基于環境因子的火炮膛壓測試儀校準裝置

張 瑜，祖 靜，張紅艷，馬鐵華

（1.中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

放入式電子測壓器（以下簡稱測壓器）用于火炮膛壓測試，使用時放在藥筒底部或藥室內［1］，自動測量射擊時火炮的膛底壓力，射擊試驗后回收讀取測試數據。它主要由壓電式壓力傳感器、數據采集存儲電路、電池及高強度殼體組成。

目前，動態壓力測試系統的標定都是在實驗室條件下實施的。先用油壓標定機標定傳感器，得到傳感器的靈敏度系數（單位pC／MPa）；用電荷校準儀標定數據采集與存儲電路，得到電路靈敏度系數（單位pC／b）；再用電路靈敏度除以傳感器靈敏度，得到系統靈敏度（單位 MPa／b）。壓力傳感器的動態標定可以采用激波管校準法或落錘法［2］，激波管和落錘動壓發生器被美國軍方推薦為主要校準設備。現有的動態壓力校準裝置只能對壓力傳感器進行校準，不能對測試系統整體進行校準，不考慮測試環境的影響。

用靜態標定的測壓器測量火炮膛壓，在彈重和裝藥量等條件相同的情況下測得的壓力峰值散布很大，根據彈丸初速以及銅柱測壓器所測壓力峰值數據可知實際火炮膛內壓力不會有如此大的散布。分析其原因，主要是在實測過程中測壓器受到高溫、高壓、高沖擊和腐蝕等環境力的作用，其系統特性發生了改變，具體表現為傳感器底座的變形、熱沖擊等引起的傳感器特性改變，電路特性的改變等。為了提高膛壓測量精度，采用環境因子校準方法，對現有模擬膛壓發生器校準裝置進行了改進，建立了校準系統。

1 原校準裝置與環境因子校準思想

測壓器的校準原來使用模擬膛壓發生器校準裝置［3］，該裝置用來產生火炮發射時膛內的高溫和高壓環境，產生的單次性壓力信號幅值在150～400 MPa，脈寬在10～50ms，上升時間小于2ms。現有的校準裝置操作復雜，產生的壓力幅值不能滿足800MPa量程測壓器的校準需要。該量程測壓器用于高膛壓火炮膛壓測試，高膛壓火炮的膛壓可達750MPa。因此急需改進模擬膛壓發生器校準裝置。

在動態參量的測試過程中，要求測試用的傳感器或測試儀器放置到被測體中或被測環境中，在被測體或被測環境實際運動的過程中實時實況地測取其動態參數［3］。測試系統將受到與被測對象相同的極端惡劣的環境力的作用。測試系統對測試環境激勵的響應定義為環境因子。

測試精度是動態參量測試的關鍵問題，為了確保測試結果的準確、可靠，減小測試環境對測試系統精度的影響，文獻［4］最早提出了環境因子校準的概念，研究了壓電晶體壓力傳感器靈敏度在低溫環境下的變化規律。文獻［5］提出了在模擬應用環境下校準測試系統的理念：通過研制環境模擬裝置，模擬實際測試環境，使測試系統在與其工作環境相同或相近的環境中進行校準，獲得其在實測環境下的工作特性。

2 校準系統的組成及工作原理

模擬應用環境的校準系統組成如圖1、圖2所示，主要由模擬膛壓發生器、標準檢測系統及高低溫實驗箱組成。

圖1 模擬應用環境的校準系統組成Fig.1 System composition of environmental factors alibration system for the internal electronic pressure gauge

圖2 標準壓力傳感器與被校準測壓器的安裝位置示意圖Fig.2 Installation diagram of standards pressure sensors and linternal electronic pressure gauge

改進后的模擬膛壓發生器產生的壓力信號幅值在80～800MPa，脈寬在10～20ms，上升時間小于2ms。

標準測壓系統由數據處理系統、3個Kistler6215型電荷放大器、3個Kistler6213BK型標準壓力傳感器、多通道數據采集系統組成。3個標準壓力傳感器和3個電荷放大器一一配套后經國防高壓計量一級站進行溯源性校準。標準測壓系統的基本誤差小于滿量程的0.05%。

