压阻式压力传感器光干扰消除实验及测试

张健中，杜红棉，韩青林，厉建祥

(1．中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛　266071；2．中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原　030051)

0　引言

在爆炸产生的压力冲击波测试中，频响宽、动态性能优良的压力传感器成为测试工作者关注的重点。目前常用的压力冲击波传感器有压电式、压阻式等，压电式压力传感器的原理是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应将被测压力转化为电信号。压阻式压力传感器则将输入的机械量应变转换为电桥电阻值的变化来实现对压力的测量[1-3]。

爆炸测量时，实验人员要采集爆炸和冲击等快速反应过程的高频动态信息，这些反应的过程细节常为ms甚至是μs级[4]。在测试获取压力、冲量、加速度等瞬变参数时，还常伴有较强的电磁场、强光、高温的影响与干扰。杜红棉[5]等对压阻传感器8530B的闪光效应规律做了研究，通过采用黑纸屏蔽的方法来减轻光效应，取得了良好的效果。陈德龙[6]等从传感器的设计上来减小传感器的光效应。采用了无管腔的完全齐平的封装方式和背面承压方式，不仅实现了齐平封装，同时又减小传感器的光效应。黄家蓉[7]等在研究压阻式压力传感器的光效应时，通过用箔片遮挡传感器灵敏面的方式减小了光效应对测量的影响。

文中针对汽油油气燃爆实验中压阻传感器受到爆炸时产生的光干扰问题，将特殊处理过的隔光硅脂涂抹于传感器表面，对其进行闪光实验，研究该处理方法的有效性。在此基础上，利用激波管对未经处理的传感器和经过隔光硅脂处理过的传感器进行测试，比较其性能，分析处理后的传感器对油气爆炸实验测试的影响。将处理后的传感器应用于油气爆炸场合，验证其测量性能。

1　压阻式压力传感器光干扰分析

压阻式压力传感器是一种变换原件，它能将输入的机械量应变ε转换为电阻值变化。压阻型压力传感器具有高达500～900 kHz的固有频率和亚微秒级的上升时间，是爆炸冲击波测量的首选。在埋地油罐油气爆炸实验中选用了某型压阻式压力传感器，布置于罐壁及油罐人孔侧上方，用于测量油气爆炸对罐壁及周围环境产生的冲击。实际使用中发现，由于油气爆炸伴随强烈的闪光和放热，压力传感器测量的数据受到了较大的干扰，产生了较大的负波。针对光干扰的问题，对传感器进行了闪光测试，利用闪光灯对传感器敏感面进行闪光，将传感器与数据采集仪器连接，采集光干扰数据如图1所示。

图1　光干扰数据图

从图中可以看出，当传感器接收到闪光灯的信号后，会顺势形成一个幅度为负值的脉冲，可达-80 kPa左右，这是因为压阻式传感器桥路电阻受光干扰电阻值发生改变造成的。为了消除压阻式压力传感器的光效应，对传感器敏感面做出涂层处理，利用硅脂混合碳粉作为涂层，隔除光干扰的同时，获取爆炸产生的冲击波。经过处理后，同样采用闪光灯对传感器敏感面进行闪光，得到数据如图2所示。

图2　消除光干扰后的闪光数据

可以看出，加上涂层后，传感器不再受到闪光的干扰。下面就添加涂层后对冲击波的影响进行测试。

2　压力传感器动态性能测试

为了获得传感器表面涂抹隔光硅脂对传感器动态性能的影响，在实验室对以下两支传感器进行了动态校准：(1)传感器面裸露；(2)传感器面加掺有碳粉的硅脂涂层。

2．1检测方法

对传感器的动态性能对比测试采用激波管实现，激波管是一根两端封闭(或一端封闭)的长管，膜片把整个圆管分成高压室与低压室两部分，前者填充高压气体；低压室放置待校准的传感器和测速传感器，为得到近似理想的阶跃平台也经常充一定的低压气体。校准时对高压室充高压气体，当气体压强超过膜片强度极限时膜片突然破裂。经过一定距离的传播后，形成一个阶跃平面冲击波沿低压室方向传播。激波的阶跃压力平台值可以通过距离为的两个测速传感器感受激波的时间间隔t换算得到。激波管动态校准系统如图3所示[6]。

