔn)測(cè)壓器所測(cè)壓力曲線相關(guān)系數(shù)最低為0.999 4。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的溯源性校準(zhǔn)

3套標(biāo)準(zhǔn)測(cè)壓系統(tǒng)經(jīng)過(guò)到高壓力計(jì)量一級(jí)站進(jìn)行靜態(tài)特性的溯源，由于傳感器是整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)特性最差的薄弱環(huán)節(jié)，因此標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性溯源校準(zhǔn)的關(guān)鍵就是壓力傳感器的動(dòng)態(tài)溯源校準(zhǔn)，傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)采用準(zhǔn)δ校準(zhǔn)方法。采用自行研制的準(zhǔn)δ校準(zhǔn)裝置對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)定［8－9］，得到了壓力傳感器的頻率響應(yīng)特性。用這樣經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)特性溯源性校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)在模擬火炮膛內(nèi)環(huán)境中來(lái)校準(zhǔn)測(cè)壓器，能夠確保測(cè)壓器的測(cè)試精度。

3.4 提高測(cè)壓器可靠性

測(cè)壓器在校準(zhǔn)前要在高溫或低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)保溫48h，然后再校準(zhǔn)其低溫和高溫的系統(tǒng)靈敏度。這樣就避免了環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)壓器性能的影響。每一個(gè)電子測(cè)壓器要經(jīng)過(guò)24次以上的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)也能夠?qū)ζ淇煽啃赃M(jìn)行考核，可有效剔除測(cè)壓器的早期失效，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和剔除不合格產(chǎn)品，確保了測(cè)壓器在實(shí)際使用中不出現(xiàn)可靠性問(wèn)題。

4 對(duì)比試驗(yàn)

表3中列出了同一個(gè)測(cè)壓器用靜態(tài)標(biāo)定方法和模擬應(yīng)用環(huán)境校準(zhǔn)方法獲得的靈敏度系數(shù)，靜態(tài)環(huán)境下校準(zhǔn)的測(cè)壓器常低溫靈敏度系數(shù)與模擬應(yīng)用環(huán)境校準(zhǔn)的測(cè)壓器常低溫靈敏度系數(shù)不相同，有的甚至相差很大，但總的趨勢(shì)是模擬應(yīng)用環(huán)境校準(zhǔn)的靈敏度系數(shù)中k值都比在靜態(tài)環(huán)境相同溫度條件下校準(zhǔn)的靈敏度系數(shù)的k值小。

經(jīng)過(guò)模擬應(yīng)用環(huán)境校準(zhǔn)的測(cè)壓器在靶場(chǎng)火炮上進(jìn)行了膛壓測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。用靜態(tài)標(biāo)定方法標(biāo)定的測(cè)壓器的測(cè)試數(shù)據(jù)散布較大，根據(jù)彈重、彈丸初速以及銅柱測(cè)壓器所測(cè)壓力峰值分析得出實(shí)際火炮膛內(nèi)壓力不會(huì)有如此大的散布。經(jīng)模擬應(yīng)用環(huán)境校準(zhǔn)的測(cè)壓器測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，散布小，置信度高。

表3 靜態(tài)校準(zhǔn)和模擬應(yīng)用環(huán)境校準(zhǔn)獲得的測(cè)壓器靈敏度系數(shù)對(duì)比Tab.3 The sensitivity contrast between static calibration method and environmental factors calibration method

表4 實(shí)炮測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.4 Real gun test data

5 結(jié)論

本文提出了改進(jìn)的模擬膛壓發(fā)生器校準(zhǔn)裝置。該校準(zhǔn)系統(tǒng)由模擬膛壓校準(zhǔn)裝置、標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)及高低溫實(shí)驗(yàn)箱組成，采用環(huán)境因子校準(zhǔn)方法，可對(duì)火炮膛壓測(cè)試儀實(shí)施校準(zhǔn)。能夠模擬火炮發(fā)射時(shí)炮膛內(nèi)的高溫和高壓環(huán)境，產(chǎn)生單次性壓力信號(hào)。利用建立的校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)測(cè)壓器實(shí)施了校準(zhǔn)，這種校準(zhǔn)是在與實(shí)際使用環(huán)境相同的高壓、高溫環(huán)境下進(jìn)行的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)得到的系統(tǒng)工作特性更能代表其在實(shí)測(cè)環(huán)境下的工作特性。理論分析與對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：測(cè)壓器在模擬應(yīng)用環(huán)境下校準(zhǔn)的方法是合理的，靜態(tài)標(biāo)定方法和模擬應(yīng)用環(huán)境校準(zhǔn)方法獲得的測(cè)壓器靈敏度系數(shù)不同，實(shí)炮測(cè)試數(shù)據(jù)表明經(jīng)模擬應(yīng)用環(huán)境校準(zhǔn)后的測(cè)壓器測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，置信度高。能夠?yàn)樯砉芪淦鞯脑O(shè)計(jì)、生產(chǎn)和驗(yàn)收實(shí)踐提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。這種校準(zhǔn)方法也可以推廣應(yīng)用到其他動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。

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