狄長安，王哲軍，邊 鵬，張 彤，李永超

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094;2.北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161006 )

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沖擊波超壓測試用壓力傳感器熱沖擊特性研究

狄長安1，王哲軍1，邊 鵬2，張 彤2，李永超1

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094;2.北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161006 )

針對壓力傳感器前增加隔熱層影響動(dòng)態(tài)特性及給使用方便性帶來影響的問題，研究了兩種典型壓電式?jīng)_擊波超壓傳感器對熱沖擊的抑制能力。根據(jù)壓電式?jīng)_擊波超壓傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析了熱沖擊產(chǎn)生響應(yīng)機(jī)理；根據(jù)沖擊波超壓經(jīng)驗(yàn)公式對沖擊波超壓傳感器使用熱沖擊幅值及作用時(shí)間進(jìn)行了仿真計(jì)算，并對高阻電荷輸出型和ICP型的沖擊波超壓傳感器的熱沖擊響應(yīng)輸出特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分別得出了兩種傳感器在沖擊波測試中的適用范圍。

沖擊波；壓電傳感器；熱沖擊響應(yīng)；適用范圍

0 引言

沖擊波超壓測試技術(shù)是爆炸動(dòng)力學(xué)、沖擊動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容，也是兵器戰(zhàn)斗部技術(shù)中確定其殺傷威力的基本方法。由于在該領(lǐng)域中目前還不能通過解析方法和數(shù)值模擬方法精確計(jì)算沖擊波超壓值，因此，通過實(shí)測方法得到?jīng)_擊波參數(shù)值是最為重要和有效的途徑[1-2]。

在炸藥爆炸時(shí)，若使用的壓力傳感器溫度補(bǔ)償或者溫度屏蔽能力不足，會對沖擊波超壓曲線產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，給比沖量的計(jì)算帶來較大的誤差[3]。在研究沖擊波壓力傳感器的溫度特性問題時(shí)，吳松等人提出在傳感器前端外表面加一層塑料隔熱薄膜的方法來抑制傳感器熱沖擊響應(yīng)[4]，孔霖等人在研究抑制傳感器熱沖擊響應(yīng)方面的問題時(shí)，采用在傳感器表面涂抹油脂的方法抑制熱沖擊的影響[5]，分析了不同厚度的油脂對傳感器的頻率特性產(chǎn)生的影響，得出了即滿足隔熱時(shí)間要求又不過分影響傳感器頻響特性的最薄油脂厚度。上述通過在超壓傳感器表面施加隔熱層的方法會對傳感器的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響，而且隔熱薄膜和油脂涂層存在現(xiàn)場使用不便的問題。本文針對在壓力傳感器前增加隔熱層影響動(dòng)態(tài)特性及給使用方便性帶來影響的問題，研究了兩種典型壓電式壓力傳感器對熱沖擊的抑制能力，獲取了兩類傳感器在爆炸試驗(yàn)中的工作特性，并遴選出在熱沖擊作用下工作較優(yōu)的傳感器作為超壓測試用傳感器。從另一個(gè)角度研究了如何抑制熱沖擊對沖擊波超壓測試的影響問題。

1 壓電式壓力傳感器的熱沖擊響應(yīng)原理

壓電式傳感器具有固有頻率高、性能穩(wěn)定、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，又沒有壓阻傳感器的光效應(yīng)，被越來越多地應(yīng)用在沖擊波超壓測試中[6]。壓電式壓力傳感器有高阻電荷輸出型和ICP型2種，高阻電荷型傳感器是將壓電材料受力產(chǎn)生的電荷直接輸出的傳感器，而ICP傳感器是將電荷轉(zhuǎn)換電路集成在傳感器內(nèi)部，產(chǎn)生的電荷直接轉(zhuǎn)換為電壓并將電壓輸出。ICP傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。除內(nèi)部沒有電荷轉(zhuǎn)換電路外，高阻電荷輸出型傳感器的結(jié)構(gòu)與ICP傳感器是類似的。