图3　激波管动态校准系统

2．2检测原理

根据兰基涅-胡果尼方程计算得出激波的平台压力值。兰基涅-胡果尼方程空气冲击波的入射和反射超压与波前马赫数的关系为[6]：

(1)

(2)

MS=v/c

(3)

(4)

v=s/t

(5)

式中：Δp2为空气冲击波波前的入射超压；Δp5为空气冲击波波前的反射超压；p1为低压室气体初始压力；MS为空气冲击波波前的马赫数；v为空气冲击波波前的传播速度；c为空气中的声速；s为两测速传感器的距离；t为激波经过两测速传感器的时间间隔；T为未扰动时空气的温度。

2．3检测结果

经过激波管测试后得到两种情况传感器的测试数据如表1所示。

表1　较准结果统计表

上述实验结果中两种状态下传感器的动态灵敏度的变化在校准误差5%范围内，因此表明传感器表面涂抹硅脂和碳粉混合物对灵敏度无影响。传感器表面涂抹混合物后上升时间有所增加，谐振频率有所降低。对于油气爆炸冲击波测试而言，最为关键的数据即为对冲击波测试的灵敏度，冲击波的最大值反映了爆炸的破坏程度，因此根据测试结果，在压阻式传感器表面添加硅脂和碳粉的混合涂层能够在有效消除光干扰的情况下较为准确的测量爆炸产生的冲击波。

3　油气爆炸冲击波测量

将经过处理后的传感器用于埋地油罐罐内油气爆炸的测量，油罐体积为50 m3，内部充满处于爆炸范围内的油气，油罐爆炸工况为敞口爆炸，点火点位于油罐内部。油罐上开DN500的人孔并制作1 m×1 m×1 m的人孔井为泄放口。油罐内部设置一个压力冲击波测点，固定于罐壁，用于测量油气爆炸对油罐产生的冲击，传感器的布置如图4所示。

图4　传感器布置图

埋地油罐点火后，罐内发生爆炸，爆炸产生的火焰和冲击向人孔井口正上方释放，持续2～3 s．油罐内部冲击波如图5所示，可以看出，敞口爆炸时，罐内产生300 kPa左右的冲击波，由于测点布置于罐壁，与经典冲击波波形不同的是，冲击波正压过后不会形成真空负压段。

图5　冲击波测量结果

4　结束语

文中针对某型压阻传感器受到光干扰会产生较大的负波脉冲的问题，将特殊处理过的隔光硅脂涂抹于传感器表面，经过闪光实验证明该方法能够有效的消除光干扰。利用激波管对未经处理的传感器和经过隔光硅脂处理过的传感器进行测试，两种状态下传感器的动态灵敏度的变化在校准误差5%范围内，结果表明传感器表面涂抹硅脂和碳粉混合物对灵敏度无影响。将处理过的压阻式传感器用于埋地油罐的罐内爆炸压力冲击波测量，得到了合理可信的测量结果。

参考文献：

[1]王权，丁建宁，薛伟，等．耐高温压阻式压力传感器研究与进展．仪表技术与传感器，2005(12)：1-3．

[2]WERNER M，FAHRNER W．Review on materials，micro sensors，systems，and device for high temperature and harsh environment applications．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2001，48(2)：249-257．

[3]戴艳梅，王文襄．压阻式压力传感器的动态特性．传感器技术，1999，18(3)：52-53．

[4]陈德龙，邱江，王冰等．压阻式高频动态压力传感器与冲击波超压测量．第五届全国爆炸力学实验技术学术会议，2006．

[5]杜红棉，祖静，张志杰．压阻传感器8530B闪光效应规律研究．测试技术报，2011，25(1)：78-81．

[6]赵亚梅．某微型压力传感器瞬态光效应的实验与数据处理方法研究[学位论文]．太原：中北大学，2007．