压电式压力传感器的测量与标定系统

　　摘 要: 压电式压力传感器以固有频率高和动态响应快等优点而使用十分适用于测量火炮膛压的p- t曲线。文中详细介绍了压电式压力传感器在火炮实验中的测量方案和标定方法, 同时给出了该传感器的安装要点, 最后对其测量误差进行了分析。

　　关键词: 压电式压力传感器; 火炮膛压测量; 电荷放大器; 压力标定; 电荷校准0引言火炮射击时的主要激励是药室膛内压力, 其内弹道过程遵循能量转换的规律

　　0式中:  p为火炮膛内压力,  l为弹丸的行程,v0为弹丸初速,  m为弹丸质量,  φ为次要功系数,lg为弹丸全行程, S为身管截面积。

　　膛压的准确测量对内弹道的计算分析非常重要。尤其是测量药室内压力随时间的变化规律, 即p- t曲线, 不仅可以反映出最大膛压, 还可以反映出整个射击过程中膛压随时间的变化规律。从膛内火药气体的变化规律来看, 它首先从零开始迅速地增加到某一个最大峰值, 然后下降。整个过程的时间只有几毫秒至十几毫秒, 是一个非周期性的单次脉冲过程。由于传感器弹性系统存在着惯性, 因而其固有频率一般会下降, 从而导致测量的p- t曲线在不同程度上存在着由传感器惯性引起的误差。为了提高测量精度, 应使传感器具有足够高的固有频率, 以减少传感器的惯性误差。而在内弹道的研究中, 压电法和应变电阻法应用较广。

　　压电式测压法压电式测压系统由压电式压力传感器、电荷收稿日期: 2008- 04- 22放大器和数据采集系统构成。其中压电式压力传感器利用正压电效应, 将火药压力的变化转换为电荷量的变化, 传输到电荷放大器; 然后由电荷放大器将电荷量转换成电压信号, 传输到数据采集系统进行记录。所示是压电式测压法的测试构成原理图。

　  　压电式测压法测试系统框图1.1压电式压力传感器压电式压力传感器是利用压电材料 (如石英、压电陶瓷等) 的压电效应将被测压力转换为电信号。其传感器结构如图2所示, 其中压电元件夹于两个弹性膜片之间, 压电元件的一个侧面与膜片接触并接地, 另一侧面通过引线将电荷量引出。当外力作用在膜片上时, 膜片将作用在表面的压力转化为与压力成正比的力传递给石英晶体。石英晶体内部产生极化现象后, 即可在表面上产生电荷, 并通过电极传输至输出端。

　　石英晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比, 即:Q=DF

     (2)式中:  Q为电荷量,  D为压电常数,  F为作用力。

　　本压电式压力传感器选用瑞士Kistler公司的6215型石英压力传感器 (1994年成为NATO (北约组织) 内弹道膛压测量标准)。

　　但是, 应当注意的是: 当被测压力大于350MPa时, 直接使用6215型石英压力传感器的测量误差较大。如当峰值压力为400 Mpa时, 其测量值大约低5%。因此在测量高膛压时, 6215型石英压力传感器要使用隔热帽和保护罩, 图3所示是它们的附件图。

　　此外, 故压力传感器的安装好坏也直接影响测量精度, 在安装时要注意以下几个方面:(1)应使用密封圈、隔热帽和保护罩。这样, 在测量高压时, 既可保护传感器, 又可提高测量精度, 其安装示意图如图4所示;(2)6215压力传感器的安装扭矩在大于20 Nm 时将会损坏传感器的表面, 造成密封面上出现凹痕, 从而导致密封不良, 带来测量误差。

　　电荷放大器电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器, 使用该放大器有两个作用,一是对压电传感器的微弱信号进行放大; 二是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。电荷放大器与电压放大器相比, 其优点是: 电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量及电荷放大器的反馈电容有关, 而电缆电容等其它因素的影响可以忽略不计, 因此在测量中即使更换电缆,或采用不同长度的电缆, 对测量精度影响不大。 Q=CfUo

      (3)式中:  Cf为电荷放大器的反馈电容,  Uo为电荷放大器的输出电压, Q电荷量。

　　本文选用瑞士Kistler公司的5011B型电荷放大器, 来将压电传感器产生的电荷转换为相应比例的电压信号。它的测量范围从±10 到±999000pc连续可调, 面板上的两行液晶显示使得参数设置极为方便。设置后的参数即使在断电情况下仍能保留。同时能在输出端自动校正零点, 并可通过串行或并行接口遥控所有功能。

　　测试方案为监测药室膛压, 可在火炮身管上设计安装压力传感器的测压孔。测压孔由测量孔和压力传感器安装孔组成。6215型石英压力传感器的理想测量孔长度是3~5 mm, 此长度不会干扰气体流的振动。而过长的测量孔则可能具有低能滤波器的作用,  会限制高频成份,   导致测量曲线失真。本文的测量孔径≤φ5 mm, 长度为3 mm。压力传感器安装孔径≥φ12.5 mm, 安装螺距长度为12 mm。图5是带保护罩的压力传感器的安装尺寸图。

　　测试时应将瑞士Kistler公司6215型石英压力传感器安装在药室的测压孔内, 通过低噪声电缆连接至瑞士Kistler公司5011B型电荷放大器, 电荷放大器输出的电压经同轴电缆传输到数据采集系统。

　　对于所示的测量曲线, 其系统参数设置是: 6215 型石英压力传感器灵敏度为14.71 pc/ Mpa, 5011B型电荷放大器设置为100 MPa/V, 数据采集系统使用tek3054数字示波器。

