楊　文，張　瑜，祖　靜

（1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，太原030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；3.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，太原030051）

放入式電子測(cè)壓器的校準(zhǔn)技術(shù)研究

楊文1，張瑜1，祖靜2，3*

（1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，太原030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；3.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，太原030051）

電子測(cè)壓器是理想的火炮膛壓測(cè)試儀器，用經(jīng)過靜態(tài)標(biāo)定的測(cè)壓器測(cè)得的火炮膛壓峰值與銅柱測(cè)壓器測(cè)得的峰值相比散布很大。究其原因可能是選用的壓力傳感器的帶寬無法完全覆蓋膛壓信號(hào)的帶寬，也可能是火炮發(fā)射時(shí)的惡劣環(huán)境改變了傳感器的動(dòng)態(tài)特性。針對(duì)上述問題，通過準(zhǔn)δ函數(shù)校準(zhǔn)法得出壓力傳感器的頻響特性完全滿足測(cè)量膛壓的要求。設(shè)計(jì)了模擬膛壓校準(zhǔn)裝置，能模擬火炮膛內(nèi)高溫高壓環(huán)境，產(chǎn)生幅值在80 MPa～800 MPa，脈寬在10 ms～20 ms的壓力信號(hào)。實(shí)彈測(cè)試數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過模擬應(yīng)用環(huán)境校準(zhǔn)后的測(cè)壓器所測(cè)壓力峰值分布穩(wěn)定性好、置信度高。

準(zhǔn)δ函數(shù)校準(zhǔn)法；模擬應(yīng)用環(huán)境；電子測(cè)壓器；高精度

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.020

膛壓測(cè)試的精度對(duì)火炮、彈丸、發(fā)射藥的設(shè)計(jì)、研制起著舉足輕重的作用。放入式電子測(cè)壓器由壓電式壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器及高強(qiáng)度殼體組成的測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試時(shí)將測(cè)壓器置于火炮膛底，自動(dòng)完成信號(hào)的采集和存儲(chǔ)，并可重復(fù)使用，是一種理想的火炮膛壓測(cè)試儀器［1-3］。

采用在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下靜態(tài)標(biāo)定的測(cè)壓器進(jìn)行實(shí)彈測(cè)試，在彈重與裝藥條件一致的情況下，膛壓曲線與銅柱測(cè)壓器測(cè)得的壓力峰值比對(duì)，散布較大。其原因可能來自兩個(gè)方面:第一，選用的壓力傳感器的有效帶寬不能夠覆蓋被測(cè)膛壓信號(hào)的有效帶寬；第二，由于火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫、高壓改變了壓力傳感器和電路的工作特性。

本文針對(duì)影響測(cè)壓器精確度的原因進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。首先，根據(jù)改進(jìn)的準(zhǔn)δ函數(shù)脈沖壓力校準(zhǔn)法得到壓力傳感器的頻域響應(yīng)曲線，定量的論證了所選用的壓力傳感器測(cè)試火炮膛壓的合理性。然后，根據(jù)設(shè)計(jì)的模擬膛壓發(fā)生器校準(zhǔn)裝置，采用環(huán)境因子校準(zhǔn)法對(duì)電子測(cè)壓器實(shí)施校準(zhǔn)［4-6］。

1　準(zhǔn)δ函數(shù)脈沖校準(zhǔn)法

壓力傳感器是獲取信號(hào)的源頭，電子測(cè)壓器能否精確測(cè)量膛壓信號(hào)主要取決于壓力傳感器是否能準(zhǔn)確獲取膛壓信號(hào)。目前，常使用激波管對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。但是，其紙磨片壓力幅值較小，僅適用于低壓校準(zhǔn)，并且測(cè)量的下限頻率無法至0。目前的準(zhǔn)δ函數(shù)脈沖壓力發(fā)生器是利用垂直飛片打擊液面，在液盂里產(chǎn)生壓力窄脈沖，壓力可達(dá)500 MPa。當(dāng)壓力波反射時(shí)會(huì)產(chǎn)生幅值很大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力作用于壓電晶片就會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，容易損壞傳感器。針對(duì)傳統(tǒng)方法的不足，對(duì)測(cè)試裝備進(jìn)行了改進(jìn)。

