施宇成, 孔德仁, 徐春冬, 余益欣, 張學輝

(1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094; 2.長春理工大學 光電工程學院，吉林 長春 130022)

沖擊波壓力可對人員、飛機、艦艇、裝甲車等各種軍事目標以及民用建筑產生破壞，沖擊波作用范圍、破壞能力是衡量戰(zhàn)斗部毀傷效應的一項重要的戰(zhàn)技指標[1]，是各類武器彈藥重要的考核指標及測試內容。爆炸場沖擊波表征形式具體可分為地面反射壓、自由場壓力、壁壓反射壓、動壓、總壓等。地面反射壓即是沖擊波作用于地表后產生的反射壓力，可通過安裝平行于地面的反射壓傳感器進行測試；與地面反射壓一致，壁面反射壓是沖擊波作用于壁面的反射壓力；自由場壓力指的是未受外界干擾的流場壓力，等效于靜壓或入射壓[2]；動壓為沖擊波高速運動的氣流在其運動方向上產生的沖擊壓強[3-5]；總壓為氣體等熵滯止為零時的壓力[4]。

爆炸場沖擊波壓力時程是一個瞬態(tài)變化的過程，根據(jù)壓力信號的能量譜分析，信號的有效頻率為0～40 kHz[6]。工程上要求測試系統(tǒng)的固有頻率需達到信號有效頻帶的3～5倍以上。對此，用于準確測量壓力的傳感器必須具有寬頻帶、高頻率響應、高信噪比、強機械強度、準確穩(wěn)定的靈敏度、合適的量程、良好的密封性以及環(huán)境適應性[7]，可以說傳感器技術水平直接決定了爆炸場沖擊波壓力測量的精度。常用沖擊波壓力傳感器可分為壓阻式和壓電式壓力傳感器[7]，壓阻式沖擊波壓力傳感器低頻特性佳，但其受溫度、光照等外界因素影響大，一般不用在有強火光、強溫度變化和強電離場的毀傷工況下。壓電式沖擊波壓力傳感器雖零、低頻特性不如壓阻式，但其動態(tài)特性好，受外界影響較小[7-14]，因此在爆炸場沖擊波壓力測試試驗中多以壓電式壓力傳感器構建壓力測試系統(tǒng)，本文也多以壓電式傳感器為主分析傳感器及校準技術現(xiàn)狀。

在爆炸場中進行沖擊波壓力測試時，沖擊波往往伴隨著瞬態(tài)高溫、機械沖擊、地震波等寄生效應共同作用在傳感器上，使傳感器測得信號畸變，嚴重時將導致測量結果失真，實際測試前需對傳感器添加一定的隔熱隔振措施以抑制傳感器寄生響應。添加抑制措施的傳感器組件相對于出廠前傳感器，其等效剛度、等效質量發(fā)生改變，導致工作特性參數(shù)及壓力傳遞特性無法沿用廠家給定參數(shù)。且傳感器的長時間使用、老化也會影響傳感器特性。因此，為確保測試數(shù)據(jù)的準確性，需對沖擊波壓力傳感器及其測量系統(tǒng)進行校準，以獲取其靈敏度、線性度、重復性等工作特性參數(shù)以及傳遞特性，提高沖擊波壓力測量精度。

本文綜述了國內外沖擊波壓力傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了傳感器技術的突破方向，總結了傳感器的校準方法，分析了目前壓力校準技術的不足，旨在對國內外傳感器技術、校準技術進行歸納總結和展望，提高沖擊波壓力測量技術水平。

