中北大學電子測試技術(shù)國家重點試驗室　劉　磊　李新娥

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內(nèi)置式壓力測試方法的研究

中北大學電子測試技術(shù)國家重點試驗室劉磊李新娥

【摘要】為了完成在惡劣環(huán)境下的壓力測試，本文基于實驗室設(shè)計的內(nèi)置式壓力測試儀，提出并改進了一種基于測試儀殼體電容充放電原理的微小電容檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)電路主要包括三個部分：信號調(diào)理電路、電源管理電路和數(shù)據(jù)采集存儲電路。通過理論分析與計算，確定了電路的各個參數(shù)。分析了在不同時刻的采樣波形和同一采樣周期內(nèi)電容不同充放電振蕩周期的數(shù)據(jù)采集情況，讀取系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)獲得了完整的壓力p-t曲線，驗證了該內(nèi)置式壓力測試方法的有效性和可行性。

【關(guān)鍵詞】內(nèi)置式；壓力測試；檢測系統(tǒng)

0　引言

在惡劣環(huán)境下的壓力測試，如火炮膛內(nèi)壓力的測試[1]，在測試過程中瞬時高溫可達3000oC，并且火藥燃燒伴隨巨大的電磁噪聲及震動。這對測試系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性要求極高[2]，而且需要將測試系統(tǒng)置于炮膛內(nèi)部。為了適應(yīng)這種高溫度、高壓力、強磁場的測試環(huán)境，需要設(shè)計一種微小體積、低功耗、高可靠性的內(nèi)置式壓力測試系統(tǒng)。

1　內(nèi)置式壓力測試儀

本實驗室設(shè)計的內(nèi)置式壓力測試儀[3]，由外部殼體及其內(nèi)部的測試電路構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中外筒與內(nèi)筒構(gòu)成同軸圓柱型電容器，當測壓儀受到外部壓力作用時，其外殼發(fā)生彈性形變，導致殼體電容發(fā)生變化，微小電容檢測系統(tǒng)通過檢測并存儲電容兩端電壓值的變化情況，通過運算即可實現(xiàn)對外部壓力的測量[4，5]。

圖1 內(nèi)置式壓力測試儀實體結(jié)構(gòu)示意圖

2　微小電容檢測系統(tǒng)的設(shè)計

基于測試儀殼體電容充放電原理的微小電容檢測系統(tǒng)框圖如圖2所示，主要包括有單片機、電源管理模塊、信號調(diào)理電路、8M高速晶振、面板和串行接口。信號調(diào)理電路負責將系統(tǒng)采集到的電容信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓信號，再將相應(yīng)的變化情況記錄下來，其中對于信號的采集、處理和存儲均由單片機完成。電源管理模塊兒為整個測試系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，并且在單片機的控制下實現(xiàn)功耗的控制。面板提供電路模塊與外界的連接。

圖2　檢測系統(tǒng)整體框圖

2.1信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路是整個檢測系統(tǒng)的核心部分，完成電容信號到電壓信號的轉(zhuǎn)變，故信號調(diào)理電路的設(shè)計直接影響檢測系統(tǒng)的性能。其主要由運算放大器、RC充放電電路、電壓跟隨器和電壓比較器組成。其中運算放大器和電壓比較器由單片機內(nèi)置模塊提供，同軸圓柱殼體作為RC充放電電路的電容，電壓跟隨器采用高帶寬的OPA365，模擬開關(guān)采用高響應(yīng)速率的ADG719。

2.2電源管理電路

考慮到測試環(huán)境對測試系統(tǒng)的要求，電池的選用原則是：容量盡可能大，體積小且能夠在－40oC環(huán)境下正常工作3～4小時，具有極強的抗沖擊能力。本電路中選用的是兵器213所研制的可充電耐低溫聚合物鋰離子電池，該電池空載電壓4.2V，容量40mAh，體積僅為0.8cm3。

電源管理電路采用芯片LP5996，電路的主要作用體現(xiàn)在減小系統(tǒng)功耗上。其中芯片的VCC和VDD分別為模擬電路供電電壓和數(shù)字電路供電電壓，EN1和EN2為VDD 和VCC的使能端，EN1連接電池始終處于使能狀態(tài)，使數(shù)字電路持續(xù)供電，而EN2接單片機的I/O口，受單片機控制，使模擬電路只需要在采樣期間才受到供電。

2.3晶振

為了滿足測試系統(tǒng)較高的采樣頻率，必須外接高頻晶體振蕩器，該電路使用的是SG-310-SCF8M，晶振的ST管腳同樣接單片機的一個I/O口，當ST使能高電平時，輸出時鐘頻率為8MHz，其工作電流僅為1.5 mA。

3　數(shù)據(jù)處理

使用上位機軟件對存儲在單片機Flash中的數(shù)據(jù)進行讀取，讀取后的P-t曲線如圖3所示。

4　總結(jié)

本文設(shè)計了一種基于測試儀殼體電容充放電原理的微小電容檢測系統(tǒng)。詳細介紹了系統(tǒng)電路，簡單分析了實驗數(shù)據(jù)，證明了檢測系統(tǒng)的可行性，為內(nèi)置式壓力的測試提供了理論基礎(chǔ)與設(shè)計方法，為最終在惡劣環(huán)境下的壓力測試提供了基礎(chǔ)性的研究與設(shè)計。

圖3　讀值后的P-t曲線

不足之處是通過對采集到的數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)測試系統(tǒng)的噪聲較大，并且無法非常準確的對每一部分噪聲的具體數(shù)值進行定量分析，只能進行粗略的計算，對檢測系統(tǒng)的分析還有待進一步深入。

參考文獻

[1]張文棟.存儲測試系統(tǒng)的設(shè)計理論及其應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]李新娥,祖靜,馬鐵華等.用于火炮膛內(nèi)壓力測試的電容式傳感器的設(shè)計[J].儀器儀表學報,2011,32(3): 640-645.

[3]王海明,裴東興,張瑜等.微小型放入式電子測壓器的研究[J].電子設(shè)計工程,2009,17(12):29-31.

[4]葉娟.微型殼體電容式電子測壓器的研究[D].中北大學,2012.

[5]邵學濤.基于電容傳感原理的電子測壓器的研究[D].中北大學,2011.

劉磊（1990—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，研究方向：動態(tài)測試與智能儀器。

作者簡介：