高低溫實驗箱用來對被校準的測壓器進行保溫。在校準試驗前測壓器要按照火炮內彈道試驗方法國軍標保高溫、低溫或常溫48h［6］。

測壓器的校準采用環境因子校準方法，模擬膛壓發生器是環境模擬裝置，實現對火炮膛壓測試時高溫高壓環境的模擬，能承受800MPa高壓和2 000℃瞬時高溫，在模擬膛壓發生器端部與測壓器相對的端蓋上安裝3個標準壓力傳感器，校準時預先將測壓器保溫48h，再迅速放入模擬膛壓發生器內，然后放入含有電點火頭、點火藥和發射藥的藥包，最后通過點火裝置點燃發射藥（約100～150g），這樣在模擬膛壓發生器的腔體內產生了與火炮膛內相似的高溫高壓環境，產生的壓力同時作用在標準壓力傳感器和被校準的測壓器上。標準壓力傳感器與測壓器同時采集信號，信號記錄完后，由計算機讀出測壓器數據。每個測壓器要在常溫、低溫、高溫條件下各校準8次，把測壓器數據和標準系統數據一起進行數據處理［4－5］，得到被校準測壓器的工作特性方程：y＝b＋k×x，其中：y是該保溫條件下某采樣點的壓力值，單位是MPa；b是該保溫條件下的截距，單位是MPa；k是該保溫條件下的靈敏度，單位是MPa／b；x是測壓器某采樣點的比特值，即AD轉換器輸出的數字量值。

表1 實測火炮膛壓信號的特征參數Tab.1 The character parameters of the real chamber pressure signals

表2 泄壓膜片厚度、裝藥量、最大壓力值對照表Tab.2 Comparison table of diaphragm plate、charge amounts and maximum pressure

3 模擬應用環境校準的合理性分析

3.1 模擬膛壓發生器火藥燃燒與火炮實射膛壓過程對測壓器的作用具有相似性

表1是實測和調研獲得的各類炮種的壓力上升時間及壓力脈寬。從表1可以看出膛壓峰值小于600MPa，壓力上升時間最快的是1.3ms，大多數都在3～4ms內。壓力持續時間在10～30ms內。

通過改變泄壓膜片厚度和裝藥量可以使模擬膛壓發生器產生不同壓力幅值的壓力信號。表2是模擬膛壓發生器的泄壓膜片厚度、裝藥量與產生的最大壓力值之間的對照表。由表2可知，當裝藥量相同時，模擬膛壓發生器所產生的最大壓力值隨著膜片厚度的增加而增大。當膜片厚度相同時，最大壓力值隨著裝藥量的增加而增大。

圖3為加農炮的實測膛壓曲線及頻譜特性，峰值壓力是288MPa，圖4為模擬膛壓發生器壓力－時間曲線及頻譜特性，峰值壓力是470MPa，上升時間1.82ms，脈寬14ms。比較模擬膛壓發生器產生的壓力曲線與實測火炮的膛壓曲線，可以看出兩者產生的壓力信號有效頻率均在5kHz以內，壓力上升時間均在2～6ms內，壓力信號的持續時間都在10～30ms之間。

圖3 加農炮的膛壓曲線及頻譜特性Fig.3 The chamber pressure curve and spectrum curve of cannon

圖4 模擬膛壓發生器壓力－時間曲線及頻譜特性Fig.4 The pressure curve and spectrum curve of the simulation chamber pressure generator

模擬膛壓發生器火藥燃燒瞬態高溫對測壓器的作用與火炮發射時的作用相近。根據火藥氣體的狀態方程［7］，有

式（1）中，p為火藥燃燒產生的壓強；R為火藥氣體常數，R＝p0ω1／273；T為火藥燃燒的溫度；ω為火藥氣體的比容；b為火藥氣體的分子容積；p0為標準狀態一個大氣壓值1.033kg／cm2；ω1為標準狀態下1kg火藥燃燒生成物的容積。

由式（1）可以看出，火藥燃燒符合氣體狀態方程，溫度是壓力的線性函數。在模擬膛壓發生器中和火炮膛內相近火藥示性數的火藥燃燒的過程中壓力相當時燃氣溫度對電子測壓器的作用也相當。因此，動態校準的過程能夠比較確切地反映測壓器在炮膛內高溫高壓環境下的動態特性。

3.2 校準時3個標準系統與被校測壓器測量的是同一個局部環境的壓力過程

對同一動態過程進行測量，要求不同測試系統所測波形相似程度高，相對能量誤差小，即所測波形相關系數應接近1。

1）3個標準系統所測壓力曲線與平均壓力曲線的相關系數在0.999以上。

式（2）中，xstmean為3個標準壓力的平均壓力曲線；xsti為3個標準壓力系統的壓力曲線，i＝1，2，3。

相關系數可以表示動態測量時相對誤差的大小，接近1則波形相似程度高，相對誤差小；接近0則波形相似程度低，相對誤差大。

從大量動態校準數據分析得出，校準系統中的3套測試系統彼此間的相關系數最低為0.999 93，波形相似程度極高，說明測試系統相對動態誤差很小，3套標準系統受同一壓力源激勵。