　　压力测量误差分析火炮膛压的测量误差因素有以下几方面:(1)压力传感器引起的误差压力传感器的安装好坏直接影响测量精度, 故应按要求使用密封圈、隔热帽和保护罩。在膛压超过350 MPa时, 不使用密封圈、隔热帽和保护罩会带来5%左右的误差。另外, 当测量孔深度过长 (大于5 mm) 时, 测量孔本身会成为低通滤波器, 从而导致测量曲线失真。

　　(2)传输线引起的误差由于压电传感器输出的是电荷, 如果传输电缆绝缘电阻低或过长, 都会造成电荷泄漏, 影响测量结果。本文使用1 m长的低噪声电缆作为传输线, 其绝缘电阻大于1012 Ω, 可最大限度地减小由传输线引起的误差。

　　(3)残余药屑引起的误差残余药屑可能堵塞测量孔, 从而引起测量误差, 因此, 每次测量前须清洗传感器及测压孔。

　　(4)热干扰产生的误差由于火药气体的温度很高, 而压电晶体又具有热电效应, 这会使热电效应产生的电荷与压电效应产生的电荷混叠在一起, 从而导致测量结果失真。因此, 在压电式压力传感器前端应安装隔热帽和保护罩, 以减小热电效应引起的误差。

　　4.测压系统的标定进行测压系统的标定可以有效减少测量误差。整个测压系统标定可通过压力传感器标定和压力测试通路标定两个步骤进行。

　　压力传感器的标定分为静态标定和动态标定两种, 具体可依据其使用场合来确定。本文的压力传感器标定采用静态标定方法。静态标定就是标准的和被标定的压力传感器都固定不动, 同时进行测定某个瞬变压力峰值, 以此来确定被测压力传感器的灵敏度。因此, 静态标定可在一定程度上减少压力测量的动态误差。

　　压力测试通路标定是用标准的电荷校准仪代替压力传感器, 来对整个压力测试通路进行标定, 从而得到测试通路的相对误差,  以减小由测试通路带来的影响。

　　4.1压力传感器标定本文使用比较法来对所使用的传感器进行标定。选用瑞士Kistler公司的6905A型高压发生器、6963A8000 型标准压力传感器和6907B校准仪等仪器作为压力传感器标定设备。6907B校准仪可在设置的压力范围内, 通过40次独立的测量来确定标准传感器与试验传感器的偏差, 并在LCD显示器上显示出传感器的线性、灵敏度以及线性误差百分数, 这些数据均可通过接口设备调用,  并用PC软件处理, 其示意图如图8所示。

　　6905A型高压发生器是液压型压力发生器,它有两个测压孔, 用于分别安装标准压力传感器和待标定的压力传感器, 转动高压发生器手柄可产生连续递增的0~700 MPa压力, 所产生的压力可同时作用在标准传感器和被标定的传感器上。

　　6963A8000型标准压力传感器的压力范围为0 - 800 MPa。 其特点是其内含的压 力 传 感 器(7061BK型) 被封装在一个特别坚固的校准适配套中, 这样可确保校准不受安装或温度的影响, 同时可防止机械损坏。这种基准压力传感器特别适于作为实验室校准用的参考标准。

　　6907B校准仪内部有双通道的高精密电荷放大器, 故可分别将被标定传感器和标准传感器输出的电荷信号转换为电压信号, 然后经过A/D模数转换后再进行处理, 并将其传递到微处理器中。再由微处理器对被标定的传感器和标准传感器的偏差进行比较, 以计算出被标定传感器的灵敏度和线性偏差。

　　此标定系统使用极方便。标定系统连接完毕后, 首先在6907B校准仪上设置所要标定的压力值, 然后转动6905A高压发生器手柄, 当6905A 高压发生器内的压力达到预定设置值时, 6907B 校准仪会显示 “停止数据采集, 进行数据处理” 的信息,  因此,   操作人员就可以精确地进行压力系列值的标定工作。

　　只需在程序运行之前, 通过人为设置来选择TR(一个令TR=0, 一个令TR=1), 然后分别编程, 并在两机上分别装入, 最后再同时运行。其软件流程所示。

　　 结束语电力线载波数据通信是利用现成的电力线路(包括低压电力线和中压、高压电力线) 或其它线路 (如双绞线﹑平行线﹑ 电话线、接地线、有线电视网、金属管道、大地、铁轨等) 进行数据传送。它不占用无线通信频道, 省时、省力、省资金, 而且使用KQ- 100K模块实现电力线载波通信平台, 其设计极其简便, 且使用C语言来进行程序设计非常方便。随着数字信号处理技术的发展,  电力线载波通信技术也越来越成熟,  应用也压力测试通路标定通过压力测试通路标定可以修正由测试通路引起的系统误差。以便在试验前, 对整个测试系统 (包括传感器、放大器、电缆、示波器等) 进行校准。这样的系统校准的优点是可以消除测量系统带来的误差, 缺点是要求在实际测量时必须使测试系统中各个环节和校准时完全一样, 而不能更换, 否则需要重新校准。 本文使用瑞士Kistler公司5357A型电荷校准仪取代图6中的压力传感器, 来对整个压力测试通路进行标定。

　　5357A型电荷校准仪的校准范围为:±10~±999000pC, 该仪器在用于检测和校准压电测量系统时, 可替代传感器与测量链相连。电荷校准的意义: 一是提高测量精度; 二是检测近期测量链中是否有仪器超差。

　　5结束语火炮压力测量是研究火炮设计理论和进行性能评价的重要手段。本文介绍的测压方法需要在火炮身管上打孔, 故仅适用于实验装置,  而不适用于型号火炮验收场合。本文介绍的标定系统可使压电式压力传感器的标定工作大大简化, 并消除人为因素, 提高标定精度。