改進(jìn)后的準(zhǔn)δ函數(shù)校準(zhǔn)裝置主要由Hopkinson桿、高壓油腔、應(yīng)變片、氣槍管、彈丸、電磁閥、高壓氣腔、壓力傳感器、錳銅傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。事先用砝碼加在活塞上形成400 MPa的靜態(tài)高壓，高壓氣體通過電磁閥推動(dòng)彈丸高速運(yùn)動(dòng)，子彈撞擊Hopkinson桿，產(chǎn)生幅值較小的準(zhǔn)δ壓力脈沖，可避免反射拉應(yīng)力形成負(fù)壓。同時(shí)采集壓力傳感器和錳銅傳感器的輸出信號(hào)，根據(jù)校準(zhǔn)原理對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行處理，即可得到壓力傳感器的頻率特性曲線［7］。

圖1　準(zhǔn)δ校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)

若已知產(chǎn)生的δ信號(hào)的波形和以δ信號(hào)為激勵(lì)的輸出波形，通過求傅里葉變換可以得到傳感器的頻率響應(yīng)H（jw）。設(shè)計(jì)中使用頻率響應(yīng)較高的錳銅傳感器采集激勵(lì)信號(hào) f（t），采集壓力傳感器傳感器的輸出信號(hào) y（t），則被校準(zhǔn)傳感器的頻率響應(yīng)

假設(shè)準(zhǔn)δ信號(hào) f（t）是是脈沖寬度為τ，壓力峰值為p的矩形脈沖信號(hào)。

信號(hào)f（t）的頻譜F（w）為:

f（t）的歸一化幅頻譜

圖2是壓力傳感器的頻率響應(yīng)曲線，該傳感器的諧振頻率約為252 kHz。在幅值誤差小于5%的條件下，頻響特性在0～20 kHz段比較平坦，而火炮膛壓的有效帶寬是0～5 kHz，說明選用的壓力傳感器應(yīng)用于火炮膛壓測(cè)試是合理的。

圖2　壓力傳感器的頻域響應(yīng)

圖3　模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)

2　基于環(huán)境因子的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)

經(jīng)過以上驗(yàn)證，導(dǎo)致測(cè)壓器測(cè)量的誤差來源只可能是實(shí)彈的高溫、高壓、熱沖擊等因素影響使壓力傳感器的動(dòng)態(tài)特性發(fā)生了改變。因此，要得出在實(shí)彈環(huán)境中壓力傳感器的靈敏度，必須把傳感器之與實(shí)彈環(huán)境下進(jìn)行校準(zhǔn)，這種辦法顯然不可取。采用模擬環(huán)境因子校準(zhǔn)法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器的校準(zhǔn)。所謂模擬環(huán)境因子校準(zhǔn)方法是指把壓力傳感器置于與實(shí)彈環(huán)境類似的條件下所做出的測(cè)量。

圖3是經(jīng)過改進(jìn)的模擬應(yīng)用環(huán)境的校準(zhǔn)系統(tǒng)，該裝置操作更加簡單，主要由模擬膛壓發(fā)生器、測(cè)壓器、3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、信號(hào)采集系統(tǒng)和高低溫實(shí)驗(yàn)箱等部分組成，模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖如圖3。實(shí)彈測(cè)試時(shí)，測(cè)壓器通常要隨彈保溫，在實(shí)驗(yàn)中常使用高低溫實(shí)驗(yàn)箱保溫48 h。保溫48 h后迅速放入模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)，點(diǎn)火起爆后標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器與被校傳感器同時(shí)采集信號(hào)。每個(gè)被校傳感器分別置于高溫、低溫、常溫中各測(cè)多組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后擬合出被校傳感器的靈敏度系數(shù)［8］。

2.1模擬應(yīng)用環(huán)境下準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)的合理性分析