2）被校準測壓器所測壓力曲線與標準系統的平均壓力曲線的相關系數在0.999以上。

對于測壓器的校準，不僅要求3套標準系統間應具有良好的相關性，而且要求3套標準系統所測壓力值的平均壓力曲線和被校準測壓器所測壓力曲線間具有良好的相關性。

式（3）中，ycald（t）為被校準測壓器的輸出信號，xcald（t）為解算出的被校準測壓器壓力信號。

從大量動態校準數據分析看出，3套標準系統所測壓力值的平均壓力曲線和被校準測壓器所測壓力曲線相關系數最低為0.999 4。

3.3 標準系統的溯源性校準

3套標準測壓系統經過到高壓力計量一級站進行靜態特性的溯源，由于傳感器是整個標準測試系統中動態特性最差的薄弱環節，因此標準測試系統動態特性溯源校準的關鍵就是壓力傳感器的動態溯源校準，傳感器的動態校準采用準δ校準方法。采用自行研制的準δ校準裝置對標準傳感器的動態特性進行了測定［8－9］，得到了壓力傳感器的頻率響應特性。用這樣經過動態特性溯源性校準的標準系統在模擬火炮膛內環境中來校準測壓器，能夠確保測壓器的測試精度。

3.4 提高測壓器可靠性

測壓器在校準前要在高溫或低溫實驗箱內保溫48h，然后再校準其低溫和高溫的系統靈敏度。這樣就避免了環境溫度變化對測壓器性能的影響。每一個電子測壓器要經過24次以上的動態校準試驗，校準實驗也能夠對其可靠性進行考核，可有效剔除測壓器的早期失效，及時發現和剔除不合格產品，確保了測壓器在實際使用中不出現可靠性問題。

4 對比試驗

表3中列出了同一個測壓器用靜態標定方法和模擬應用環境校準方法獲得的靈敏度系數，靜態環境下校準的測壓器常低溫靈敏度系數與模擬應用環境校準的測壓器常低溫靈敏度系數不相同，有的甚至相差很大，但總的趨勢是模擬應用環境校準的靈敏度系數中k值都比在靜態環境相同溫度條件下校準的靈敏度系數的k值小。

經過模擬應用環境校準的測壓器在靶場火炮上進行了膛壓測試，測試數據見表4。用靜態標定方法標定的測壓器的測試數據散布較大，根據彈重、彈丸初速以及銅柱測壓器所測壓力峰值分析得出實際火炮膛內壓力不會有如此大的散布。經模擬應用環境校準的測壓器測試數據穩定性好，散布小，置信度高。

表3 靜態校準和模擬應用環境校準獲得的測壓器靈敏度系數對比Tab.3 The sensitivity contrast between static calibration method and environmental factors calibration method

表4 實炮測試數據Tab.4 Real gun test data

5 結論

本文提出了改進的模擬膛壓發生器校準裝置。該校準系統由模擬膛壓校準裝置、標準檢測系統及高低溫實驗箱組成，采用環境因子校準方法，可對火炮膛壓測試儀實施校準。能夠模擬火炮發射時炮膛內的高溫和高壓環境，產生單次性壓力信號。利用建立的校準系統對測壓器實施了校準，這種校準是在與實際使用環境相同的高壓、高溫環境下進行的動態校準，校準得到的系統工作特性更能代表其在實測環境下的工作特性。理論分析與對比試驗結果表明：測壓器在模擬應用環境下校準的方法是合理的，靜態標定方法和模擬應用環境校準方法獲得的測壓器靈敏度系數不同，實炮測試數據表明經模擬應用環境校準后的測壓器測試數據穩定性好，置信度高。能夠為身管武器的設計、生產和驗收實踐提供可靠的數據依據。這種校準方法也可以推廣應用到其他動態測量系統。

［1］李新娥，祖靜，馬鐵華.一種新型電容式壓力傳感器的研究［J］.兵工學報，2011，32（4）：478－481.LI Xin＇e，ZU Jing，MA Tiehua.Study on a novel capacitive pressure sensor［J］.Acta ArmamentarII，2011，32（4）：478－481.

［2］JJG 624—2005動態壓力傳感器［S］.北京：中國計量出版社，2006.

［3］張志英.環境因子校準技術研究［D］.太原：中北大學信息與通信工程學院，2009.

［4］張志杰.動態測試中單次性過程測試數據置信度研究［D］.北京：北京理工大學，1998.

［5］祖靜，張志杰，裴東興.新概念動態測試［J］.測試技術學報，2004，18（6）：1－4.ZU Jing，ZHANG Zhijie，PEI Dongxing.New concept of dynamic test［J］.Journal of Test and Measurement Technology，2004，18（6）：1－4.

［6］GJB 2973A—2008火炮內彈道試驗方法［S］.北京：總裝備部軍標出版發行部，2008.

［7］金志明.槍炮內彈道學［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［8］ZHUANG Haihan，FAN Shangc，ZHAN Sheguo，et al.Dynamic characteristics analysis of vibrating cylinder pressure trans－ducers［J］.Sensors and Actuators A，2010，157（2）：219－227.

［9］ZU Jing，MA Tiehua.Implantation dynamic testing and calibration techniques［C］／／Proceedings of IEEE International Instrumentation and Measurement Technology，Canada：IEEE，2008：1 663－1 666.