1 沖擊波壓力測量方法發(fā)展現(xiàn)狀

沖擊波壓力測試方法從系統(tǒng)構成上可分為引線測試法和無線存儲測試法。

引線測試法是通過長同軸電纜將測試現(xiàn)場的傳感器信號傳輸給掩體內的調理器，經放大調理后由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集和保存，并由同步觸發(fā)器保證多物理通道的零時一致性，系統(tǒng)組成如圖1所示。引線測試法是常規(guī)的沖擊波壓力測試方法，已有諸多學者通過該方法測得了TNT、云爆藥、溫壓藥等戰(zhàn)斗部的特性參數(shù)并進行了威力評估[15-16]。引線測試法的主要問題在于長電纜傳輸信號時產生電纜效應，引入寄生電容、電阻及電感，導致信號傳輸過程中發(fā)生衰減、時移等現(xiàn)象，且長電纜的防護需要大量的人力物力。李肖姝等[17]具體分析了不同線纜長度和驅動電流對ICP(IEPE)型傳感器采集壓力信號的影響。此外，引線測試法的特點決定了其存在系統(tǒng)組成復雜、現(xiàn)場布設工程量繁重、抗電磁干擾能力弱的問題，研究人員仍需進一步針對以上問題展開研究。

圖1 引線測試系統(tǒng)組成

無線存儲測試法是將引線電測中除傳感器以外的調理器、數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)、觸發(fā)、電源等系統(tǒng)組成部分微型化集成為一體。該一體機與傳感器通過短線連接，一同放置在被測現(xiàn)場內，系統(tǒng)組成如圖2所示，試驗時數(shù)據(jù)記錄于一體機內的存儲器中。為能實時修改存儲測試系統(tǒng)內的采樣參數(shù)，且避免快速多發(fā)試驗或極端惡劣條件下裝置無法回收的情況，存儲測試裝置常用組網(wǎng)的方式向終端交互數(shù)據(jù)。存儲測試法作為新興的測試方法一直處于不斷突破的過程中。翟永等[18]通過WiFi組網(wǎng)技術拓展了存儲測速裝置的遠程控制、反饋與數(shù)據(jù)讀取功能；楊磊等[19]結合北斗授時技術和無線通信技術解決了多個存儲裝置的時基統(tǒng)一問題；軒春青等[20]就存儲測試誤觸發(fā)導致測試失敗的問題展開研究，提出多次觸發(fā)連續(xù)存儲的方法?？偟膩碚f，存儲測試法克服了電纜效應帶來的信號的衰減失真問題，其二次儀表的一體化也簡化了現(xiàn)場布設工作。存儲測試法的缺點在于：① 為了保護處于現(xiàn)場的一體機，常將一體機放在防護盒內埋入地底，這導致設備在充電、調試、維修、數(shù)據(jù)讀出時較麻煩;② 數(shù)據(jù)存儲容量有限，以東華測試公司的產品為例，存儲器容量為64 GB，由于大當量的爆炸試驗從撤場到起爆常會間隔大量時間，存儲測試法對于高采樣率(如1 MHz)或多發(fā)快速采集試驗適用性不強;③ 無線通信需要使用天線傳輸數(shù)據(jù)，但天線在惡劣現(xiàn)場的存活率堪憂；④ 信號的同步觸發(fā)和采集仍存在問題。對此，無線存儲測試法在沖擊波壓力測量方面仍有大量值得研究的難點。

圖2 無線存儲測試系統(tǒng)組成

此外，沖擊波壓力測量方法還涉及到測點布設問題、傳感器安裝問題及壓力測量不確定度評定問題。在近地面爆炸中，為保證測得壓力不受到地面反射波干擾，自由場傳感器應位于三波點以上[21-24]，地面反射壓傳感器最宜布設在馬赫反射區(qū)內，對此應開展三波點軌跡預測的研究。傳感器安裝問題在本質上屬于壓力流場的流固耦合問題，是目前的一大研究點，針對地面反射壓傳感器，其需與大面積的剛性安裝座配合測量，以減少地質條件及地形地貌對測試結果的影響，傳感器敏感面相對于安裝平面的高度以及安裝平板的水平度均會影響沖擊波壓力反射特性；同理，自由場壓力傳感器的俯仰角及偏轉角也會影響測得壓力[25]。為保證測量值的可信度，定量評定沖擊波壓力測量不確定度是不可或缺的環(huán)節(jié)。

