瞬態(tài)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(nèi)外高膛壓火炮技術的發(fā)展，電測膛壓已超過600 MPa，而膛內(nèi)壓力曲線的測試是研究火炮內(nèi)彈道與裝藥結(jié)構(gòu)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(nèi)現(xiàn)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(fā)射及高壓密閉爆發(fā)器燃燒過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)高壓、高溫環(huán)境下進行動態(tài)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(xiàn)了在高、低、常溫狀態(tài)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(fā)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?shù)淖饔茫籖3，R4為固定電阻；VB為外加電壓。當環(huán)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(tài)。

當傳感器上存在壓力時，其內(nèi)部壓敏電阻將發(fā)生形變，使得R1的阻值變?yōu)镽1+ΔR1，Wheatstone電橋失去平衡，產(chǎn)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(fā)生變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生的電壓輸出為ΔR應力應變產(chǎn)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(zhuǎn)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(jié)果。

瞬態(tài)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(nèi)，當用于壓力測量時，腔內(nèi)注滿介質(zhì)油，所有敏感元件浸在一個全部密閉的腔體內(nèi)，壓力通過介質(zhì)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(shù)值均發(fā)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(nèi)部原子間距縮小，改變了原來的排列狀態(tài)，這種排列狀態(tài)的改變使電阻率也發(fā)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(xiàn)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(shù)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(tài)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(jié)構(gòu)設計及敏感元件制作

2.1 本體結(jié)構(gòu)設計

為了使傳感器具有通用性和互換性，設計瞬態(tài)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(jié)構(gòu)如圖2所示，實物如圖3所示。

圖2 超高壓壓阻式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 超高壓壓阻式傳感器實物圖

設腔體內(nèi)承受的最大壓力為800 MPa，選取安全系數(shù)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(nèi)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(jié)果可以看出，傳感器結(jié)構(gòu)強度滿足最大膛壓800 MPa的使用要求。經(jīng)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(tài)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(jié)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(nèi)，端面用環(huán)氧樹脂膠固化。

3 標定與試驗

標定時利用標準儀器產(chǎn)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(shù)據(jù)或曲線。靜態(tài)標定量信號不隨時間變化的靜態(tài)標準下，對傳感器的靜態(tài)特性如非線性、靈敏度等指標進行檢定。動態(tài)標定主要是研究傳感器的動態(tài)響應。

3.1 靜態(tài)標定

按國軍標對環(huán)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(xù)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(tài)標定[6]，標定結(jié)果見表1。

表1 靜態(tài)標定結(jié)果

注：標定結(jié)果P=a+bN。

從計算結(jié)果可看出，在高、低、常溫狀態(tài)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(tài)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(tài)標定

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

表2 動態(tài)標定結(jié)果

圖4 動態(tài)標定壓力-時間曲線

從壓力曲線可以看出，瞬態(tài)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(tài)試驗

將裝配好的瞬態(tài)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(fā)器裝置上進行動態(tài)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到試驗曲線，如圖5所示。試驗結(jié)果表明，瞬態(tài)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(tài)試驗壓力-時間曲線

瞬態(tài)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(nèi)壓力-時間曲線

4 總結(jié)

闡述了瞬態(tài)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(tài)、動態(tài)標定以及動態(tài)試驗結(jié)果可以看出其性能穩(wěn)定，在高、低、常溫狀態(tài)下非線性誤差均不大于0.5%，靈敏度高，能夠承受瞬態(tài)高溫、高壓環(huán)境，實現(xiàn)對0～800 MPa動態(tài)壓力測試。該傳感器可促進國內(nèi)高膛壓火炮技術發(fā)展，特別是可應用于大口徑高膛壓、高初速火炮內(nèi)彈道與發(fā)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(yè)出版社,1989.

[2] 傘海生,宋子軍,王翔,等.適用于惡劣環(huán)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(yè)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(tài)與準靜態(tài)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.