概述

水下压力测试是基于国防军工要求而产生的,由于水中特殊的环境状况:1、水下传感器安装比较困难,通用压力传感器具有方向性,爆炸压力测试要求传感器敏感面正对爆心,一般的传感器在水中无法固定安装,特别是在海洋水流环境中难以达到,故要求传感器能接受来自任何方向的瞬态压力波信号。2、由于水的信号传播速度远大于空气,要求传感器的谐振频率要大于600KHz,普通压力传感器的谐振频率只有200KHz,用普通压力传感器根本无法实现这二个要求。

炸药在水中的爆炸的压力,由于水介质与常规测量的空气传输不同,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。

传感器的基本性能指标应该为:测量范围>100MPa;测量精度≤2%FS;上升前沿≤2.5μs;传感器要具有良好的防水性能;要便于水下安装放置;传感器要具有电荷型和IEPE型供选择。根据以上系统性能指标的要求,确定了用于水中爆炸压力测量传感器的设计思路。

技术指标及机构的确定

◆敏感元件压电晶体及工作原理

在水下爆炸测试中,爆炸压力是衡量爆炸威力的重要指标,核爆化爆、炸弹等火工品因自身性能或使用药量不同而产生的能量不同,水下自由场压力传感器就是将爆炸产生的能量和对被测构件的损坏程度用电压值及频率反应出来。为了能采集爆炸能量,我们选用的传感器敏感元件是具有压电效应的电气石晶体,这是因为水下传感器由于受到水流影响、安装不确定性等诸多因素,传感器要能接收任意方向爆炸压力,只有这种可以接收任意方向的压电晶体才能符合测试需要,也就是说,任何方向来的压力冲击波都能激发其产生电荷,这样,在水下不便于安装的情况下,利用电气石晶体的无方向性的优点,制作水下自由场压力传感器。

电气石切割成片状,尺寸Φ6×1,二边正负极性采用蒸发镀银方法,目的是易于焊线取压力信号。

水下自由场压力传感器结构图

◆传感器外形结构

传感器的结构形式采用流线形,可以减缓水流冲击,考虑到压电晶体的高绝缘,必须密封又要能感受爆炸冲击波信号,我们采用透明聚氨酯软管,软管二头均密封,一头用塑料封头密封,另一头是信号输出端(采用金属材料配合绝缘插座)。软管内填充硅油,用以把任意方向的冲击波传递给敏感元件-压电晶体,从而实现能量转换。

水下自由场压力传感器见图:1-传感器本体,2-四氟乙烯锥头,3-穿线孔,4-硅油,5-敏感元件电气石,6-金属堵头,7-电气石信号线,8-传感器输出信号端。

工作方式:测试时水下自由场压力传感器根据测试要求的深度,垂吊于水中,爆炸产生的冲击波作用于传感器,传感器的敏感元件电气石受压变形后产生电荷信号,电荷信号直接输出或通过内置的IEPE电路实现放大和电压输出,通过记录采集仪器了解测试爆炸压力的全过程,包括:压力值、比冲量、能量密度、气泡脉动等参数。

水下自由场压力传感器实物图

◆传感器测试

由于该传感器是用于爆炸测试,属于动态使用,故不能使用静态方法(活塞压力计)检测,我公司采用的是液压式冲击法测试,它的工作原理是,在液压装置上放置标准和被校传感器,装置内放液压油,用冲击锤多次锤击活塞,液压油受力挤压传感器,二路受压传感器的电荷信号(半弦波脉冲压力)输入数据采集系统(该系统含电荷放大功能)。系统以标准传感器信号为基准,用最小二乘直线法计算出被测传感器灵敏度和线性度,三次测试结果取平均值,得到最终传感器灵敏度。

标准压力传感器采用国际通行的压阻式压力传感器。

测试前传感器要冲击预压。

本动态压力测试方法符合国家标准JJG-624-2005

产品结论

该水中自由场压力传感器的设计方案正确,上升前沿、灵敏度、谐振频率、密封性等主要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。

水下自由场压力传感器的研发成功,打破了西方国家对我国军工、军事科研单位相关科研产品的禁运,而且以优良的产品性能实现价廉,能快速供货。该产品在许多军方、军工科研单位得到应用,受到好评。

致谢

本研究由众多业内科研单位、高校及科学院技术指导与扬州科动何仑总经理的主持才得以突破水下爆炸压力测试的难题,在此因为涉密不一一列出,感谢!

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