2 沖擊波壓力傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 沖擊波壓力傳感器現(xiàn)狀

二次世界大戰(zhàn)期間及以后，國外出于軍事上的目的對空中爆炸過程進行了系統(tǒng)的研究，相應地研制并發(fā)展了各種用于爆炸沖擊波壓力測量的傳感器和測量儀器。國外著名的壓電式高頻動態(tài)壓力傳感器生產廠家有美國的PCB公司、ENDEVCO公司，丹麥的B&K公司和瑞士的KISTLER公司等。從系列化角度而言，PCB公司產品的系列化最完善；ENDEVCO公司更注重研制適用于惡劣環(huán)境的敏感元件，其產品的系列化在逐步進行；KISTLER公司自1957年開始開發(fā)并生產測量壓力的壓電式石英傳感器，該公司的傳感器具有自振頻率高、上升時間短、溫度范圍較大的優(yōu)點[26]。

我國建國以來特別是20世紀60年代以后，國內有關單位分別開展了對爆炸沖擊波各方面的研究工作，并取得了一定成果。然而大部分都是針對測試方法、數(shù)據(jù)處理、傳感器校準方法進行的研究，對于沖擊波壓力傳感器的研制盡管取得了一定成果，但精度環(huán)境適應性等仍然無法滿足實際工程應用。目前國內爆炸場沖擊波壓力測試傳感器大量依靠進口。

國內沖擊波壓力傳感器生產廠家以江蘇聯(lián)能和揚州科動為主。江蘇聯(lián)能電子技術有限公司自20世紀70年代研發(fā)出國產壓電加速度傳感器以來，陸續(xù)開發(fā)了高溫加速度傳感器、沖擊波壓力傳感器、自由場壓力傳感器等200多種產品；揚州科動將壓力傳感器從單一品種發(fā)展到具有PE型、IEPE型，具有高頻響(最高諧振頻率≥400 kHz)、多種靈敏度的優(yōu)點，產品已由通用型擴展到空氣自由場、水下自由場、土壓紐扣型等多個型號。

2.1.1 反射壓傳感器及自由場壓力傳感器

反射壓傳感器及自由場壓力傳感器是常規(guī)沖擊波超壓測試用傳感器，多為壓電式壓力傳感器，其工作原理為：當沿一定方向對壓電材料施加作用力時，壓電材料表面會產生正比于作用力的電荷(該現(xiàn)象稱為正向壓電效應，比例為壓電常數(shù))，通過電荷放大器或是電壓放大器轉換為對應電壓，從而推算出傳感器感受到的真實壓力。壓電式沖擊波壓力傳感器常用壓電材料為石英晶體，主要原因是石英晶體加工工藝相對成熟，在20～200 ℃的范圍內壓電常數(shù)的變化量只有-0.0001 ℃，且石英晶體自振頻率高、動態(tài)響應好、機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復性好、線性范圍寬，因此在爆炸場惡劣環(huán)境下適應性強。

壓電式沖擊波壓力傳感器大多采用膜片式設計，即壓力作用在膜片上，通過傳力塊作用于壓電材料。根據(jù)傳感器內部是否內置電荷放大器，壓電傳感器又分為IEPE型(電壓輸出型)和PE型(電荷輸出型)。由于IEPE型傳感器具有低阻輸出、電荷放大器內置、靈敏度不受線纜長度影響且信噪比優(yōu)異的特點，使其幾乎適用于所有動態(tài)壓力應用領域，現(xiàn)已成功運用在高頻響沖擊波、彈道壓力等實驗上，具有很高的頻率響應。IEPE型傳感器首創(chuàng)于美國PCB公司，又被稱為ICP型傳感器。

常見的反射壓傳感器的外形和內部結構如圖3所示。其主要結構包括殼體、感壓膜片、傳力塊、壓電晶體堆、導電片、預加載裝置、加速度補償質量塊和輸出極性與晶體堆相反的加速度補償晶體。在設計加速度補償時，應注意：① 盡量減小敏感元件、傳力塊等的質量，以減少傳感器對加速度的敏感性；② 在測壓石英晶體后安裝一附加質量塊和一組輸出極性相反的補償石英片；③ 安裝加速度補償結構的傳感器的輸出靈敏度會低于未安裝加速度補償結構的傳感器[27]。

