于家福， 王星來， 李 兵， 鄒其利， 唐 貴

(1海軍駐北京地區(qū)導(dǎo)彈配套設(shè)備軍事代表室 北京 100039 2北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076 3北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076)

前 言

在航天、航空、武器、船舶等領(lǐng)域，壓力傳感器得到了廣泛應(yīng)用。一般壓力傳感器用于測量緩變壓力信號，頻響范圍多為零赫茲到幾十赫茲。但在一些特殊測量環(huán)境下，壓力傳感器的頻響范圍要求能夠達(dá)到幾千赫茲，且必須滿足惡劣的環(huán)境要求，此時傳統(tǒng)的壓力傳感器已很難滿足這些苛刻的測量要求。為此，本文主要從以下三個方面對水介質(zhì)動態(tài)壓力傳感器進(jìn)行設(shè)計:①性能優(yōu)越、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的高固有頻率壓力敏感元件;②引壓管腔結(jié)構(gòu);③后續(xù)信號調(diào)理電路。本文要求所設(shè)計的壓力傳感器具有5kHz的動態(tài)頻響范圍。

圖1 壓力傳感器工作原理

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文壓力傳感器采用一體化設(shè)計，包括感壓敏感元件、結(jié)構(gòu)、信號調(diào)理電路三個功能模塊。壓力傳感器工作原理如圖1所示。

敏感元件將感受到的壓力信號轉(zhuǎn)換為差動毫伏級電壓信號，并進(jìn)行靈敏度的自補(bǔ)償;信號調(diào)理電路將感壓敏感元件輸出的小信號放大調(diào)整為用戶需要的電壓信號，并進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理;傳感器結(jié)構(gòu)為敏感元件和電路提供最佳的組合安裝，便于壓力的測量和信號的輸出。

2 高固有頻率壓力敏感元件設(shè)計

2.1 應(yīng)變式膜片設(shè)計

本文所設(shè)計的壓力傳感器要求具有5kHz的頻率響應(yīng)，采用薄膜應(yīng)變式測壓，利用惠斯通電橋進(jìn)行壓力與電壓的轉(zhuǎn)換。其核心是濺射膜片，結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先利用離子束濺射沉積的方法在彈性膜片上先后沉積絕緣介質(zhì)層、合金電阻層和金電極層(如圖2(a)所示)，然后采用薄膜微加工技術(shù)制作應(yīng)變電阻、溫補(bǔ)電阻和電極圖形(如圖2(b)所示)，最后沉積保護(hù)層。當(dāng)被測壓力產(chǎn)生變化時，彈性膜片相應(yīng)產(chǎn)生微小形變，由于電阻應(yīng)變效應(yīng)迫使惠斯通電橋橋臂電阻值發(fā)生變化，從而使傳感器的輸出電壓值也相應(yīng)發(fā)生變化[1]。

圖2 濺射膜片結(jié)構(gòu)

敏感元件采用周邊固支圓平膜片作為敏感膜，膜片結(jié)構(gòu)如圖3所示，膜片的尺寸設(shè)計一般遵循以下原則:

①膜片任意部位的應(yīng)力不超過材料的彈性極限，并取必須的安全系數(shù)(一般取n=1.5 ～2.0);

②根據(jù)小擾度理論，膜片的最大擾度應(yīng)小于膜片厚度的1/3;

③膜片的最大相對非線性誤差應(yīng)小于敏感元件總精度的1/3;

④用于動態(tài)測量時，要求固有頻率大于被測信號頻率5倍以上。

設(shè)計時，首先根據(jù)前3條設(shè)計原則，選取合適的半徑厚度比，然后考慮敏感元件安裝情況、外形尺寸等，選取合適的半徑以及厚度。由于本文所設(shè)計的產(chǎn)品用于高頻動態(tài)測量，因此膜片設(shè)計必須滿足第4條要求。

圖3 周邊固支圓平膜片結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 膜片頻響特性計算與仿真

按照膜片設(shè)計原則，在動態(tài)測量時，膜片的固有頻率必須大于被測信號頻率的5倍以上，所以在膜片設(shè)計時必須考慮敏感元件的固有頻率[2]。膜片固有頻率的一般計算公式為:

圖4 膜片模態(tài)分析圖

其中，h為膜片厚度(mm)，R為膜片半徑(mm)，μ為膜片材料的泊松比，E為膜片材料的彈性模量(Pa)，ρ為膜片材料的密度(kg/mm3)。

壓力傳感器膜片材料選用17-4PH，材料的彈性模量為196GPa，泊松比為 0.272，材料密度為 7850kg/mm3，選擇合適的半徑厚度比，經(jīng)過計算膜片設(shè)計的固有頻率為36.3kHz。圖4為采用Ansys軟件進(jìn)行模態(tài)仿真得到的結(jié)果。仿真的膜片固有頻率約為35.8kHz，與設(shè)計的膜片固有頻率接近，且滿足大于信號頻率5倍的要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 機(jī)械外殼設(shè)計

傳感器結(jié)構(gòu)及敏感元件裝配如圖5所示。敏感元件安裝在基座底端，與基座采用電子束方式進(jìn)行焊接。外罩與支架均采用激光焊接，壓力傳感器整體采用帶“O”型密封圈的法蘭安裝。該結(jié)構(gòu)零部件少、簡單可靠，并且具有很好的氣密性，能夠滿足水介質(zhì)動態(tài)壓力信號的測量需求。