圖1 ICP傳感器內(nèi)部原理圖

從傳感器的結(jié)構(gòu)圖及壓電材料的特性可知：傳感器受到熱沖擊時(shí)，其輸出主要受兩方面的影響。一方面，傳感器壓電材料具有熱電效應(yīng)，在溫度變化時(shí)會產(chǎn)生一定的電荷量；另一方面為了提高傳感器的線性度和傳感器的固有頻率，一般前端膜片與壓電材料間都會采用預(yù)緊安裝方式，即空載時(shí)，壓電晶體仍然會受到一定壓力，當(dāng)溫度變化時(shí)，由于膜片與石英晶體的膨脹系數(shù)不一樣，膜片受熱膨脹的系數(shù)要遠(yuǎn)大于壓電材料的膨脹系數(shù)，壓電材料上的預(yù)載荷會減少，造成輸出電荷的變化。這兩種情況產(chǎn)生的電荷的極性是不同的[7]。對ICP傳感器來說，熱沖擊除了對壓電材料的熱電效應(yīng)及引起傳感器各個(gè)零件間膨脹系數(shù)不一外，溫度對電路元器件的影響也是很大的，所以在相同的溫度下，ICP傳感器熱響應(yīng)輸出比高阻電荷輸出型傳感器大。圖2為兩種傳感器快速投擲于80 ℃的水中時(shí)傳感器的輸出信號。圖2表明，ICP傳感器的溫度效應(yīng)比較明顯，而高阻電荷輸出型傳感器的熱輸出比較小。

圖2 高阻電荷輸出型和ICP傳感器熱輸出

2 空中爆炸自由場沖擊波超壓基本特征

爆炸時(shí)，可將爆炸氣體當(dāng)作理想氣體進(jìn)行處理，根據(jù)能量守恒、動(dòng)量守恒及質(zhì)量守恒定律及氣體狀態(tài)方程可得：

(1)

式中：p0為爆炸前空氣壓力，Pa；p1為爆炸后空氣壓力，Pa；T0為爆炸前空氣溫度，K；T1為爆炸后空氣溫度，K；k為空氣的比熱比，一般選擇1.4。

假設(shè)沖擊波到來前測試場地氣體設(shè)為靜止、均勻的空氣，則初始狀態(tài)為p0=105Pa、T0=288 K。據(jù)J.Henrych經(jīng)驗(yàn)公式[8]及式(1)計(jì)算得到不同對比距離下壓力峰值、正壓作用時(shí)間、溫度關(guān)系如表1所示。

3 熱沖擊實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

文中選用的ICP傳感器量程為100 psi(1 psi=6.895 kPa)，壓電傳感器量程可通過調(diào)整電荷放大器的放大倍數(shù)來使其最大輸出為100 psi，通過表1可知沖擊波測試時(shí)傳感器受到的溫度最高為650 K。組建的壓電式壓力傳感器的熱沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、熱風(fēng)槍、高阻電荷輸出傳感器、ICP傳感器、電荷放大器、恒流源、熱電偶和旋轉(zhuǎn)臺組成，試驗(yàn)現(xiàn)場照片如圖3所示。

表1 不同對比距離下壓力峰值、正壓作用時(shí)間、溫度關(guān)系

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)盤直徑為250 mm，離圓心L=100 mm處開一直徑為14 mm的孔，當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為f時(shí)，則該孔轉(zhuǎn)過傳感器時(shí)間t=d/(2πfL)。熱風(fēng)槍固定在旋轉(zhuǎn)臺上方，快速響應(yīng)K型熱電偶與兩個(gè)傳感器固定在一起且放在孔的正下方，熱風(fēng)的溫度由熱電偶測出。為了減小風(fēng)壓的影響，模擬爆炸時(shí)熱沖擊作用，將傳感器的敏感面與熱風(fēng)吹來的方向垂直。實(shí)測熱電偶輸出波形如圖4所示，傳感器在不同熱沖擊作用時(shí)間下的輸出信號幅值如圖5所示。

圖4 熱電偶輸出

圖5 不同作用時(shí)間下傳感器輸出

調(diào)整熱風(fēng)槍與旋轉(zhuǎn)盤的距離，使傳感器受到的溫度降低，調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)頻率使傳感器受到熱沖擊的時(shí)間不一致，其輸出不受溫度影響的時(shí)間將會變長。結(jié)果如圖6所示。