行業(yè)內常見的自由場壓力傳感器的外形及其結構仿真如圖4所示。由于自由場傳感器外形尺寸較大，為確保傳感器外形結構對自由場壓力流場的影響處于工程允許范圍內，自由場壓力傳感器外型結構一般呈筆形或流線型，以減少尺寸結構對壓力流場的影響。2015年南京理工大學的童曉[6]比較了楔形結構和筆形結構的自由場壓力傳感器，分析了不同外形結構對壓力流場的影響。

圖3 常見反射壓傳感器外形和內部結構

圖4 常見自由場壓力傳感器外形及其結構仿真

通過表1和表2中國內外主要流通的超壓傳感器的參數(shù)對比來反映國內外超壓傳感器存在的差距。

表1 國外主要超壓傳感器參數(shù)

表2 國內超壓傳感器參數(shù)

其中，PCB113B系列的低頻響應可低至0.005 Hz(- 5%)，加速度敏感度≤0.002 psi/g，溫度系數(shù)(溫漂)靈敏度≤0.054%/℃，最大振動2000 gpk；最大沖擊20000 gpk，表示傳感器有專業(yè)的溫度補償和加速度補償；Kistler601CBA系列的低頻響應可低至0.161 Hz(-5 %)，加速度敏感度≤0.0290 psi/g，溫度系數(shù)(溫漂)靈敏度0.008%/℃；Kistler6233A系列加速度敏感度≤0.03 psi/g，溫度系數(shù)(溫漂)靈敏度0.02%/℃，耐沖擊2000g。

經過國內外超壓傳感器的比較發(fā)現(xiàn)，國內傳感器的主要問題在于：① 絕緣阻抗低，較國外同類產品差幾個量級，且穩(wěn)定性差；② 慣性補償(溫度補償)部分不夠完善或補償能力受限；③ 膜片預緊力無設計規(guī)則或不可控，導致負壓測量存在問題。這主要是由于國內壓電傳感器的材料、工藝、結構設計、參數(shù)控制方面同國外存在顯著差距。

2.1.2 動壓傳感器

由于在過去的常規(guī)化爆試驗時，由于戰(zhàn)斗部的等效當量不大，沖擊波動壓因強度過低以至于可忽略不計。而隨著新型高能戰(zhàn)斗部的不斷研發(fā)，動壓測試成為不可忽視的問題，其傳感器技術也在近幾年內有所發(fā)展。

傳統(tǒng)的動壓測量采用的是“皮托管”，又稱作“空速管”，可以更簡便地測量氣流中的平均速度。盡管皮托管的工作目的不是測量動壓，但是皮托管能通過測氣流總壓和氣流靜壓進而求出氣流動壓，這種方法即所謂的總壓靜壓法。Schneider等[28]曾使用微型快速反應四孔“眼鏡蛇”皮托管探頭測量射流，他們發(fā)現(xiàn)在超音速氣流中使用皮托管時，沖擊波的結構明顯地會因皮托管的幾何尺寸而改變。Masud等[29]提出了一種調整處于亞音速的皮托管空氣動力學特性的補償方法，在文獻[29]中CFD技術被用于皮托管的分析和重新設計。然而在超聲速流中，皮托管頭部會產生脫體激波，無法準確測量來流動壓，且存在的管腔效應將嚴重限制其動態(tài)特性，不適用于爆炸場動壓的實際測量。

我國也有皮托管系統(tǒng)測量爆炸場動壓的實例。彭常賢[30]曾采用動壓探頭方法來測量核爆炸場風動壓，但由于核爆試驗與常規(guī)化爆試驗的測試環(huán)境與條件不同，產生的動壓的幅值與頻率成分不同，且動壓探頭采用的是變磁阻傳感器，易受爆炸近場的毀傷工況影響，能否應用于化爆試驗存疑。實際的常規(guī)化爆的爆炸場動壓測量系統(tǒng)在近幾年才開始建立。2015年南京理工大學季旭穎[4]基于皮托管的測壓原理，設計了筆形的復合式風動壓傳感器，并在某型彈試驗現(xiàn)場進行了動壓測量，測量結果與理論較為一致，但仍需考慮總壓與靜壓孔因爆心距不同導致存在相位差的問題。在動壓傳感器技術領域，我國仍處于發(fā)展開拓階段，并存在比較明顯的空白期。