3.2 管腔諧振頻率分析與計算

管腔效應(yīng)對高頻動態(tài)壓力傳感器影響較大，有研究表明:如果壓力敏感元件的固有頻率能夠達(dá)到20kHz～80kHz，則當(dāng)有管腔效應(yīng)影響時，壓力傳感器的頻率響應(yīng)將下降到2.47kHz[3]。管腔固有頻率簡化公式如式(2)所示。

其中，a0為0℃條件下的音速值(a0=331.4m/s)，β為溫度系數(shù)(β=0.00367)，t為測量壓力介質(zhì)溫度，L為管腔的長度。

從式(2)可以看出，壓力傳感器的管腔越短，諧振頻率越高，所以為了盡可能減小管腔效應(yīng)的影響，常采用短直筒的結(jié)構(gòu)方式，本文中壓力傳感器結(jié)構(gòu)按圖5所示設(shè)計，直筒管腔深3.5mm，代入式(2)可得諧振頻率為22.5kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5kHz的頻響要求。

根據(jù)傳感器的使用環(huán)境，采用Ansys仿真軟件對所設(shè)計的敏感元件和短直筒管腔進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)仿真。采用圖4中所示的膜片結(jié)構(gòu)(直筒管腔內(nèi)傳遞介質(zhì)為水)，對傳感器加載從靜態(tài)到頻率40kHz、峰值4MPa的正弦壓力，動態(tài)壓力響應(yīng)仿真結(jié)果如表1所示，曲線圖如圖6所示。

表1 傳感器動態(tài)壓力響應(yīng)仿真數(shù)據(jù)

圖6 傳感器動態(tài)壓力響應(yīng)仿真曲線

仿真結(jié)果顯示，傳感器在響應(yīng)水介質(zhì)壓力時的諧振點約為28.8kHz，當(dāng)響應(yīng)5kHz頻率壓力時，膜片撓度相對于靜態(tài)載荷時的撓度誤差為0.27dB(見表1)，膜片撓度誤差反映的是傳感器靈敏度的誤差，可以推論傳感器響應(yīng)5kHz壓力的動態(tài)誤差也為0.27dB，遠(yuǎn)小于3dB截止頻率的誤差，因此傳感器測量頻帶滿足5kHz的要求。

4 信號調(diào)理電路設(shè)計

信號調(diào)理電路如圖7所示，其主要功能為:①為后續(xù)測試系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的傳感器電壓;②濾除噪聲及頻帶外的無用信號。

圖7 信號調(diào)理電路

在信號調(diào)理電路中為了提高傳感器的精度和抗干擾能力，采取了以下幾項措施:

①利用瞬態(tài)抑制二極管和專用的EMI濾波器來隔離電源的干擾和瞬態(tài)變化;

②放大電路采用儀器儀表放大器，提高了電路的精度，并且降低了溫度漂移;

③為放大電路和低通濾波電路加裝防自激電容;

④在傳感器的輸出級添加了限流電阻和限幅二極管，為后續(xù)測試系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的安全電壓。

5 動態(tài)測試

本文采用正弦壓力信號發(fā)生器來校準(zhǔn)所設(shè)計的動態(tài)壓力傳感器，測試系統(tǒng)整體架構(gòu)及傳感器實物如圖 8 所示[4]。

圖8 動態(tài)壓力傳感器的正弦校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及傳感器實物

采用正弦壓力信號發(fā)生器進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)時，由于標(biāo)準(zhǔn)傳感器的幅頻特性和相頻特性是已知的，因此只要對標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被校準(zhǔn)傳感器的輸出信號同時進(jìn)行采集與分析，就可以求出被校準(zhǔn)傳感器的動態(tài)特性。在測試中為壓力傳感器加載3.5MPa峰值恒定、頻率變化的正弦壓力信號，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如圖9所示。從測試數(shù)據(jù)可以看出，0Hz～3kHz帶內(nèi)不平度小于±1dB，3kHz～5kHz帶內(nèi)不平度小于±3dB，帶外衰減大于-8dB/oct，達(dá)到了5kHz頻響的動態(tài)特性。

6 結(jié)束語

在航天與武器等領(lǐng)域，高頻動態(tài)壓力測量越來越受到重視。本文針對惡劣環(huán)境下的動態(tài)壓力測量，從高固有頻率壓力敏感元件、引壓管腔、信號調(diào)理電路三個方面對水介質(zhì)動態(tài)壓力傳感器進(jìn)行了設(shè)計，優(yōu)化了壓力傳感器的動態(tài)性能。本文還利用正弦壓力信號發(fā)生器對傳感器進(jìn)行了動態(tài)測試，測試結(jié)果表明本文所設(shè)計的壓力傳感器具有很好的動態(tài)特性。

圖9 動態(tài)壓力傳感器幅頻特性曲線

[1]朱大治.濺射薄膜壓力傳感器研制及應(yīng)用[C].第九屆全國敏感元件與傳感器學(xué)術(shù)會議，2005:199～201.

[2]王文襄，王 冰，等.壓阻式高頻動態(tài)壓力傳感器與沖擊波超壓測量[C].第四屆全國爆炸力學(xué)實驗室學(xué)術(shù)會議論文集，2006:354～359.

[3]張訓(xùn)文，陳 曦，朱 琦，方繼明.壓力傳感器管腔效應(yīng)問題研究[C].第十一屆中國兵工學(xué)會測試技術(shù)學(xué)術(shù)年會，2002，16:387 ～390.

[4]趙英男，許建新，趙 越.測量脈動壓力的動態(tài)壓力傳感器標(biāo)定方法[J].電站系統(tǒng)工程，2010，26(2):61～62.