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 传感器的选材及其结构

　　1.1 敏感元件材料的选择

　　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 传感器的结构及工作原理

　　水中爆炸压力传感器的结构如图1所示。

 

　　该传感器以具有压电效应的电气石为敏感元件，内部填充硅油，采用高绝缘密封胶进行密封。工作时，将传感器放入水下离爆炸源一定的距离，当炸药爆炸后产生的压力通过水，以冲击波的形式向各个方向传播，电气石晶体将感受到的压力信号转换成的电信号，从而实现能量的转换。

　　2 传感器的性能检测

　　2.1 传感器的静态标定

　　（1）标定设备：传感器的校准设备为JS-2500（250MPa）活塞压力计；准确度等级为0.02。

　　（2）标定方法：采用加载法，每个传感器预压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得出传感器的静态灵敏度、非线性静态标定结果见表1。

 

　　由表1标定的结果得出：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的结果可以得出：传感器的非线性为0.17％；平均灵敏度为123.76mV/MPa。

　　由静态和动态标定得到的传感器的非线性值不一样，这是因为当传感器的绝缘电阻不是很高时，在静态标定中，由于加载时间较长，传感器会产生一定的零漂，从而影响传感器的线性指标；另外，动态标定使用的设备，由于密封的问题，标定只能到达29MPa的压力，远低于量程上限，所以，动态标定的非线性比静态标定的非线性指标高。

　　3 水池试验

　　（1）试验条件：水池直径为85m，深度为15m；爆炸源为RS211，重量为1.01kg；传感器安装深度为5m，离爆炸源水平距离为3m。

　　（2）试验方法：试验时，将研制的传感器及测试系统与美国PCB公司的138型激波传感器和专用的信号采集装置同时进行测量对比。试验波形曲线如图2所示。传感器的爆炸冲击波能及气泡能测试测试数据见表3。

 

 

　　

从传感器的冲击波能及气泡能测试波形曲线，得到MCRI 5#，MCRI 6#的冲击波形上升前陡峭，抗干扰能力强，与美国PCB公司生产的 PCB138-1传感器测量结果的比较，获得的冲击波波形基本一致。总之，由测试结果可以证时：获得的冲击波波形基本一致。

　　4 结束语

　　通过对研制的MCRI型传感器进行静态、动态压力的标定及水池试验，与美国PCB公司同类产品进行比对的结果表明：该水中爆炸压力传感器的设计方案正确，上升前沿、灵敏度、精度等技术指标均达到使用要求，且使用方便、节约成本，适合于水中爆炸压力的测量。