薛　莉，杜紅棉，裴東興，何志文，曹學(xué)友

(1．中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，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，山西太原　030051)

0　引言

為了準(zhǔn)確測(cè)量并且正確判讀沖擊波的關(guān)鍵特征參數(shù)，為武器研制過(guò)程中的性能評(píng)估提供重要的依據(jù)[1]，研制的測(cè)試系統(tǒng)及所選用的壓力傳感器必須具有良好的動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)相關(guān)國(guó)軍標(biāo)的規(guī)定，壓力傳感器的諧振頻率應(yīng)大于75 kHz，上升時(shí)間不大于20 μs，超調(diào)量要盡量小[2]。

目前，滿足以上指標(biāo)的常用壓力傳感器主要有兩種：壓阻式傳感器和壓電式傳感器[3]。但在沖擊波實(shí)測(cè)中，二者分別表現(xiàn)出以下不足：前者的硅敏感單元也會(huì)對(duì)爆炸產(chǎn)生的光敏感，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，影響對(duì)壓力的測(cè)試[4]。后者需通過(guò)電纜與外置電荷放大器相連，會(huì)產(chǎn)生電纜噪聲和由環(huán)境污染引起的信號(hào)漂移，影響測(cè)試結(jié)果[5]。隨著現(xiàn)代IC技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了將壓電模塊和電荷放大器集成于一體的ICP(Integrated Circuit Piezoelectric)傳感器，該傳感器克服了以上不足，抗干擾能力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)中[6]。

文中設(shè)計(jì)了沖擊波測(cè)試系統(tǒng)中ICP傳感器的適配電路，以雙膜激波管為校準(zhǔn)儀器，研究適配電路中不同恒流源供電對(duì)ICP傳感器動(dòng)態(tài)特性的影響。

1　傳感器的適配電路

典型的ICP傳感器系統(tǒng)通常包括ICP傳感器、雙芯電纜和適配電路三部分，適配電路包括恒流源和隔直電容兩部分，如圖1所示。

圖1　ICP傳感器系統(tǒng)示意圖

其中，雙芯電纜用于連接ICP傳感器和適配電路，具有2個(gè)功能：(1)作為信號(hào)通信信道，將ICP傳感器的電壓輸出給后續(xù)信號(hào)處理電路；(2)作為直流供電信道，一般所提供的電流源范圍為2～20 mA．ICP傳感器的恒流源選定，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的電纜長(zhǎng)度來(lái)確定，若使用的電纜較短，恒流源供電也可以較小，若使用的電纜較長(zhǎng)，則恒流源供電也可以較大。

2　傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

傳感器在使用前，必須進(jìn)行測(cè)量超壓范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)[7]。為了研究ICP傳感器在不同大小恒流源供電下動(dòng)態(tài)特性，以雙膜激波管作為校準(zhǔn)儀器，進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。

2．1校準(zhǔn)原理

雙膜激波管由高、中、低3個(gè)壓室組成，壓室之間由膜片D1和D2隔開(kāi)，激波壓力的大小由膜片的厚度決定。動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)時(shí)，當(dāng)高中壓室的壓力差達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)使膜片D1破裂。產(chǎn)生的入射激波在中壓室傳播，并壓縮其中的氣體，使該氣體成為具有較高的壓力和溫度的驅(qū)動(dòng)氣體，從而使膜片D2破裂。產(chǎn)生的增強(qiáng)的入射激波在低壓室傳播，該入射激波的波陣面壓力保持恒定，接近理想的階躍波，可以對(duì)側(cè)壁安裝的壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)；然后入射激波在低壓室剛性壁端面反射，形成反射激波，可以對(duì)端面安裝的壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)用雙膜激波管的結(jié)構(gòu)圖如圖2，實(shí)物圖如圖3所示。

圖2　雙膜激波管的結(jié)構(gòu)圖

2．2校準(zhǔn)方法

以恒定電流源2～20 mA范圍為測(cè)試條件，對(duì)傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，同一大小恒流源供電時(shí)，做多次校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)中，被校準(zhǔn)ICP傳感器為端面安裝。

根據(jù)蘭基涅-胡果尼方程，雙膜激波管中反射激波的階躍壓力計(jì)算式如下[8]：

圖3　雙膜激波管的實(shí)物圖

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ΔP為低壓室激波波前的反射超壓；P0為低壓室氣體初始?jí)毫?；Ms為低壓室激波波前的馬赫數(shù)；V為低壓室激波波前的傳播速度；c為低壓室中的聲速；S為兩測(cè)速傳感器之間的距離；t為激波經(jīng)過(guò)兩測(cè)速傳感器的時(shí)間間隔；T為未擾動(dòng)時(shí)低壓室空氣的溫度。

2．3校準(zhǔn)結(jié)果

典型的階躍響應(yīng)波形如圖4所示，其中圖4(a)時(shí)間軸比圖4(b)大4倍。從時(shí)域響應(yīng)圖計(jì)算傳感器的上升時(shí)間、超調(diào)量、動(dòng)態(tài)靈敏度、諧振頻率等動(dòng)態(tài)指標(biāo)及頻率特性。數(shù)據(jù)記錄表格如表1所示，(其中，靈敏度百分比為靜、動(dòng)態(tài)靈敏度之差與靜態(tài)靈敏度的百分比)。

