一種可用于測(cè)量水中爆炸壓力的傳感器設(shè)計(jì)

引 言

　　為了測(cè)量炸藥在水中的爆炸壓力，因測(cè)量介質(zhì)與常規(guī)測(cè)量的不同，測(cè)量環(huán)境比較惡劣，所以，對(duì)傳感器
傳感器

　　凡是利用一定的物性（物理、化學(xué)、生物）法則、定理、定律、效應(yīng)等把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。 [全文]

就要有一些特殊的要求：首先，傳感器要有較高的頻率響應(yīng)，水下爆炸的壓力是一個(gè)高速變化的過程；其次傳感器要有較強(qiáng)的抗干擾能力，以便減小測(cè)量誤差，提高測(cè)試精度；再者，傳感器要有足夠的強(qiáng)度、良好的密封性能和較強(qiáng)的防腐蝕能力。因此，以電氣石為敏感元件的傳感器則被應(yīng)用于水中爆炸壓力的測(cè)量。由于在水中爆炸壓力的測(cè)量中，傳感器的基本性能指標(biāo)為：測(cè)量范圍上限為250MPa；測(cè)量精度≤2％FS；上升前沿≤2.5μs。根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，確定了用于水中爆炸壓力測(cè)量傳感器的結(jié)構(gòu)，同時(shí)，克服了選材和工藝方面的技術(shù)難題。

　　1 傳感器的選材及其結(jié)構(gòu)

　　1.1 敏感元件材料的選擇

　　敏感元件是傳感器的關(guān)鍵元件，因?yàn)樗鼪Q定著傳感器的原理和特性。因此，是傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的問題。根據(jù)測(cè)試對(duì)象，對(duì)炸藥在水中爆炸產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測(cè)量，故采用壓電式壓力傳感器
壓力傳感器

　　 壓力傳感器是 將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感器，通常把壓力測(cè)量?jī)x表中的電測(cè)式儀表。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應(yīng)變計(jì)）組成。彈性敏感元件的作用是使被測(cè)壓力作用于某個(gè)面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。有時(shí)把這兩種元件的功能集于一體。壓力傳感器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。 [全文]

。所以，敏感元件選用壓電晶體，壓電晶體種類較多，如，石英、電氣石、鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇等，根據(jù)幾種常用的壓電晶體性能，由于電氣石晶體具有體壓電效應(yīng)的特點(diǎn)，而且，國(guó)內(nèi)外在對(duì)炸藥在水中爆炸產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測(cè)試時(shí)，均采用電氣石晶體作為壓電式壓力傳感器是能夠感測(cè)各種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)力的大小并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，是力學(xué)測(cè)量的重要器件。

的敏感元件，所以，敏感元件材料選擇電氣石晶體。

　　1.2 傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

　　水中爆炸壓力傳感器
壓力傳感器

　　 壓力傳感器是 將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感器，通常把壓力測(cè)量?jī)x表中的電測(cè)式儀表。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應(yīng)變計(jì)）組成。彈性敏感元件的作用是使被測(cè)壓力作用于某個(gè)面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。有時(shí)把這兩種元件的功能集于一體。壓力傳感器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。

結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　該傳感器以具有壓電效應(yīng)的電氣石為敏感元件，內(nèi)部填充硅油，采用高絕緣密封膠
密封膠

　　密封膠(Adhesive Sealant) 用于靜止接合面間的密封。在涂敷前是具有流動(dòng)性的液狀粘稠物，易于填滿兩個(gè)接合面之間的縫隙，起較好的密封作用。包括液態(tài)密封膠、厭氧性密封膠、硅酮密封膠等。 [全文]

進(jìn)行密封。工作時(shí)，將傳感器放入水下離爆炸源一定的距離，當(dāng)炸藥爆炸后產(chǎn)生的壓力通過水，以沖擊波的形式向各個(gè)方向傳播，電氣石晶體將感受到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

　　2 傳感器的性能檢測(cè)

　　2.1 傳感器的靜態(tài)標(biāo)定

　?。?）標(biāo)定設(shè)備：傳感器的校準(zhǔn)設(shè)備為JS-2500（250MPa）活塞壓力計(jì)；準(zhǔn)確度等級(jí)為0.02。

　?。?）標(biāo)定方法：采用加載法，每個(gè)傳感器預(yù)壓3遍后開始校準(zhǔn)，校準(zhǔn)3次取平均值，按最小二乘直線法計(jì)算得出傳感器的靜態(tài)靈敏度、非線性靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果見表1。