2.1.3 總壓傳感器

總壓測量常與壁面反射壓測量混淆，事實上，總壓測的是空氣微團速度滯止為0、動壓全部轉化為靜壓時的總壓力，即全壓。從實際的沖擊波壓力毀傷能力評估角度來說，總壓值更符合綜合反映沖擊波毀傷能力的要求。

爆炸場測量總壓的傳感器實際上還是反射壓傳感器，只是量程相對于地面反射壓傳感器更大，且敏感元件外還需配備特殊的安裝外殼。該外殼需滿足：① 具有足夠長的引壓導管；② 管口無毛刺，管壁光潔；③ 管口應有適當?shù)牡菇腔蛞餮b置，使得總壓測量具有一定的方向不敏感性。

爆炸場沖擊波總壓測量的研究文獻資料較少，相對于超壓而言未受到足夠的重視，這對于研究戰(zhàn)斗部對目標物毀傷能力評估方法以及總壓測量技術發(fā)展是十分不利的。

2.2 沖擊波壓力傳感器發(fā)展方向

目前沖擊波壓力傳感器的主要研究方向可以分為：① 傳感器對于爆炸場環(huán)境的適應性問題及相應的干擾抑制措施；② 傳感器安裝與外流場耦合問題；③ 新原理、新方法的沖擊波壓力測量方法傳感器研制。

2.2.1 傳感器對于爆炸場環(huán)境的適應性問題及相應的干擾抑制措施

爆炸場沖擊波壓力測試屬于毀傷工況下的極端環(huán)境測試，在測量過程中，伴有高沖擊、強振動、強熱作用等寄生效應[31-32]。李國強[33]對爆炸沖擊波測試的干擾問題進行了研究，介紹了干擾信號對測試數(shù)據(jù)的影響，并給出了消除干擾后測量到的沖擊波壓力曲線。邱艷宇等[34]對壓電傳感器在爆炸場內受瞬變溫度的影響進行了分析和對比試驗，發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)的熱輻射對傳感器的輸出響應影響特別大，通過敏感面前端添加隔熱材料能有效減小熱寄生響應。李燕杰等[35]從裝置受力與壓力傳感器性能兩方面分析了在沖擊載荷作用下振動噪聲產生的原因，并提出了使用隔振器和小波分析濾波兩種消減振動噪聲的方法。李永超[36]分別對沖擊波壓力測量用壓電傳感器和存儲測試裝置進行了實驗研究，獲得了熱沖擊及沖擊載荷下的響應。李琛等[37]通過設計傳感器安裝結構來消除外界振動作用于傳感器的寄生輸出。魏巍等[38]在激波管中同時加載沖擊波壓力與瞬態(tài)高沖擊，研究沖擊寄生響應脈寬與結構固有頻率的關系，提出設計剛度不同的安裝結構以降低高沖擊寄生輸出；Wang等[27]總結了反射壓傳感器內的加速度補償方式并仿真分析了補償結構的參數(shù)設計。

傳感器的加速度補償和溫度補償一直是傳感器研制工作中的重點，也是目前國內與國外傳感器的差距所在。研究方向上，除了研究寄生機理，添加外部的一些補償措施外，可考慮從傳感器內部結構改善傳感器的溫度靈敏度和加速度靈敏度。

2.2.2 傳感器工藝參數(shù)控制

傳感器工藝參數(shù)控制主要包括傳感器敏感晶片加工、元件尺寸參數(shù)設計、元件表面處理以及預緊力控制。這些工藝決定了傳感器自身的絕緣阻抗、靈敏度、量程、工作帶寬、固有頻率等重要特性，如若得不到控制，將導致傳感器的性能不可控，嚴重影響壓力測量的準確性。目前在傳感器工藝參數(shù)控制方向的研究成果極少，需進行更深入的研究。

