用于測量水中爆炸壓力的傳感器設計

引 言

　　為了測量炸藥在水中的爆炸壓力，因測量介質(zhì)與常規(guī)測量的不同，測量環(huán)境比較惡劣，所以，對傳感器就要有一些特殊的要求：首先，傳感器要有較高的頻率響應，水下爆炸的壓力是一個高速變化的過程；其次傳感器要有較強的抗干擾能力，以便減小測量誤差，提高測試精度；再者，傳感器要有足夠的強度、良好的密封性能和較強的防腐蝕能力。因此，以電氣石為敏感元件的傳感器則被應用于水中爆炸壓力的測量。由于在水中爆炸壓力的測量中，傳感器的基本性能指標為：測量范圍上限為250MPa；測量精度≤2％FS；上升前沿≤2.5μs。根據(jù)系統(tǒng)性能指標要求，確定了用于水中爆炸壓力測量傳感器的結構，同時，克服了選材和工藝方面的技術難題。

　　1 傳感器的選材及其結構

　　1.1 敏感元件材料的選擇

　　敏感元件是傳感器的關鍵元件，因為它決定著傳感器的原理和特性。因此，是傳感器結構設計時首先要考慮的問題。根據(jù)測試對象，對炸藥在水中爆炸產(chǎn)生的壓力進行測量，故采用壓電式壓力傳感器。所以，敏感元件選用壓電晶體，壓電晶體種類較多，如，石英、電氣石、鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇等，根據(jù)幾種常用的壓電晶體性能，由于電氣石晶體具有體壓電效應的特點，而且，國內(nèi)外在對炸藥在水中爆炸產(chǎn)生的壓力進行測試時，均采用電氣石晶體作為壓電式壓力傳感器的敏感元件，所以，敏感元件材料選擇電氣石晶體。

　　1.2 傳感器的結構及工作原理

　　水中爆炸壓力傳感器的結構如圖1所示。

　　該傳感器以具有壓電效應的電氣石為敏感元件，內(nèi)部填充硅油，采用高絕緣密封膠進行密封。工作時，將傳感器放入水下離爆炸源一定的距離，當炸藥爆炸后產(chǎn)生的壓力通過水，以沖擊波的形式向各個方向傳播，電氣石晶體將感受到的壓力信號轉換成的電信號，從而實現(xiàn)能量的轉換。

　　2 傳感器的性能檢測

　　2.1 傳感器的靜態(tài)標定

　?。?）標定設備：傳感器的校準設備為JS-2500（250MPa）活塞壓力計；準確度等級為0.02。

　?。?）標定方法：采用加載法，每個傳感器預壓3遍后開始校準，校準3次取平均值，按最小二乘直線法計算得出傳感器的靜態(tài)靈敏度、非線性靜態(tài)標定結果見表1。

　　由表1標定的結果得出：MCRI傳感器的非性為1.36％。靈敏度為26.12pC/MPa。

　　2.2 動態(tài)標定