用于测量水中爆炸压力的传感器设计

引 言

　　为了测量炸药在水中的爆炸压力，因测量介质与常规测量的不同，测量环境比较恶劣，所以，对传感器就要有一些特殊的要求：首先，传感器要有较高的频率响应，水下爆炸的压力是一个高速变化的过程；其次传感器要有较强的抗干扰能力，以便减小测量误差，提高测试精度；再者，传感器要有足够的强度、良好的密封性能和较强的防腐蚀能力。因此，以电气石为敏感元件的传感器则被应用于水中爆炸压力的测量。由于在水中爆炸压力的测量中，传感器的基本性能指标为：测量范围上限为250MPa；测量精度≤2％FS；上升前沿≤2.5μs。根据系统性能指标要求，确定了用于水中爆炸压力测量传感器的结构，同时，克服了选材和工艺方面的技术难题。

　　1 传感器的选材问题及其发展结构

　　1.1 敏感信息元件进行材料的选择

　　敏感元件是传感器的关键元件，因为它决定着传感器的原理和特性。因此，是传感器结构设计时首先要考虑的问题。根据测试对象，对炸药在水中爆炸产生的压力进行测量，故采用压电式压力传感器。所以，敏感元件选用压电晶体，压电晶体种类较多，如，石英、电气石、铌酸锂、锆钛酸铅、钛酸钡等，根据几种常用的压电晶体性能，由于电气石晶体具有体压电效应的特点，而且，国内外在对炸药在水中爆炸产生的压力进行测试时，均采用电气石晶体作为压电式压力传感器的敏感元件，所以，敏感元件材料选择电气石晶体。

1.2传感器的结构和工作原理

　　水中爆炸产生压力以及传感器的结构设计如图1所示。

 

该传感器采用压电电气石作为传感元件，填充硅油，密封采用高绝缘密封胶。当工作时，传感器被置于水下，距离爆炸源一定距离，当爆炸产生的压力通过水以冲击波的形式传递到各个方向时，电气石晶体将感受到的压力信号转换成电信号，转换能量。

　　2 传感器的性能进行检测

2.1传感器静态校正

（1）校准设备：传感器的校准设备为JS-2500(250MPa)活塞式压力表；精度等级为0.02。

　　（2）标定研究方法：采用不同加载法，每个传感器进行预压3遍后开始校准，校准3次取平均值，按最小二乘直线法计算可以得出一个传感器的静态灵敏度、非线性系统静态标定实验结果比较见表1。

 

　　由表1标定的结果可以得出：MCRI传感器的非性为1.36％。灵敏度为26.12pC/MPa。

　　2.2 动态标定

　　（1）标定设备：美国PCB公司913B02型水动力脉冲标定装置（含内装电荷放大器的136A型标准传感器）。

　　（2）标定方法：采用比较校准落球标定法，将传感器按照静态灵敏度配置模块式电荷放大器，然后，与标准传感器同时安装在标定接头上，将钢球从不同的高度自由下落，撞击高压液压装置中的活塞，产生的半正弦波压力（也是一种脉冲压力）经过液压油传递给传感器，以参考传感器为基准。将被校传感器的曲线与标准传感器的曲线进行幅值和波形一致性的校准，求得传感器的动态校准非线和灵敏度。传感器的动态标定结果见表2。

 

由表2结果可以得出传感器的非线性为0.17mV/MPa。 平均灵敏度为123.76

由于传感器的绝缘电阻不是很高，加载时间较长，在静态标定时会出现一定的零点漂移，而且由于密封问题，标定压力只能达到29mpa，远远低于测量范围的上限，因此静态标定时传感器的非线性值不同。因此，动态校准的非线性指标高于静态校准。