閆瀟敏，李芝絨，陳 君，翟紅波，張玉磊

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065)

0 引 言

近幾年，國內(nèi)外對(duì)水中炸藥沖擊波超壓和氣泡能的測(cè)量已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，取得了不少的科研成果［1～3］。在對(duì)炸藥水中爆炸性能進(jìn)行研究過程中，有時(shí)需要對(duì)小藥量試驗(yàn)的沖擊波壓力進(jìn)行測(cè)量，有時(shí)需要對(duì)較遠(yuǎn)距離處的沖擊波壓力進(jìn)行測(cè)量，這些壓力存在信號(hào)弱、易被噪聲淹沒的問題。對(duì)于水中爆炸沖擊波本身就弱的信號(hào)，氣泡脈動(dòng)壓力就更加微弱。要準(zhǔn)確地測(cè)量沖擊波能和氣泡能這兩個(gè)參數(shù)，對(duì)傳感器就要有一些特殊的要求，不僅要滿足低量程、高靈敏度的要求，還要求頻率響應(yīng)要特別高，以減小測(cè)試波形的失真［4］。目前用于水中爆炸壓力測(cè)量的傳感器多是美國PCB 公司生產(chǎn)的以電氣石晶體作為壓電轉(zhuǎn)換元件的138A 型傳感器，這種傳感器價(jià)格昂貴，試驗(yàn)成本較高。而且這種傳感器的晶體組件外層由金屬網(wǎng)、硅油和塑料管三種材料包裹，如果其中的兩種材料聲阻抗不匹配，就會(huì)影響壓力信號(hào)的測(cè)試結(jié)果。

本文通過水中爆炸試驗(yàn)對(duì)自行研制的聚偏氟乙烯(PVDF)傳感器進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到使用要求，可以用于水中爆炸微弱壓力信號(hào)的測(cè)量。PVDF 傳感器具有很高的頻響，特別是它與水的聲阻抗相近，可以滿足水中爆炸弱壓力信號(hào)測(cè)量對(duì)頻響和靈敏度的要求，用來測(cè)量水中爆炸沖擊波壓力應(yīng)用前景廣闊［5，6］。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 敏感元件的選擇

水中爆炸弱信號(hào)的測(cè)量，須選用合適的傳感器。電氣石因其具有頻響高、穩(wěn)定性及線性良好而被作為敏感元件應(yīng)用于水中壓力傳感器，但其靈敏度偏低，在被測(cè)壓力較大時(shí)，可以輸出足夠的幅值，但當(dāng)被測(cè)壓力較小時(shí)，輸出就顯得不足。PVDF 壓電薄膜材料具有頻響范圍寬、靈敏度高等特點(diǎn)，能根據(jù)需要做成合適的面積，可以滿足弱壓力信號(hào)測(cè)量對(duì)頻響和靈敏度的要求。用PVDF 壓電薄膜作為敏感元件制作PVDF 傳感器，制作工藝簡單、成本低，適合于水中爆炸微弱信號(hào)的測(cè)量。同時(shí)采用傳感器內(nèi)裝放大電路的方法，可以使傳感器具有高信噪比和高頻響性能。

1.2 傳感器的制作

傳感器由壓電轉(zhuǎn)換元件(即晶體組件)和放大電路兩部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。壓電轉(zhuǎn)換元件用PVDF 壓電薄膜制作。將壓電薄膜材料裁剪成Ф3～Ф5 大小的圓片，在壓電薄膜兩表面分別粘貼上2 根細(xì)導(dǎo)線，2 根導(dǎo)線分別連接到內(nèi)裝放大器的輸入端，再將內(nèi)裝放大器封裝在具有一定強(qiáng)度的金屬殼體內(nèi)，封裝時(shí)做好防水密封處理。壓電薄膜用液體硅橡膠材料封裝、再固化，形成與水的聲阻抗匹配的、高絕緣阻抗的固態(tài)封裝，使傳感器結(jié)構(gòu)簡單但又不易被爆炸產(chǎn)物擊壞，提高了傳感器使用的可靠性。傳感器還配有電源變換器，其功能是給內(nèi)裝放大電路供電，并對(duì)信號(hào)輸出進(jìn)行歸一化處理。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Schematic structure of sensor

1.3 傳感器的標(biāo)定

傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度標(biāo)定采用比較校準(zhǔn)標(biāo)定法［7］。將被校傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器分別安裝在液壓標(biāo)定器兩邊的接頭上，壓力源激勵(lì)的壓力擠壓腔內(nèi)油介質(zhì)，產(chǎn)生的壓力脈沖同時(shí)作用在2 只傳感器上，比較標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被校傳感器的輸出峰值便可完成靈敏度校準(zhǔn)。改變撞擊強(qiáng)度，即標(biāo)定出傳感器在不同激勵(lì)峰值下的靈敏度。傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)原理如圖2 所示。

圖2 傳感器動(dòng)態(tài)靈敏度校準(zhǔn)原理圖Fig 2 Principle diagram of dynamic sensitivity calibration of sensors