2.2.3 新原理、新方法下的沖擊波壓力傳感器

除了壓阻式、壓電式外的沖擊波壓力傳感器，可探討研究更適宜高溫、高壓、強電磁干擾環(huán)境下的沖擊波壓力傳感器研制的可行性與適用性。

光纖傳感器是20世紀70年代起高速發(fā)展的新型傳感器，受外界環(huán)境干擾影響小，非常適合爆炸場的極端惡劣條件。光纖F-P腔式壓力傳感器是近年來研究的熱點之一[39]，其測量原理是壓力作用膜片導致變形，使得光纖F-P腔的腔長發(fā)生改變。光纖F-P腔是由入射光纖和反射光纖兩個平行端面組成的空氣腔，兩端面反射光束形成干涉，返回光強呈余弦變化，近似為

I=kI0(1+Vcosφ)

(1)

式中:I為返回光強；k為F-P腔平均反射率；I0為輸入光強；V為F-P腔干涉可見度；φ為F-P腔的相位。由式(1)可知，相位正比于腔長，對此，通過解調技術解調相位變化，可反算腔長變化，進而獲得壓力變化。MacPherson等[40-42]研制了用于檢測空爆突變壓力的高頻響光纖F-P腔式壓力傳感器，并與傳統(tǒng)壓力傳感器進行對比，得出光纖F-P腔式壓力傳感器優(yōu)于傳統(tǒng)沖擊波壓力傳感器的結論。國內總參工程兵科研三所周會娟[43]、陳顯[44]等研制了光纖法布里-珀羅 (F-P) 腔式壓力傳感器，采用三波長解調法[45]解調相位。光纖F-P壓力傳感器已經通過常規(guī)化爆試驗以及水下沖擊波壓力測量試驗[43-44,46-47]，取得了較好的測量結果，有一定的應用前景。

此外，其他的沖擊波壓力傳感器，如北京理工大學李旭等[48]利用光子多普勒測速測量技術(PDV)設計了爆炸近場壓力測試的飛片式PDV壓力傳感器，從理論上確定了沖擊波壓力與飛片運動速度的關系，有待進一步進行數(shù)值仿真和試驗驗證。

3 沖擊波壓力傳感器校準方法發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)校準時采用的壓力激勵源的頻率特性，沖擊波壓力傳感器的校準方法可歸結為靜態(tài)校準、動態(tài)校準和準靜態(tài)校準。

3.1 靜態(tài)校準方法

靜態(tài)校準主要用于零低頻特性良好的壓力傳感器校準，用以獲得靜態(tài)靈敏度、線性度、重復性、遲滯性等靜態(tài)特性指標。少數(shù)靜態(tài)特性極其優(yōu)良的標準級壓電式傳感器(非IEPE型)在加載時間較短的前提下也可適用此校準方法。根據(jù)JJG 860—94，靜態(tài)校準的壓力標準器可選用標準活塞式壓力計、杠桿式測力計、標準浮球式壓力計和數(shù)字式壓力計等。在壓力計量和量值傳遞中,活塞式壓力計由于測量范圍寬、量值準確可靠 (最高可達0.002%)、穩(wěn)定性好 (合理保養(yǎng)可以使用30年以上)和溯源方便等特點，被廣泛應用于各計量院以及高校,并在壓力計量技術中占有很重要的地位[49]。作為國家計量標準裝置，關于活塞式壓力計的技術發(fā)展至今已十分成熟，近幾年對活塞式壓力計的研究主要集中于誤差分析以及不確定度評定方向[49-51]。