2.1.1模擬膛壓發(fā)生器與火炮實(shí)射環(huán)境的相似性分析

模擬膛壓發(fā)生器是通過控制點(diǎn)火開關(guān)，使火藥瞬態(tài)燃燒的方式模擬出火炮的環(huán)境。根據(jù)高溫高壓的火藥氣體狀態(tài)方程，其中R為與氣體組分有關(guān)的常數(shù)；T為火藥的燃燒溫度；v為火藥氣體的比容；α為氣體的分子容積。當(dāng)裝入火藥的量一定時(shí)，產(chǎn)生的溫度T一定。由公式可以得出，不同的火藥裝入量，產(chǎn)生的溫度不同，即可產(chǎn)生不同的壓力值。通過控制火藥的多少即可模擬出不同彈丸的發(fā)射環(huán)境。

2.1.2被校測(cè)壓器的合理性分析

圖4為模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)中被校測(cè)壓器與三套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的相對(duì)位置。三套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)已經(jīng)過國防高壓計(jì)量一級(jí)站溯源性校準(zhǔn)，基本誤差小于滿量程的0.05%。經(jīng)過大量的測(cè)試分析，三套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的平均壓力曲線，與三套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)各自測(cè)得的壓力曲線，兩兩之間的相關(guān)系數(shù)在0.999 9以上。說明三套系統(tǒng)受同一壓力激勵(lì)源。

圖4　被校傳感器與三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的相對(duì)位置

圖5為被校測(cè)壓器所測(cè)壓力曲線與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)平均壓力曲線。其中，實(shí)線為測(cè)壓器測(cè)得的壓力曲線，虛線為三套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的平均壓力曲線。，xst為被校傳感器的壓力信號(hào)，xsti為三套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)所測(cè)壓力曲線的平均值。Cxstx-sti（τ）max≥0.999。說明三套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)與被校準(zhǔn)測(cè)壓器所測(cè)壓力具有的相關(guān)性。即三套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)與被校測(cè)壓器測(cè)量的是同一局部環(huán)境的壓力過程［9-10］。

圖5　被校傳感器壓力曲線與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)平均壓力曲線

表1和表2分別為實(shí)測(cè)火炮的膛壓信號(hào)測(cè)試參數(shù)和模擬膛壓發(fā)生器的信號(hào)測(cè)試參數(shù)。由表2可知，當(dāng)裝藥量相同時(shí)，模擬膛壓發(fā)生器產(chǎn)生的最大壓力值隨著膜片厚度的增加而增大。

表1　實(shí)炮膛壓信號(hào)的數(shù)據(jù)參數(shù)

表2　模擬膛壓信號(hào)的數(shù)據(jù)參數(shù)

圖6　130火炮實(shí)測(cè)膛壓曲線及其頻譜

由表1和表2數(shù)據(jù)可知，實(shí)炮膛壓產(chǎn)生的壓力信號(hào)與模擬膛壓發(fā)生器產(chǎn)生的壓力信號(hào)的幅值和脈寬相似。圖6和圖7分別為130火炮實(shí)測(cè)膛壓曲線及其頻譜和模擬膛壓發(fā)生器的壓力曲線和頻譜圖。某型火炮的壓力峰值為324.34 MPa，上升時(shí)間4.61 ms，脈寬為20.84 ms。模擬膛壓發(fā)生器的壓力峰值為463.28 MPa，上升時(shí)間2.02 ms，脈寬23.43 ms。說明了模擬膛壓發(fā)生器與實(shí)彈環(huán)境下對(duì)測(cè)壓器的作用具有相似性。

圖7　模擬膛壓發(fā)生器的壓力曲線和頻譜圖

2.2準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)方法

3套標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器經(jīng)過國防高壓力計(jì)量一級(jí)站靜態(tài)特性溯源。分別在三種保溫下進(jìn)行試驗(yàn)，每種溫度下進(jìn)行若干次試驗(yàn)，獲得各境溫度下的數(shù)據(jù)。下面以常溫試驗(yàn)為例說明，常溫下測(cè)壓器測(cè)得的壓力曲線為yi，單位MPa，xi為對(duì)應(yīng)的測(cè)量電壓輸出量，單位為bit。把數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性回歸處理，求得常溫下的動(dòng)態(tài)直線方程yi=kxi+b，其中bi為截距，單位MPa；ki為某溫度下的靈敏度系數(shù)，單位MPa/bit［11-12］。

