概述

水下壓力測試是基于國防軍工要求而產(chǎn)生的,由于水中特殊的環(huán)境狀況:1、水下傳感器安裝比較困難,通用壓力傳感器具有方向性,爆炸壓力測試要求傳感器敏感面正對爆心,一般的傳感器在水中無法固定安裝,特別是在海洋水流環(huán)境中難以達到,故要求傳感器能接受來自任何方向的瞬態(tài)壓力波信號。2、由于水的信號傳播速度遠大于空氣,要求傳感器的諧振頻率要大于600KHz,普通壓力傳感器的諧振頻率只有200KHz,用普通壓力傳感器根本無法實現(xiàn)這二個要求。

 炸藥在水中的爆炸的壓力,由于水介質(zhì)與常規(guī)測量的空氣傳輸不同,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。

傳感器的基本性能指標應該為:測量范圍>100MPa;測量精度≤2%FS;上升前沿≤2.5μs;傳感器要具有良好的防水性能;要便于水下安裝放置;傳感器要具有電荷型和IEPE型供選擇。根據(jù)以上系統(tǒng)性能指標的要求,確定了用于水中爆炸壓力測量傳感器的設計思路。

技術指標及機構(gòu)的確定

◆敏感元件壓電晶體及工作原理

在水下爆炸測試中,爆炸壓力是衡量爆炸威力的重要指標,核爆化爆、炸彈等火工品因自身性能或使用藥量不同而產(chǎn)生的能量不同,水下自由場壓力傳感器就是將爆炸產(chǎn)生的能量和對被測構(gòu)件的損壞程度用電壓值及頻率反應出來。為了能采集爆炸能量,我們選用的傳感器敏感元件是具有壓電效應的電氣石晶體,這是因為水下傳感器由于受到水流影響、安裝不確定性等諸多因素,傳感器要能接收任意方向爆炸壓力,只有這種可以接收任意方向的壓電晶體才能符合測試需要,也就是說,任何方向來的壓力沖擊波都能激發(fā)其產(chǎn)生電荷,這樣,在水下不便于安裝的情況下,利用電氣石晶體的無方向性的優(yōu)點,制作水下自由場壓力傳感器。

電氣石切割成片狀,尺寸Φ6×1,二邊正負極性采用蒸發(fā)鍍銀方法,目的是易于焊線取壓力信號。

水下自由場壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

◆傳感器外形結(jié)構(gòu)

傳感器的結(jié)構(gòu)形式采用流線形,可以減緩水流沖擊,考慮到壓電晶體的高絕緣,必須密封又要能感受爆炸沖擊波信號,我們采用透明聚氨酯軟管,軟管二頭均密封,一頭用塑料封頭密封,另一頭是信號輸出端(采用金屬材料配合絕緣插座)。軟管內(nèi)填充硅油,用以把任意方向的沖擊波傳遞給敏感元件-壓電晶體,從而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

水下自由場壓力傳感器見圖:1-傳感器本體,2-四氟乙烯錐頭,3-穿線孔,4-硅油,5-敏感元件電氣石,6-金屬堵頭,7-電氣石信號線,8-傳感器輸出信號端。

工作方式:測試時水下自由場壓力傳感器根據(jù)測試要求的深度,垂吊于水中,爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用于傳感器,傳感器的敏感元件電氣石受壓變形后產(chǎn)生電荷信號,電荷信號直接輸出或通過內(nèi)置的IEPE電路實現(xiàn)放大和電壓輸出,通過記錄采集儀器了解測試爆炸壓力的全過程,包括:壓力值、比沖量、能量密度、氣泡脈動等參數(shù)。

水下自由場壓力傳感器實物圖

◆傳感器測試

由于該傳感器是用于爆炸測試,屬于動態(tài)使用,故不能使用靜態(tài)方法(活塞壓力計)檢測,我公司采用的是液壓式?jīng)_擊法測試,它的工作原理是,在液壓裝置上放置標準和被校傳感器,裝置內(nèi)放液壓油,用沖擊錘多次錘擊活塞,液壓油受力擠壓傳感器,二路受壓傳感器的電荷信號(半弦波脈沖壓力)輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(該系統(tǒng)含電荷放大功能)。系統(tǒng)以標準傳感器信號為基準,用最小二乘直線法計算出被測傳感器靈敏度和線性度,三次測試結(jié)果取平均值,得到最終傳感器靈敏度。

標準壓力傳感器采用國際通行的壓阻式壓力傳感器。

測試前傳感器要沖擊預壓。

本動態(tài)壓力測試方法符合國家標準JJG-624-2005

產(chǎn)品結(jié)論

該水中自由場壓力傳感器的設計方案正確,上升前沿、靈敏度、諧振頻率、密封性等主要技術指標均達到使用要求,且使用方便、節(jié)約成本,適合于水中爆炸壓力的測量。

水下自由場壓力傳感器的研發(fā)成功,打破了西方國家對我國軍工、軍事科研單位相關科研產(chǎn)品的禁運,而且以優(yōu)良的產(chǎn)品性能實現(xiàn)價廉,能快速供貨。該產(chǎn)品在許多軍方、軍工科研單位得到應用,受到好評。

致謝

本研究由眾多業(yè)內(nèi)科研單位、高校及科學院技術指導與揚州科動何侖總經(jīng)理的主持才得以突破水下爆炸壓力測試的難題,在此因為涉密不一一列出,感謝!