冲击波超压测试用压力传感器热冲击特性研究

狄长安，王哲军，边 鹏，张 彤，李永超

(1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094;2.北方华安工业集团有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161006 )



冲击波超压测试用压力传感器热冲击特性研究

狄长安1，王哲军1，边 鹏2，张 彤2，李永超1

(1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094;2.北方华安工业集团有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161006 )

针对压力传感器前增加隔热层影响动态特性及给使用方便性带来影响的问题，研究了两种典型压电式冲击波超压传感器对热冲击的抑制能力。根据压电式冲击波超压传感器的结构特点分析了热冲击产生响应机理；根据冲击波超压经验公式对冲击波超压传感器使用热冲击幅值及作用时间进行了仿真计算，并对高阻电荷输出型和ICP型的冲击波超压传感器的热冲击响应输出特性进行了实验研究，分别得出了两种传感器在冲击波测试中的适用范围。

冲击波；压电传感器；热冲击响应；适用范围

0 引言

冲击波超压测试技术是爆炸动力学、冲击动力学研究领域的重要内容，也是兵器战斗部技术中确定其杀伤威力的基本方法。由于在该领域中目前还不能通过解析方法和数值模拟方法精确计算冲击波超压值，因此，通过实测方法得到冲击波参数值是最为重要和有效的途径[1-2]。

在炸药爆炸时，若使用的压力传感器温度补偿或者温度屏蔽能力不足，会对冲击波超压曲线产生严重的影响，给比冲量的计算带来较大的误差[3]。在研究冲击波压力传感器的温度特性问题时，吴松等人提出在传感器前端外表面加一层塑料隔热薄膜的方法来抑制传感器热冲击响应[4]，孔霖等人在研究抑制传感器热冲击响应方面的问题时，采用在传感器表面涂抹油脂的方法抑制热冲击的影响[5]，分析了不同厚度的油脂对传感器的频率特性产生的影响，得出了即满足隔热时间要求又不过分影响传感器频响特性的最薄油脂厚度。上述通过在超压传感器表面施加隔热层的方法会对传感器的动态特性产生影响，而且隔热薄膜和油脂涂层存在现场使用不便的问题。本文针对在压力传感器前增加隔热层影响动态特性及给使用方便性带来影响的问题，研究了两种典型压电式压力传感器对热冲击的抑制能力，获取了两类传感器在爆炸试验中的工作特性，并遴选出在热冲击作用下工作较优的传感器作为超压测试用传感器。从另一个角度研究了如何抑制热冲击对冲击波超压测试的影响问题。

1 压电式压力传感器的热冲击响应原理

压电式传感器具有固有频率高、性能稳定、信噪比高等优点，又没有压阻传感器的光效应，被越来越多地应用在冲击波超压测试中[6]。压电式压力传感器有高阻电荷输出型和ICP型2种，高阻电荷型传感器是将压电材料受力产生的电荷直接输出的传感器，而ICP传感器是将电荷转换电路集成在传感器内部，产生的电荷直接转换为电压并将电压输出。ICP传感器的结构如图1所示。除内部没有电荷转换电路外，高阻电荷输出型传感器的结构与ICP传感器是类似的。

图1 ICP传感器内部原理图

从传感器的结构图及压电材料的特性可知：传感器受到热冲击时，其输出主要受两方面的影响。一方面，传感器压电材料具有热电效应，在温度变化时会产生一定的电荷量；另一方面为了提高传感器的线性度和传感器的固有频率，一般前端膜片与压电材料间都会采用预紧安装方式，即空载时，压电晶体仍然会受到一定压力，当温度变化时，由于膜片与石英晶体的膨胀系数不一样，膜片受热膨胀的系数要远大于压电材料的膨胀系数，压电材料上的预载荷会减少，造成输出电荷的变化。这两种情况产生的电荷的极性是不同的[7]。对ICP传感器来说，热冲击除了对压电材料的热电效应及引起传感器各个零件间膨胀系数不一外，温度对电路元器件的影响也是很大的，所以在相同的温度下，ICP传感器热响应输出比高阻电荷输出型传感器大。图2为两种传感器快速投掷于80 ℃的水中时传感器的输出信号。图2表明，ICP传感器的温度效应比较明显，而高阻电荷输出型传感器的热输出比较小。

图2 高阻电荷输出型和ICP传感器热输出

2 空中爆炸自由场冲击波超压基本特征

爆炸时，可将爆炸气体当作理想气体进行处理，根据能量守恒、动量守恒及质量守恒定律及气体状态方程可得：

(1)

式中：p0为爆炸前空气压力，Pa；p1为爆炸后空气压力，Pa；T0为爆炸前空气温度，K；T1为爆炸后空气温度，K；k为空气的比热比，一般选择1.4。

假设冲击波到来前测试场地气体设为静止、均匀的空气，则初始状态为p0=105Pa、T0=288 K。据J.Henrych经验公式[8]及式(1)计算得到不同对比距离下压力峰值、正压作用时间、温度关系如表1所示。

3 热冲击实验及数据分析

文中选用的ICP传感器量程为100 psi(1 psi=6.895 kPa)，压电传感器量程可通过调整电荷放大器的放大倍数来使其最大输出为100 psi，通过表1可知冲击波测试时传感器受到的温度最高为650 K。组建的压电式压力传感器的热冲击实验系统由数据采集器、计算机、热风枪、高阻电荷输出传感器、ICP传感器、电荷放大器、恒流源、热电偶和旋转台组成，试验现场照片如图3所示。

