瞬態超高壓壓阻式傳感器技術研究

張敏華，胡曉紅，王育維，屈潔，張薇薇

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

0 引言

隨著國內外高膛壓火炮技術的發展，電測膛壓已超過600 MPa，而膛內壓力曲線的測試是研究火炮內彈道與裝藥結構及火炮性能的重要手段[1]。一般用于火炮膛壓測試的主要有壓阻式、應變式和壓電式傳感器。而國內現有的壓阻[2]或應變式傳感器最高測量壓力只達到400 MPa，壓電式傳感器測量壓力雖達到1000 MPa，但其來源主要依靠進口，價格高、配件昂貴，在使用上也受到各種條件影響(如濕度、電纜、裝配方式等)，不適合用于高膛壓火炮測試。本文提出一種適用于高膛壓火炮及高壓密閉實驗裝置膛壓-時間(P-t)曲線測試所用的超高壓壓阻式傳感器，能夠在火炮發射及高壓密閉爆發器燃燒過程中產生的瞬態高壓、高溫環境下進行動態壓力測量，測量范圍達到0～800 MPa。該傳感器選用具有良好壓阻效應的硅鍺錳銅絲作為敏感元件材料，通過改進制作工藝和裝配方式，實現了在高、低、常溫狀態下非線性誤差均不大于0.5%的性能，而且傳感器靈敏度高、體積小、安裝靈活方便，不受安裝位置的影響，可廣泛應用于高膛壓火炮及高壓密閉爆發器試驗裝置的壓力測試與研究。

圖1 壓阻式壓力傳感器工作原理圖

1 工作原理

所研究的傳感器采用壓阻式壓力傳感器工作原理[3]，如圖1所示。將阻值相同的四個電阻連接成Wheatstone電橋。其中R1為壓阻傳感器；R2為補償電阻，起溫度補償的作用；R3，R4為固定電阻；VB為外加電壓。當環境溫度改變時，補償電阻與測量電阻阻值同比例改變，使橋路輸出不受影響[4]。

Wheatstone電橋電路的輸出

(1)

當傳感器不受力時，電阻值滿足關系式R1R3=R2R4，電路的輸出為零，因此在設計中，要求R1=R2=R3=R4=R，也即俗稱的等臂電橋，在無外應力時電橋處于平衡狀態。

當傳感器上存在壓力時，其內部壓敏電阻將發生形變，使得R1的阻值變為R1+ΔR1，Wheatstone電橋失去平衡，產生輸出

(2)

代入R1=R2=R3=R4=R，且ΔR1=ΔR,由ΔR/(2R)?1可得

(3)

此時壓力傳感器輸出電壓V0正比于電阻的增量ΔR，電阻值發生變化，電橋失去平衡，產生的電壓輸出為ΔR應力應變產生電阻增量的電壓值，通過電橋電路把電阻絲的電阻變化轉換成電壓的輸出，然后提供給放大器電路放大后即可得到測試結果。

瞬態超高壓壓阻式傳感器以硅鍺錳銅電阻絲作為敏感元件[5]，敏感元件安裝在傳感器壓力腔內，當用于壓力測量時，腔內注滿介質油，所有敏感元件浸在一個全部密閉的腔體內，壓力通過介質油傳遞到敏感元件周圍，其受力處處相等，此時電阻絲的有關參數值均發生變化，引起電阻R的變化，即

(4)

式中：ρ為金屬絲電阻率；L為金屬絲長度；S為金屬絲的截面積。

在周圍壓力均勻作用下，金屬內部原子間距縮小，改變了原來的排列狀態，這種排列狀態的改變使電阻率也發生變化，而L和S的變化十分微小，敏感元件在壓力作用下直接呈現電阻率變化。因此，式(4)可近似寫成

(5)

電阻R的變化由電阻率ρ的變化決定，而電阻率ρ是隨壓力和溫度而變化的，硅鍺錳銅合金的溫度系數小，溫度對電阻值的影響非常小，具有良好的壓阻效應，因此該瞬態超高壓壓阻式傳感器壓力的變化與硅鍺錳銅絲電阻率的變化成正比。

2 結構設計及敏感元件制作

2.1 本體結構設計

為了使傳感器具有通用性和互換性，設計瞬態超高壓壓阻式傳感器安裝尺寸為M10×1，總長30 mm，密封面采用平面加斜面的自緊密封方式。其結構如圖2所示，實物如圖3所示。

圖2 超高壓壓阻式傳感器結構示意圖

圖3 超高壓壓阻式傳感器實物圖

設腔體內承受的最大壓力為800 MPa，選取安全系數ns=1.1，該傳感器本體選擇高強度馬氏體特種時效鋼，其抗拉極限為σb=2060 MPa，屈服極限為σs=1990 MPa，腔體內徑為r1=2×2.25 mm，外徑為r2=2×4.35 mm，按照第二強度理論計算腔體可承受的壓力為

(6)