3　放入式電子測(cè)壓器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

表3是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)測(cè)壓器進(jìn)行標(biāo)定的靈敏度系數(shù)和模擬應(yīng)用環(huán)境下校準(zhǔn)的靈敏度系數(shù)對(duì)比結(jié)果。說明在高溫高的環(huán)境下會(huì)改變測(cè)壓器的靈敏度系數(shù)。

表3　靜態(tài)標(biāo)定與環(huán)境因子校準(zhǔn)靈敏度系數(shù)

銅柱測(cè)壓法是一種傳統(tǒng)的測(cè)試膛壓的方法，此方法測(cè)試可信度高。表4是用銅柱測(cè)壓法和電子測(cè)壓器測(cè)得的膛壓值。從表中可看出，準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)前測(cè)試的數(shù)據(jù)與銅柱測(cè)壓法測(cè)得的壓力峰值相比分散較大。說明在準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)前的電子測(cè)壓器置信度較低，經(jīng)過基于環(huán)境因子的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)后，壓力峰值散布明顯降低，并且低于銅柱測(cè)試法。驗(yàn)證了電子測(cè)壓器設(shè)計(jì)的合理性。電子測(cè)壓器與銅柱測(cè)試法相比抗干擾能力更強(qiáng)，測(cè)試精度更高，并且能完整記錄膛內(nèi)壓力的變化情況，能為身管武器的設(shè)計(jì)提供更可靠的信息。

表4　實(shí)炮測(cè)試數(shù)據(jù)　單位:MPa

4　結(jié)論

通過對(duì)靜態(tài)標(biāo)定的放入式電子測(cè)壓器測(cè)得的數(shù)據(jù)分析，利用準(zhǔn)δ函數(shù)脈沖法得到了傳感器的動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證了壓力傳感器完全滿足對(duì)火炮膛壓的測(cè)試。盡管對(duì)測(cè)壓器的靜態(tài)標(biāo)定的精度很高，但是是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的。在實(shí)彈惡劣的環(huán)境下，可能會(huì)改變測(cè)壓器的靜、動(dòng)態(tài)特性，所以，之前標(biāo)定的結(jié)果就不準(zhǔn)確。通過模擬膛壓環(huán)境，再對(duì)測(cè)壓器進(jìn)行校準(zhǔn)得到的靈敏度更準(zhǔn)確。通過多次記錄的實(shí)彈膛壓曲線表明，模擬環(huán)境的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)后測(cè)得的數(shù)據(jù)分布明顯變小，說明了模擬應(yīng)用環(huán)境下的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)法是可行的。

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楊文（1987-），男，漢族，湖北荊州人，碩士，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器yangwen8136@163.com；

祖靜（1933-），男，漢族，北京人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閮x器科學(xué)與技術(shù)，動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器等，Jingzu@pubilc.ty.sx.cn。

Research on Calibration of Internal Electronic Piezo Gauge

YANG Wen1，ZHANG Yu1，ZU Jing2，3*

（1.School of Computer and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；3.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement（North University of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

Electronic pressure measuring device is an ideal instrument for measuring the pressure of artillery，the static calibration of pressure measured pressure value is large distribution compared with copper crusher.The reason may be the pressure sensor can not be fully covered bore pressure signal，or may be the dynamic characteristics of the sensor have been changed by the harsh environment when the gun is fired.In view of the above problems，through the quasiδcalibration function method proved frequency response characteristics of the pressure sensor fully meets the measurement requirements of bore pressure.Designed a simulation chamber pressure calibration device，which can simulate the high temperature and high pressure environment of artillery bore，and can generate amplitude in 800 MPa～800 MPa，pulse width at 10 ms～20 ms pressure signal.The actual test data show that after the simulation of the application environment，the stability of the pressure peak value of the pressure sensor is high，and the confidence level is high.

quasi-δfunction calibration；simulated application environment；Electronic pressure；high-precision

TM930.12

A

1004-1699（2015）09-1384-05

2015-05-08修改日期:2015-07-13