表1 不同对比距离下压力峰值、正压作用时间、温度关系

图3 实验现场

旋转台的旋转盘直径为250 mm，离圆心L=100 mm处开一直径为14 mm的孔，当旋转盘转动频率为f时，则该孔转过传感器时间t=d/(2πfL)。热风枪固定在旋转台上方，快速响应K型热电偶与两个传感器固定在一起且放在孔的正下方，热风的温度由热电偶测出。为了减小风压的影响，模拟爆炸时热冲击作用，将传感器的敏感面与热风吹来的方向垂直。实测热电偶输出波形如图4所示，传感器在不同热冲击作用时间下的输出信号幅值如图5所示。

图4 热电偶输出

图5 不同作用时间下传感器输出

调整热风枪与旋转盘的距离，使传感器受到的温度降低，调整转动频率使传感器受到热冲击的时间不一致，其输出不受温度影响的时间将会变长。结果如图6所示。

(a)560 K时传感器输出

(b)450 K时传感器输出图6 不同作用时间下传感器输出

通过图5、图6可以看出：

(1)传感器受到相同温度影响的时间越短，传感器的输出将会越小，当温度作用时间小到某一值时，在这个温度下传感器将不会受到影响；

(2)传感器在作用时间相同时温度越低，传感器的输出将会越小，当温度小到某一值时，传感器在该温度下输出可以忽略不计；

(3)高阻电荷型输出压力传感器的抗热冲击的性能明显优于ICP传感器；

(4)由于传感器输出随作用时间的增大而增加，因此，当作用时间过长时，两种传感器都不能不经防护直接使用。

4 结论

在药量为500 kg以内，对比距离大于1.06时，使用高阻电荷输出的压电式传感器测试冲击波最大误差在1%以内，而在100 kg以内，对比距离大于1.06时，使用ICP型传感器测试冲击波最大误差在1%以内。高阻电荷输出的压电式传感器温度特性明显优于ICP型传感器，在冲击波超压存储测试中优先推荐采用高阻电荷输出的压力传感器，对爆炸冲击波的热冲击可进行有效的抑制。

[1] WALTER P L.Air-blast and the science of dynamic pressure measurements.Sound and Vibration,2004:10-16.

[2] 熊祖钊，白春华，刘长林.FAE武器爆炸状态场压力场测试方法研究.火炸药学报，2002，25(1):2-3.

[3] 姬建荣.有限空间内爆炸对效应物热作用的实验研究：[学位论文].西安：西安近代化学研究所，2008.

[4] 吴松，陈宏，谷笳华，等.一种压电压力传感器的防热方法.科学通报，2007，52:866-869.

[5] 孔霖，苏健军，李芝绒，等.某压力传感器热冲击响应的抑制方法.传感器与微系统，2010，29(12):69-72.

[6] 薛莉，杜红棉，裴东兴，等.基于ICP传感器的冲击波超压测试系统设计.仪表技术与传感器，2014(4):7-9.

[7] WHITTIER R M.Reducing transient thermal sensitivity of silicon diaphragm pressure transducers.Eleventh Transducer Workshop,1981:292-301.

[8] JOSEF H.The dynamics of explosion and use.[S.l.]:Elsevier scientific publishing company,1979.

作者简介：狄长安(1973—)教授，主要研究方向为智能传感器及测试技术、特种测试技术、生物医疗仪器等。 E-mail：dica 3 @sina.com

《仪表技术与传感器》入编

《中文核心期刊要目总览》2014年版

依据文献计量学的原理和方法，经研究人员对相关文献的检索、统计和分析，以及学科专家评审，《仪表技术与传感器》入编《中文核心期刊要目总览》2014年版(即第七版)之机械、仪表工业类核心期刊。

《中文核心期刊要目总览》已于1992年、1996年、2000年、2004年、2008年、2011年出版过六版。《仪表技术与传感器》期刊已连续七次入编《中文核心期刊要目总览》。

评选核心期刊的工作，是运用科学方法对各种刊物在一定时期内所刊载论文的学术水平和学术影响力进行综合评价的一种科研活动。

对核心期刊的评价采用定量评价和定性评审相结合的方法。定量评价指标体系采用了被索量、被摘量、被引量、他引量等12个评价指标，选作评价指标统计源的数据库及文摘刊物达到50余种，统计到的文献数量共计65亿余篇次，涉及期刊14728种。参加核心期刊评审的学科专家达3700多位。经过定量筛和专家定性评审，从我国正在出版的中文期刊中评选出1983种核心期刊。

Study on Characteristics of Thermal Shock Response of ShockWave Pressure Sensor for Testing

DI Chang-an1,WANG Zhe-jun1,BIAN Peng2,ZHANG Tong2,LI Yong-chao1

(1.School of Mechanical Engineering,NUST,Nanjing 210094,China; 2.North Huaan Industrial Group Co.Ltd.,Qiqihar 161006,China)

The ability to inhibit thermal shock of two common piezoelectric pressure sensor were researched against the effect of dynamic characteristics and convenient use on the condition of adding insulating layer in the front of pressure sensor.Response mechanism of piezoelectric shock wave pressure sensor producing by thermal shock was analyzed through its structural characteristics.The relationship of dosage,compared distance and the pressure value of sensor,action time,temperature was estimated by the empirical formula of shock wave overpressure.The output characteristics of thermal shock response of high resistance charge output type and ICP type of shock wave pressure sensor were tested and analyzed by experiment.The scope of application of different type sensor in the shock wave test was probed.

shock wave;piezoelectric sensors;thermal impact response;application scope

吉文哲(1983—)，讲师，硕士，研究方向为汽车排放物检测与控制。E-mail：13623701269@163.com 朱凯(1971—)，教授，研究方向为动力设备故障诊断。 E-mail：13837098989@163.com

2015-01-31 收修改稿日期：2015-07-20

TJ410

A

1002-1841(2015)10-0010-03