從計算結果可以看出，傳感器結構強度滿足最大膛壓800 MPa的使用要求。經過反復的加壓試驗，該傳感器能夠承受800 MPa的高壓。

2.2 敏感元件制作

敏感元件作為該瞬態高壓壓阻式傳感器的核心部件，制作工藝如下：兩根接線柱從陶瓷錐塞通孔穿過，兩端各留一定的長度，并用高強度絕緣膠密封固化后作為傳感器的兩個極,一端焊接導線作為傳感器兩個極的引出線，另一端兩根接線柱的根部焊接事先準備好的硅鍺錳銅絲，在電阻絲二分之一長度處打結系一根棉線，之后將電阻絲從接線柱的頂端往下均勻纏繞，棉線亦均勻纏繞于電阻絲之上捆扎固定，起保護作用。此時測量引出線保證其電阻為120 Ω。裝配時，在錐塞錐體的外部涂抹高強度絕緣膠，使錐塞的錐面和本體的錐面充分接觸并固化。將頂螺旋入，導線穿進套管進入頂螺的中心孔內，端面用環氧樹脂膠固化。

3 標定與試驗

標定時利用標準儀器產生已知的非電量并輸入到待標定的傳感器中，然后將傳感器輸出量與輸入量的標準量做比較，獲得一系列校準數據或曲線。靜態標定量信號不隨時間變化的靜態標準下，對傳感器的靜態特性如非線性、靈敏度等指標進行檢定。動態標定主要是研究傳感器的動態響應。

3.1 靜態標定

按國軍標對環境試驗樣的要求，將3只超高壓壓阻式傳感器封裝好置于保溫設備中，分別在低溫-40 ℃、高溫+50 ℃、常溫20 ℃中連續保溫12 h以上，迅速取出安裝在3級標準的YU-1000活塞式壓力標定機上進行等壓力間隔靜態標定[6]，標定結果見表1。

表1 靜態標定結果

注：標定結果P=a+bN。

從計算結果可看出，在高、低、常溫狀態下傳感器的非線性誤差均不大于0.5%，其靈敏度基本不變[7]。表明此瞬態超高壓壓阻傳感器所用的敏感元件對溫度變化不敏感，具有溫度互補功能，不會引起輸出特性(靈敏度)的波動。

3.2 動態標定

采用落錘式動態壓力標定機Kistler6909對瞬態超高壓壓阻式傳感器和Kistler6215型壓電傳感器進行動態對比標定，標定結果見表2，動態標定曲線如圖4所示。

表2 動態標定結果

圖4 動態標定壓力-時間曲線

從壓力曲線可以看出，瞬態超高壓壓阻式傳感器與壓電傳感器所測曲線趨勢完全一致，但壓電傳感器具有更高的頻響，所測曲線壓力上升時間快。

3.3 動態試驗

將裝配好的瞬態超高壓壓阻式傳感器與Kistler6215型壓電傳感器同時安裝在200 ml高壓密閉爆發器裝置上進行動態試驗，試驗采用雙芳3-16/1標準藥，裝填密度Δ=0.2 g/cm3，通過DEWE3010數據采集系統得到試驗曲線，如圖5所示。試驗結果表明，瞬態超高壓壓阻式傳感器與Kistler6215型壓電傳感器所測壓力值一致，其誤差不超過0.5%。

圖5 動態試驗壓力-時間曲線

瞬態超高壓壓阻式傳感器用于某大口徑高膛壓火炮上的壓力測試，實測膛底和坡膛壓力-時間曲線，如圖6所示。火炮實彈射擊試驗所測曲線平滑，抗干擾能力強。

圖6 實測膛內壓力-時間曲線

4 總結

闡述了瞬態超高壓壓阻式傳感器的工作原理和設計思路，著重闡述了敏感元件制作工藝及裝配方式，從靜態、動態標定以及動態試驗結果可以看出其性能穩定，在高、低、常溫狀態下非線性誤差均不大于0.5%，靈敏度高，能夠承受瞬態高溫、高壓環境，實現對0～800 MPa動態壓力測試。該傳感器可促進國內高膛壓火炮技術發展，特別是可應用于大口徑高膛壓、高初速火炮內彈道與發射裝藥技術研究，且具有廣闊的市場前景。

[1] 曹萬有,張文柱,王道洪.高膛壓火炮技術[M].北京:國防工業出版社,1989.

[2] 傘海生,宋子軍,王翔,等.適用于惡劣環境的MEMS壓阻式壓力傳感器[J].光學精密工程,2012(3):550-555.

[3] 孟麗凡,鄭賓.傳感器原理與技術[M].北京:兵器工業出版社,1999.

[4] 閆文靜,張鑒,高香梅.壓阻式壓力傳感器性能的研究[J].傳感器世界,2012，18(2):14-17.

[5] 冷瑩瑩.超高壓錳銅電阻壓力計的研制[D].天津:天津大學,2012.

[6] 狄長安,孟祥明,邊鵬,等.高壓壓電傳感器靜態與準靜態校準方法研究[J].彈道學報,2014,26(2):86-105.

[7] 韓銳銳,張兆華,任天令,等.壓阻式壓力傳感器靈敏度與線性度的仿真方法[J].微納電子技術,2012,49(2):96-101.