(a)整體圖

(b)局部圖

2．4結(jié)果分析與建議

對(duì)表1中的動(dòng)態(tài)指標(biāo)做平均，做出圖5中的曲線圖，進(jìn)行分析：

(1)從圖(a)分析，傳感器的上升時(shí)間基本以1 μs為中心變化，變化范圍在0.09 μs內(nèi)，這是在波形記錄儀的時(shí)間分辨率誤差內(nèi)的，說(shuō)明恒流源對(duì)上升時(shí)間幾乎無(wú)影響。

(2)從圖(b)分析，超調(diào)量大小在24%～40%之間，并且在同一恒流源供電時(shí)，超調(diào)量大小也在這個(gè)范圍內(nèi)，這說(shuō)明恒流源對(duì)超調(diào)量并無(wú)明顯影響。

(3)從圖(c)分析，傳感器的諧振頻率基本在488～500 Hz范圍內(nèi)變化，說(shuō)明諧振頻率是由傳感器自身物理特性決定，不會(huì)因恒流源電流大小不同而受到影響。

(4)從圖(d)分析，傳感器的動(dòng)靜態(tài)靈敏度百分比在20%范圍內(nèi)，曲線變化彎曲陡峭，說(shuō)明ICP傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度會(huì)受到恒流源電流大小不同的影響，但影響并無(wú)特定規(guī)律。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)果分析，建議如下：

表1　動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果記錄表格

(1)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)以15～20 mA的電流為傳感器供電時(shí)，由于內(nèi)置電路產(chǎn)生熱功率，傳感器的外殼產(chǎn)生發(fā)燙現(xiàn)象，因此如非必要，盡量避免長(zhǎng)時(shí)間用較大電流對(duì)傳感器供電。

(2)在對(duì)ICP傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，其恒流源電流大小必須和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中的保持一致，這樣才能保證校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(a)上升時(shí)間隨電流大小變化曲線圖

(b)超調(diào)量隨電流大小變化曲線圖

(c)諧振頻率隨電流大小變化曲線圖

(d)靈敏度百分比隨電流大小變化曲線圖

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研制的沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)中傳感器到適配電路之間的電纜長(zhǎng)度為13～300 cm，結(jié)合上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定恒流源大小為4 mA．測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖如圖6所示。

ICP傳感器輸出的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)ICP適配電路后，進(jìn)入模擬濾波放大電路。為滿足測(cè)試系統(tǒng)不同距離、不同當(dāng)量時(shí)的測(cè)量需求，模擬電壓信號(hào)放大有1倍、10倍兩種選擇。經(jīng)過(guò)放大濾波的模擬信號(hào)進(jìn)入A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)A/D后輸出的14位并行數(shù)字信號(hào)在PFGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼變?yōu)?6位并行數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)化為2個(gè)8位并行數(shù)據(jù)輸出給閃存。沖擊波信號(hào)采集并存儲(chǔ)結(jié)束后，PFGA給出下電信號(hào)，系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。測(cè)試完畢，系統(tǒng)回收后，通過(guò)讀數(shù)模塊將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，由VB軟件對(duì)沖擊波信號(hào)進(jìn)行處理分析。

圖6　系統(tǒng)的原理框圖

4　結(jié)束語(yǔ)

選取了新型的ICP傳感器，將其應(yīng)用于沖擊波測(cè)試系統(tǒng)之前，對(duì)其在雙膜激波管進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的適配電路，研究適配電路中不同恒流源供電對(duì)ICP傳感器動(dòng)態(tài)特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為ICP傳感器的實(shí)際應(yīng)用提供了一些參考，建議在動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和實(shí)際應(yīng)用中的適配電路最好保持一致，才能保證動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。研制的基于ICP傳感器的沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，性能穩(wěn)定，且ICP傳感器工作正常。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙巖．動(dòng)爆沖擊波超壓測(cè)試方法研究：[學(xué)位論文]．太原：中北大學(xué)，2012．

[2]孫忠良．常規(guī)兵器定型實(shí)驗(yàn)方法(炮口沖擊波超壓測(cè)試．中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)．GJB349．28-90．1990．

[3]杜紅棉，祖靜．常用沖擊波壓力傳感器動(dòng)態(tài)特性 實(shí)驗(yàn)研究．彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2012，32(4)：214-216．

[4]杜紅棉，祖靜，張志杰．壓阻傳感器8530B閃光響應(yīng)規(guī)律研究．測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，25(1)：78-81．

[5]王志剛，宋美球．壓電式傳感器及其智能化適調(diào)技術(shù)研究．儀表技術(shù)與傳感器．2009(7)．

[6]張遠(yuǎn)平，池家春．爆炸沖擊波壓力傳感器靈敏度的動(dòng)態(tài)標(biāo)定及測(cè)試技術(shù)研究．第四屆全國(guó)爆炸力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2006 ：349 - 352．

[7]黃俊欽．測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1996：18-55．

[8]X．A．拉赫馬社林，C．C．謝苗諾夫．激波管．中冊(cè)．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1966．