靜態(tài)校準的局限性在于不適用于低頻特性較差的沖擊波壓力傳感器，如壓電式壓力傳感器,且校準時傳感器加載時間長，影響傳感器使用壽命。

3.2 動態(tài)校準方法

沖擊波壓力傳感器的動態(tài)校準方法按激勵源可分為周期信號校準法與非周期信號校準法，其中最具代表性的為正弦壓力校準法和激波管校準法。

典型的正弦壓力校準法是利用正弦壓力發(fā)生器完成被校傳感器系統(tǒng)與標準傳感器系統(tǒng)的比對式校準法，其校準的是單一頻率點(輸入的正弦壓力的頻率)下的動態(tài)靈敏度。為獲得傳感器系統(tǒng)的幅頻特性，需要借助掃頻技術。由文獻[52]和文獻[53]可知，正弦壓力發(fā)生器的技術指標為：頻率范圍0.001 Hz～10 kHz；最高峰值壓力為10 MPa。邰寒松[53]就正弦壓力發(fā)生器的掃頻速率引入的測量誤差進行分析，初步給出了掃頻速率上限。鞏歲平[54]、倪立斌[55]等分別利用正弦壓力發(fā)生器對不同安裝方式和不同引壓管腔下的傳感器進行系統(tǒng)動態(tài)特性校準。

正弦壓力校準法的主要問題在于：① 校準幅頻特性的步驟煩瑣，需要通過掃頻的方法獲得多個頻率點下的動態(tài)靈敏度并進行擬合;② 頻率上限不高，無法激發(fā)出沖擊波壓力傳感器，尤其是壓電式壓力傳感器的固有頻率;③ 壓力上限不高，目前市面上用于測近場壓力和總壓的反射壓傳感器量程可達69 MPa，超過正弦壓力發(fā)生器10 MPa。

激波管校準是目前最常用的非周期信號校準方法，于1942年被用作壓電傳感器的標定方法。激波管能產生非常接近階躍信號的“標準”壓力，平臺持續(xù)時間為5～10 ms，壓力幅度范圍寬，頻率范圍廣(1 kHz～2.5 MHz)。激波管可獲得可靠的傳感器系統(tǒng)的上升時間、固有頻率、動態(tài)靈敏度等動態(tài)特性指標，其壓力溯源是測量激波速度，由蘭基涅-胡果尼方程計算壓力幅值[56-57]。此外，南京理工大學楊凡等[58]通過理想階躍分解法、低階模型分解法和微分法獲得沖擊波壓力測量系統(tǒng)中高頻段傳遞特性非參數(shù)模型。

激波管校準法的主要問題在于激波管的平臺時間短，激勵源信號下限頻率在1 kHz以上，導致1 kHz以下的校準結果不可信。

3.3 準靜態(tài)校準方法

所謂壓力準靜態(tài)校準其實是用半正弦型的壓力脈沖對壓力測量系統(tǒng)進行動態(tài)校準，然而壓力脈沖的寬度必須足夠寬，以保證其頻譜的有效帶寬完全處于被校準系統(tǒng)幅頻特性的平直段內，這樣校準的結果與靜態(tài)校準是相當?shù)模苑Q為準靜態(tài)校準[59-60]。準靜態(tài)校準的提出是為了解決壓電式壓力傳感器由于“電荷泄露”的現(xiàn)象產生的零、低頻特性不佳導致靜態(tài)校準結果不可信的問題。當然，其他類型的壓力傳感器也可以通過準靜態(tài)校準獲取其特性指標。

國內基于落錘法的準靜態(tài)校準方法研究開始于2001年，主要由南京理工大學提出。近20年來，準靜態(tài)校準在壓電式壓力傳感器校準領域的地位逐步攀升，期間一些研究人員就準靜態(tài)校準的裝置研發(fā)、系統(tǒng)搭建、狀態(tài)模型構建、量值溯源、絕對式/比對式校準方法、工作特性參數(shù)求取方法、不確定度評定等方面展開了相關研究，衍生出落錘壓力發(fā)生器、擺錘壓力發(fā)生器等多套成熟設備，并成功應用于沖擊波壓力傳感器系統(tǒng)的實驗室校準和現(xiàn)場校準[61-68]。準靜態(tài)校準的壓力范圍極寬，可達1000 MPa以上，頻率范圍可覆蓋0～1 kHz。

