基于ICP传感器的冲击波超压测试系统设计

薛　莉，杜红棉，裴东兴，何志文，曹学友

(1．中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原　030051；2．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原　030051)

0　引言

为了准确测量并且正确判读冲击波的关键特征参数，为武器研制过程中的性能评估提供重要的依据[1]，研制的测试系统及所选用的压力传感器必须具有良好的动态特性。根据相关国军标的规定，压力传感器的谐振频率应大于75 kHz，上升时间不大于20 μs，超调量要尽量小[2]。

目前，满足以上指标的常用压力传感器主要有两种：压阻式传感器和压电式传感器[3]。但在冲击波实测中，二者分别表现出以下不足：前者的硅敏感单元也会对爆炸产生的光敏感，将其转化为电信号输出，影响对压力的测试[4]。后者需通过电缆与外置电荷放大器相连，会产生电缆噪声和由环境污染引起的信号漂移，影响测试结果[5]。随着现代IC技术的发展，出现了将压电模块和电荷放大器集成于一体的ICP(Integrated Circuit Piezoelectric)传感器，该传感器克服了以上不足，抗干扰能力强，被广泛应用于冲击波超压测试系统中[6]。

文中设计了冲击波测试系统中ICP传感器的适配电路，以双膜激波管为校准仪器，研究适配电路中不同恒流源供电对ICP传感器动态特性的影响。

1　传感器的适配电路

典型的ICP传感器系统通常包括ICP传感器、双芯电缆和适配电路三部分，适配电路包括恒流源和隔直电容两部分，如图1所示。

图1　ICP传感器系统示意图

其中，双芯电缆用于连接ICP传感器和适配电路，具有2个功能：(1)作为信号通信信道，将ICP传感器的电压输出给后续信号处理电路；(2)作为直流供电信道，一般所提供的电流源范围为2～20 mA．ICP传感器的恒流源选定，需要根据实际应用中的电缆长度来确定，若使用的电缆较短，恒流源供电也可以较小，若使用的电缆较长，则恒流源供电也可以较大。

2　传感器的动态校准

传感器在使用前，必须进行测量超压范围内的动态校准[7]。为了研究ICP传感器在不同大小恒流源供电下动态特性，以双膜激波管作为校准仪器，进行动态校准实验。

2．1校准原理

双膜激波管由高、中、低3个压室组成，压室之间由膜片D1和D2隔开，激波压力的大小由膜片的厚度决定。动态校准时，当高中压室的压力差达到一定程度时，会使膜片D1破裂。产生的入射激波在中压室传播，并压缩其中的气体，使该气体成为具有较高的压力和温度的驱动气体，从而使膜片D2破裂。产生的增强的入射激波在低压室传播，该入射激波的波阵面压力保持恒定，接近理想的阶跃波，可以对侧壁安装的压力传感器进行校准；然后入射激波在低压室刚性壁端面反射，形成反射激波，可以对端面安装的压力传感器进行校准。

实验用双膜激波管的结构图如图2，实物图如图3所示。

图2　双膜激波管的结构图

2．2校准方法

以恒定电流源2～20 mA范围为测试条件，对传感器进行动态校准，同一大小恒流源供电时，做多次校准。实验中，被校准ICP传感器为端面安装。

根据兰基涅-胡果尼方程，双膜激波管中反射激波的阶跃压力计算式如下[8]：

图3　双膜激波管的实物图

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ΔP为低压室激波波前的反射超压；P0为低压室气体初始压力；Ms为低压室激波波前的马赫数；V为低压室激波波前的传播速度；c为低压室中的声速；S为两测速传感器之间的距离；t为激波经过两测速传感器的时间间隔；T为未扰动时低压室空气的温度。

2．3校准结果

典型的阶跃响应波形如图4所示，其中图4(a)时间轴比图4(b)大4倍。从时域响应图计算传感器的上升时间、超调量、动态灵敏度、谐振频率等动态指标及频率特性。数据记录表格如表1所示，(其中，灵敏度百分比为静、动态灵敏度之差与静态灵敏度的百分比)。