2 水池試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

爆炸試驗(yàn)水池直徑5 m，水深3 m，試驗(yàn)炸藥為5 g TNT，安裝深度0.7 m，水中爆炸試驗(yàn)布置如圖3 所示。傳感器固定在一根橫桿上形成傳感器簇(編號(hào)如圖4 所示)，入水深度0.7 m，每2 只傳感器之間距離0.1 m，為考察系統(tǒng)頻響對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，4'#傳感器不帶內(nèi)裝放大電路，使用采樣頻率只有100 kHz 的采集儀器。炸點(diǎn)距離橫桿的垂直距離為1.5 m。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用8 通道以上的同步數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)和同步觸發(fā)控制器，5 m 長的定位支架等，采集儀采樣頻率500 kSPS，觸發(fā)設(shè)置:正延遲(100 ms)。

圖3 水中爆炸試驗(yàn)布置示意圖Fig 3 Layout of underwater explosion test

圖4 傳感器安裝位置示意圖Fig 4 Installation location of sensors

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在本試驗(yàn)條件下，對(duì)5 g TNT 炸藥水中爆炸試驗(yàn)，測(cè)量炸藥在水中爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力隨時(shí)間變化曲線和氣泡脈動(dòng)壓力波，典型測(cè)試波形見圖5，爆炸測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

圖5 典型沖擊波超壓與氣泡壓力波形Fig 5 Typical waves of shock wave over pressure and bubble pressure

試驗(yàn)環(huán)境參數(shù):水中溫度:15 ℃;大氣壓:710 mmHg(94 659Pa);密度:1.6 g/cm3;聲速:1 446.6 m/s2。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 測(cè)量數(shù)據(jù)的差異性分析

由圖5 可以看出:PVDF 傳感器在試驗(yàn)中獲得的沖擊波波形上升前沿陡峭，抗干擾能力強(qiáng)。從表1 的數(shù)據(jù)可以看出:每只傳感器測(cè)量的沖擊波到達(dá)時(shí)間和氣泡脈動(dòng)峰值時(shí)間基本一致，且測(cè)量得到的沖擊波超壓峰值與理論超壓峰值相差不大;沖擊波超壓峰值隨著爆心距增大而逐漸減小，個(gè)別測(cè)點(diǎn)的沖擊波超壓峰值例外，如4#傳感器測(cè)得的沖擊波超壓峰值為4.29 MPa，大于3#和3'#傳感器的測(cè)量結(jié)果，這是因?yàn)樾∷幜空ㄋ幩斜〞r(shí)，存在著爆轟不穩(wěn)定的現(xiàn)象。傳感器全部安裝在一根橫桿上，間隔距離較小，所以，即便是對(duì)稱測(cè)點(diǎn)，它們的爆心距也不能保證絕對(duì)相等。因此，對(duì)稱測(cè)點(diǎn)測(cè)得的沖擊波超壓峰值略有不同。

2.3.2 系統(tǒng)頻響對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

測(cè)量系統(tǒng)的高頻響應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響很大，主要影響測(cè)量結(jié)果的峰值大小和峰值到達(dá)的時(shí)間，改變波形的時(shí)間常數(shù)。對(duì)于小藥量的爆炸參數(shù)測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)的頻響要求高。由于4'#傳感器不帶內(nèi)裝放大電路，使用的采集儀器采樣頻率只有100 kHz，從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出:4'#傳感器測(cè)得的沖擊波壓力比另一側(cè)對(duì)稱位置的4#傳感器測(cè)得的沖擊波超壓明顯偏低，原因就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)頻響低，造成信號(hào)高頻分量丟失。

表1 水中爆炸試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab 1 Measurement data of underwater explosive experiment

3 結(jié) 論

本文采用PVDF 壓電薄膜作為敏感元件和帶內(nèi)裝放大電路的傳感器，在5 g TNT 炸藥水池爆炸壓力測(cè)量中，得到了沖擊波與氣泡脈動(dòng)壓力曲線，波形一致性較好，沖擊波波形上升前沿陡峭，抗干擾能力強(qiáng)。說明對(duì)于5 g TNT 藥量，PVDF 傳感器配合高頻響的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能正常輸出上升前沿陡峭的沖擊波超壓和低頻響的氣泡脈動(dòng)壓力測(cè)試波形，可以用于炸藥水中爆炸微弱壓力信號(hào)的測(cè)量。

［1］ 黃正平.爆炸與沖擊電測(cè)技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［2］ 周聽清.爆炸動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用［M］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2001.

［3］ Cole R P.水下爆炸［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1965.

［4］ 李玉節(jié)，趙本立.水下爆炸壓力測(cè)量中的若干問題［J］.試驗(yàn)力學(xué)，1992，7(1):17－22.

［5］ Kenji Murata，Katsuhiko Takahashi，Yukio Kato.Precise measurements of underwater explosion phenomena by pressure sensor using fluoropolymer［J］.Journal of Materials Processing Technology，Elsevier Science SA，1999，85:39－42.

［6］ 趙繼波，譚多望，張遠(yuǎn)平，等.PVDF 計(jì)在水中爆炸近場(chǎng)壓力測(cè)試中的應(yīng)用［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2009，32(3):1－4.

［7］ 殷俊蘭，蘇健軍，陳 君.水中壓力傳感器靈敏度校準(zhǔn)的研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(12):29－31.