　　由表1標(biāo)定的結(jié)果得出：MCRI傳感器的非性為1.36％。靈敏度為26.12pC/MPa。

　　2.2 動(dòng)態(tài)標(biāo)定

　　（1）標(biāo)定設(shè)備：美國(guó)PCB公司913B02型水動(dòng)力脈沖標(biāo)定裝置（含內(nèi)裝電荷放大器的136A型標(biāo)準(zhǔn)傳感器）。

　?。?）標(biāo)定方法：采用比較校準(zhǔn)落球標(biāo)定法，將傳感器按照靜態(tài)靈敏度配置模塊式電荷放大器
電荷放大器

　　在使用壓電晶體傳感器的測(cè)試系統(tǒng)中，電荷放大器是一種必不可少的信號(hào)適調(diào)器。它能夠?qū)鞲衅鬏敵龅奈⑷蹼姾尚盘?hào)轉(zhuǎn)化為放大的電壓信號(hào)，同時(shí)又能夠?qū)鞲衅鞯母咦杩馆敵鲛D(zhuǎn)換成低阻抗輸出。 [全文]

，然后，與標(biāo)準(zhǔn)傳感器同時(shí)安裝在標(biāo)定接頭上，將鋼球從不同的高度自由下落，撞擊高壓液壓裝置中的活塞，產(chǎn)生的半正弦波壓力（也是一種脈沖壓力）經(jīng)過液壓油傳遞給傳感器，以參考傳感器為基準(zhǔn)。將被校傳感器的曲線與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的曲線進(jìn)行幅值和波形一致性的校準(zhǔn)，求得傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)非線和靈敏度。傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定結(jié)果見表2。

　　由表2的結(jié)果可以得出：傳感器的非線性為0.17％；平均靈敏度為123.76mV/MPa。

　　由靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)定得到的傳感器的非線性值不一樣，這是因?yàn)楫?dāng)傳感器的絕緣電阻
電阻

　　電阻，物質(zhì)對(duì)電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱為電導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱為電絕緣體，簡(jiǎn)稱絕緣體。 不是很高時(shí)，在靜態(tài)標(biāo)定中，由于加載時(shí)間較長(zhǎng)，傳感器會(huì)產(chǎn)生一定的零漂，從而影響傳感器的線性指標(biāo)；另外，動(dòng)態(tài)標(biāo)定使用的設(shè)備，由于密封的問題，標(biāo)定只能到達(dá)29MPa的壓力，遠(yuǎn)低于量程上限，所以，動(dòng)態(tài)標(biāo)定的非線性比靜態(tài)標(biāo)定的非線性指標(biāo)高。

　　3 水池試驗(yàn)

　　（1）試驗(yàn)條件：水池直徑為85m，深度為15m；爆炸源為RS211，重量為1.01kg；傳感器安裝深度為5m，離爆炸源水平距離為3m。

　　（2）試驗(yàn)方法：試驗(yàn)時(shí)，將研制的傳感器及測(cè)試系統(tǒng)與美國(guó)PCB公司的138型激波傳感器和專用的信號(hào)采集裝置同時(shí)進(jìn)行測(cè)量對(duì)比。試驗(yàn)波形曲線如圖2所示。傳感器的爆炸沖擊波能及氣泡能測(cè)試測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

　　從傳感器的沖擊波能及氣泡能測(cè)試波形曲線，得到MCRI 5#，MCRI 6#的沖擊波形上升前陡峭，抗干擾能力強(qiáng)，與美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的 PCB138-1傳感器測(cè)量結(jié)果的比較，獲得的沖擊波波形基本一致。總之，由測(cè)試結(jié)果可以證時(shí)：獲得的沖擊波波形基本一致。

　　4 結(jié)束語

　　通過對(duì)研制的MCRI型傳感器進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)壓力的標(biāo)定及水池試驗(yàn)，與美國(guó)PCB公司同類產(chǎn)品進(jìn)行比對(duì)的結(jié)果表明：該水中爆炸壓力傳感器
力傳感器

　　力傳感器是能夠感測(cè)各種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)力的大小并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，是力學(xué)測(cè)量的重要器件。

的設(shè)計(jì)方案正確，上升前沿、靈敏度、精度等技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到使用要求，且使用方便、節(jié)約成本，適合于水中爆炸壓力的測(cè)量。