(a)整体图

(b)局部图

2．4结果分析与建议

对表1中的动态指标做平均，做出图5中的曲线图，进行分析：

(1)从图(a)分析，传感器的上升时间基本以1 μs为中心变化，变化范围在0.09 μs内，这是在波形记录仪的时间分辨率误差内的，说明恒流源对上升时间几乎无影响。

(2)从图(b)分析，超调量大小在24%～40%之间，并且在同一恒流源供电时，超调量大小也在这个范围内，这说明恒流源对超调量并无明显影响。

(3)从图(c)分析，传感器的谐振频率基本在488～500 Hz范围内变化，说明谐振频率是由传感器自身物理特性决定，不会因恒流源电流大小不同而受到影响。

(4)从图(d)分析，传感器的动静态灵敏度百分比在20%范围内，曲线变化弯曲陡峭，说明ICP传感器的动态灵敏度会受到恒流源电流大小不同的影响，但影响并无特定规律。

根据试验结果和结果分析，建议如下：

表1　动态校准结果记录表格

(1)在实验中发现当以15～20 mA的电流为传感器供电时，由于内置电路产生热功率，传感器的外壳产生发烫现象，因此如非必要，尽量避免长时间用较大电流对传感器供电。

(2)在对ICP传感器进行校准时，其恒流源电流大小必须和实际应用场合中的保持一致，这样才能保证校准结果的准确性。

(a)上升时间随电流大小变化曲线图

(b)超调量随电流大小变化曲线图

(c)谐振频率随电流大小变化曲线图

(d)灵敏度百分比随电流大小变化曲线图

3　系统设计

研制的冲击波超压测试系统中传感器到适配电路之间的电缆长度为13～300 cm，结合上述的实验结果，确定恒流源大小为4 mA．测试系统的原理框图如图6所示。

ICP传感器输出的电压信号，经过ICP适配电路后，进入模拟滤波放大电路。为满足测试系统不同距离、不同当量时的测量需求，模拟电压信号放大有1倍、10倍两种选择。经过放大滤波的模拟信号进入A/D模块进行模数转换，经A/D后输出的14位并行数字信号在PFGA内部实现数据编码变为16位并行数据，再转化为2个8位并行数据输出给闪存。冲击波信号采集并存储结束后，PFGA给出下电信号，系统处于低功耗状态。测试完毕，系统回收后，通过读数模块将存储的数据传输给计算机，由VB软件对冲击波信号进行处理分析。

图6　系统的原理框图

4　结束语

选取了新型的ICP传感器，将其应用于冲击波测试系统之前，对其在双膜激波管进行动态校准实验。同时，设计相应的适配电路，研究适配电路中不同恒流源供电对ICP传感器动态特性的影响。实验结果为ICP传感器的实际应用提供了一些参考，建议在动态校准和实际应用中的适配电路最好保持一致，才能保证动态校准的准确性。研制的基于ICP传感器的冲击波超压测试系统，经实测验证，性能稳定，且ICP传感器工作正常。

参考文献：

[1]赵岩．动爆冲击波超压测试方法研究：[学位论文]．太原：中北大学，2012．

[2]孙忠良．常规兵器定型实验方法(炮口冲击波超压测试．中华人民共和国国家军用标准．GJB349．28-90．1990．

[3]杜红棉，祖静．常用冲击波压力传感器动态特性 实验研究．弹箭与制导学报，2012，32(4)：214-216．

[4]杜红棉，祖静，张志杰．压阻传感器8530B闪光响应规律研究．测试技术学报，2011，25(1)：78-81．

[5]王志刚，宋美球．压电式传感器及其智能化适调技术研究．仪表技术与传感器．2009(7)．

[6]张远平，池家春．爆炸冲击波压力传感器灵敏度的动态标定及测试技术研究．第四届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集，2006 ：349 - 352．

[7]黄俊钦．测试系统动力学．北京：国防工业出版社，1996：18-55．

[8]X．A．拉赫马社林，C．C．谢苗诺夫．激波管．中册．北京：国防工业出版社，1966．