(a)560 K時(shí)傳感器輸出

(b)450 K時(shí)傳感器輸出圖6 不同作用時(shí)間下傳感器輸出

通過圖5、圖6可以看出：

(1)傳感器受到相同溫度影響的時(shí)間越短，傳感器的輸出將會越小，當(dāng)溫度作用時(shí)間小到某一值時(shí)，在這個(gè)溫度下傳感器將不會受到影響；

(2)傳感器在作用時(shí)間相同時(shí)溫度越低，傳感器的輸出將會越小，當(dāng)溫度小到某一值時(shí)，傳感器在該溫度下輸出可以忽略不計(jì)；

(3)高阻電荷型輸出壓力傳感器的抗熱沖擊的性能明顯優(yōu)于ICP傳感器；

(4)由于傳感器輸出隨作用時(shí)間的增大而增加，因此，當(dāng)作用時(shí)間過長時(shí)，兩種傳感器都不能不經(jīng)防護(hù)直接使用。

4 結(jié)論

在藥量為500 kg以內(nèi)，對比距離大于1.06時(shí)，使用高阻電荷輸出的壓電式傳感器測試沖擊波最大誤差在1%以內(nèi)，而在100 kg以內(nèi)，對比距離大于1.06時(shí)，使用ICP型傳感器測試沖擊波最大誤差在1%以內(nèi)。高阻電荷輸出的壓電式傳感器溫度特性明顯優(yōu)于ICP型傳感器，在沖擊波超壓存儲測試中優(yōu)先推薦采用高阻電荷輸出的壓力傳感器，對爆炸沖擊波的熱沖擊可進(jìn)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] 熊祖釗，白春華，劉長林.FAE武器爆炸狀態(tài)場壓力場測試方法研究.火炸藥學(xué)報(bào)，2002，25(1):2-3.

[3] 姬建榮.有限空間內(nèi)爆炸對效應(yīng)物熱作用的實(shí)驗(yàn)研究：[學(xué)位論文].西安：西安近代化學(xué)研究所，2008.

[4] 吳松，陳宏，谷笳華，等.一種壓電壓力傳感器的防熱方法.科學(xué)通報(bào)，2007，52:866-869.

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

作者簡介：狄長安(1973—)教授，主要研究方向?yàn)橹悄軅鞲衅骷皽y試技術(shù)、特種測試技術(shù)、生物醫(yī)療儀器等。 E-mail：dica 3 @sina.com

《儀表技術(shù)與傳感器》入編

《中文核心期刊要目總覽》2014年版

依據(jù)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的原理和方法，經(jīng)研究人員對相關(guān)文獻(xiàn)的檢索、統(tǒng)計(jì)和分析，以及學(xué)科專家評審，《儀表技術(shù)與傳感器》入編《中文核心期刊要目總覽》2014年版(即第七版)之機(jī)械、儀表工業(yè)類核心期刊。

《中文核心期刊要目總覽》已于1992年、1996年、2000年、2004年、2008年、2011年出版過六版?！秲x表技術(shù)與傳感器》期刊已連續(xù)七次入編《中文核心期刊要目總覽》。

評選核心期刊的工作，是運(yùn)用科學(xué)方法對各種刊物在一定時(shí)期內(nèi)所刊載論文的學(xué)術(shù)水平和學(xué)術(shù)影響力進(jìn)行綜合評價(jià)的一種科研活動(dòng)。

對核心期刊的評價(jià)采用定量評價(jià)和定性評審相結(jié)合的方法。定量評價(jià)指標(biāo)體系采用了被索量、被摘量、被引量、他引量等12個(gè)評價(jià)指標(biāo)，選作評價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)源的數(shù)據(jù)庫及文摘刊物達(dá)到50余種，統(tǒng)計(jì)到的文獻(xiàn)數(shù)量共計(jì)65億余篇次，涉及期刊14728種。參加核心期刊評審的學(xué)科專家達(dá)3700多位。經(jīng)過定量篩和專家定性評審，從我國正在出版的中文期刊中評選出1983種核心期刊。

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—)，講師，碩士，研究方向?yàn)槠嚺欧盼餀z測與控制。E-mail：13623701269@163.com 朱凱(1971—)，教授，研究方向?yàn)閯?dòng)力設(shè)備故障診斷。 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