準靜態(tài)校準也存在諸多不足，以落錘系統(tǒng)為例，由于半正弦峰值壓力受重錘落高、活塞桿面積、傳壓介質狀態(tài)和缸內初始容積等多因素影響，壓力復現(xiàn)性能力不高，難以使峰值壓力達到確定的值，且小壓力校準時壓力控制較困難。此外，受限于半正弦壓力激勵信號脈寬范圍，可校準頻率上限不高。

3.4 聯(lián)合校準方法

對于沖擊波壓力傳感器，目前國內外普遍采用力錘敲擊造壓油缸活塞桿的方式校準，造壓油缸裝置如圖5所示，屬于準靜態(tài)校準方法。但沖擊波壓力信號頻帶極寬，準靜態(tài)校準僅反映傳感系統(tǒng)在0～1 kHz下的零低頻工作特性，無法獲取傳感系統(tǒng)的高頻特性指標。對此，聯(lián)合校準方法被提出。

圖5 造壓油缸裝置

聯(lián)合校準方法是指結合兩個或兩個以上校準方法對同一測量系統(tǒng)進行校準，將校準獲得的低頻段幅頻特性與高頻段幅頻特性結合，實現(xiàn)全頻段校準[63]。常見沖擊波壓力傳感系統(tǒng)的聯(lián)合校準方法是基于落/擺錘進行準靜態(tài)校準，獲取系統(tǒng)在0～1 kHz低頻段的傳遞特性以及靈敏度、非線性度、重復性等工作特性指標；基于激波管進行動態(tài)校準，獲取系統(tǒng)的中高頻傳遞特性及動態(tài)特性指標。已知當系統(tǒng)的幅頻特性曲線在沖擊波壓力有效頻帶范圍內平直時，系統(tǒng)的準靜態(tài)靈敏度等效于全頻段的靈敏度，對此有必要系統(tǒng)地辨識中高頻傳遞函數(shù)，并在此基礎上動態(tài)補償，確保幅頻特性平直段滿足需求。聯(lián)合校準可實現(xiàn)沖擊波壓力測量系統(tǒng)的工程無失真測量，提高沖擊波壓力測量精度。沖擊波壓力測量系統(tǒng)的聯(lián)合校準流程如圖6所示。

4 結束語

通過以上分析，可以看出：

① 引線電測法和無線存儲測試法各有優(yōu)劣，應根據(jù)現(xiàn)場實測指標要求構建合適的沖擊波壓力測量系統(tǒng)。為統(tǒng)一沖擊波壓力測量行為規(guī)范，提高沖擊波壓力測量精度，需開展測點布設、傳感器安裝和沖擊波壓力測量不確定度評定的相關研究，并形成通用的行內標準，建立沖擊波壓力的不確定度評定模型。

圖6 沖擊波壓力測量系統(tǒng)聯(lián)合校準流程圖

② 沖擊波壓力傳感器是戰(zhàn)斗部爆炸毀傷能力評估測試系統(tǒng)的重要組成部分。目前國內爆炸場沖擊波壓力測試傳感器仍大量依靠進口。與國外頂尖的壓力傳感器廠家相比，我國超壓傳感器存在寄生響應嚴重、工藝技術水平低、可控性可靠性較差的問題。在性能、穩(wěn)定性、適應性等方面，我國生產的超壓傳感器與國際先進水平仍存在差距。動壓、總壓的測量不夠得到重視，導致相應的傳感器技術也進展緩慢，仍需長時間的技術積累與試驗支撐。針對以上問題，需在干擾抑制措施研究，傳感器工藝參數(shù)控制，新原理、新方法的沖擊波壓力測量方法傳感器研制方面進一步深入研究。

③ 沖擊波壓力傳感器系統(tǒng)校準方法分為靜態(tài)校準、動態(tài)校準以及準靜態(tài)校準，其中動態(tài)校準以正弦壓力校準法和激波管校準法為主。各校準方法校準的頻率范圍、壓力范圍、適用對象不同，存在或多或少的不足，需進一步改進。沖擊波壓力傳感器的校準可通過多校準方法聯(lián)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補及全頻域段校準，形成具有普適性的、科學合理的沖擊波壓力傳感器校準方法。