高压压电传感器静态与准静态校准方法研究

2014-12-26 06:35:42狄长安孟祥明孔德仁
弹道学报 2014年2期
关键词:压电式压电静态

狄长安,孟祥明,边 鹏,孔德仁

(1.南京理工大学 机械工程学院,南京210094;2.北方华安工业集团有限公司,黑龙江 齐齐哈尔161006)

膛压等火药燃气压力是各类武器系统定型试验、生产交验等环节必测的项目之一。膛压具有变化快、压力高的特点,火炮膛压信号的有效频率通常在5kHz以内,压力上升时间在2~6ms内,脉宽为10~40ms,同时伴有高温和强烈的振动,因此在测试方法上有一定的特殊性。目前,常用的膛压测量方法有两种:塑性变形测压法与电测法。膛压电测法获得的压力信息较丰富,获得的压力曲线既反映了膛内火药燃烧的变化规律,又反映了膛内的最大压力值及出现的时间,其压力测量精度明显高于塑性测压法,且实时性强,因此,在弹道学研究方面已普遍采用膛压电测量技术。

在诸多电测压系统中,普遍认可的是压电式测压系统,压电式测压传感器具有足够高的动态响应,一些高性能的压电式传感器固有频率可达200kHz以上。但压电式测压系统的低频特性不理想,在静态测量或静态标定中难免会出现静电泄漏及漂移等现象,给系统的灵敏度获取带来一定的困难。为此,研究人员开展了压电式测量系统静态标定方法研究,提出了一些提高静态标定精度的方法[1-3]。针对压电测量系统静态校准难题,研究人员提出了准静态校准的方法,即用已知峰值的类似于被测压力信号的半正弦脉冲信号作用于被校系统上。实验结果表明,该方法也可以确定压电测量系统的工作灵敏度[4-7]。

目前,虽然就高压压电传感器的静态校准和准静态校准已有大量研究讨论,但是到目前为止,尚没有人针对高压压电传感器静态与准静态灵敏度一致性进行详细的分析和讨论。本文意图研究高压压电传感器的静、准静态灵敏度,分析静态灵敏度与准静态灵敏度之间的差异,为高压压电传感器的校准方法的选用及使用提供参考。

1 试验用压电传感器系统

鉴于6215高压压电传感器在弹道压力测量中应用较为广泛,故以6215高压压电传感器为研究对象。系统由6215传感器、5011电荷放大器以及数据采集系统组成。6215传感器主要性能指标:压力范围为0~6 000bar,固有频率大于240kHz,线性度小于±0.5%FSO,灵敏度为1.4pC/bar,轴向加速度灵敏度小于0.002bar/g,加速度灵敏度小于0.005bar/g,密封方式为端面密封。

极低频电荷放大器5011B11主要性能指标:测量范围为±(10~999 000)pC,频率范围为0~200kHz,输出电压为±10V,线性度为±0.05%FS,测量误差为±0.5%。

基于PXI总线的数据采集系统主要性能指标:最高采样 率为20MSps/通道,A/D 分辨率 为12bits,时钟精度为±10ppm,量程(输入范围)为±20V,输入电阻为1MΩ,输入信号带宽为0~8MHz,直流误差为±0.5%。

2 高压压电传感器的静态校准方法

采用0~600MPa便携式静态压力标定机对试验系统进行静态校准。0~600MPa静态压力标定机的具体参数:①造压范围为0~600MPa,②不确定度(2倍相对宽展不确定度)为0.2%,③压力保持时间为30s,④工作温度为18℃~30℃。在(20±2)℃的环境下进行了3轮标定试验。标定数据如表1所示。表中数据为静态校准数据,n1为序号;x1为压力;ya,yb,yc为三轮标定试验的输出电压;y1为平均电压,Y1为回归电压,y1/x1为点灵敏度。

表1 静态校准数据

对表1中的数据进行处理可得回归方程:

式中:x的单位为MPa,y的单位为mV。

相关系数R2=0.999,在自由度为9,显著性水平为0.001的条件下,查表得相关系数的临界值为0.847<0.999 99,说明所建立的回归方程是有意义的,输出的电压值与施加的压力载荷之间是线性相关的。

3 高压压电传感器的准静态校准方法

采用0~600MPa落锤式动态压力标定机对Kistler6215传感器进行准静态校准。在造压油缸的四周分别安装4只标准压力传感器(Kistler 6213BK)及2只被校传感器(Kistler6215)。在被校传感器要求的压力范围内大致均匀地进行7~9点的压力实验。将4个标准压力监测通道测量的压力平均值作为被校传感器的“校准”激励,可分别获取被校传感器对应的激励及响应关系数据对,通过对该数据进行回归分析可获得被校传感器的工作模型及相关的特性指标。落锤式液压校准装置的主要技术指标:压力范围为0~500MPa,压力波形为半正弦波形;脉宽为4ms(±10%),标准压力监测不确定度(2倍相对宽展不确定度)为0.7%。准静态校准的数据如表2所示。

表2 准静态校准数据

对表2中的数据进行处理可得回归方程:

相关系数R2=0.999,在自由度为10,显著性水平为0.001的条件下,查表得相关系数的临界值为0.823<0.999 99,说明所建立的回归方程是有意义的,利用落锤装置进行准静态校准,输出的电压值与施加的压力载荷之间也是线性相关的。

4 两条回归直线一致性分析

式中:、分别为静态校准和准静态校准获得的回归方程的方差,N1、N2分别为两次标定的点数,即N1=11,N2=12。

用F检验法检验两条直线的方差的显著性,有:

查F检验分布表,F0.01(10,9)=5.26>1.34,如选取显著性水平a=0.01,则认为两条回归线方差没有明显差异,回归精度并没有显著差异,可将此问题归结于回归直线无显著差异的场合[8]。

计算两回归直线的合并方差:

式中:

检验时使用统计量:

式中:a=0.05,t(a,f)=2.093。

在本文中,全为双侧检验。由于t值大于t分布表中给定显著性水平a和相应自由度f=n1+n2-4=19时的临界值t(a,f),因此,可以认为在0.05置信水平下斜率不同,即两条回归直线是不平行的,因此在一定置信概率下,两条曲线不能互相代替。

同样,也可得到斜率b1的置信区间:

式中:a=0.05,f=9,t(a,f)=2.262。

斜率b2的置信区间:

式中:a=0.05,f=10,t(a,f)=2.228。

同样表明,标定试验中确定的b1和b2分别都不落在对方的置信区间内,因此,有理由相信两条曲线在0.05置信水平下是不重合的。

5 点灵敏度的差异分析

表1和表2中拟合的曲线及灵敏度曲线如图1、图2所示。

图1 回归直线

图2 点灵敏度分布规律

从图1可以了解,静态校准与准静态校准的两条工作直线比较吻合。对应于给定的压力,被校系统测量的电压值在500~8 000mV之间时,静态校准与准静态校准分别获得的点灵敏度如图2所示。从图2中可以看出:

①准静态校准曲线随载荷增加,准静态校准曲线的灵敏度变化较小,相对偏差为(16.872-16.730)/16.703=0.85%;静态校准曲线随着压力载荷的增加,灵敏度呈现增加的趋势,且趋势比较明显,相对偏差为(16.855-16.514)/16.875=2%。因此,利用回归方程进行压力计算时,如果仅考虑峰值压力,将点灵敏度代入计算,可减小误差。

②在给定校准压力较低时,两者灵敏度相差较大,最大达2%,然后逐渐靠近并相遇。

③将膛压测试试验时数据采集系统采集的电压峰值分别代入到式(1)与式(2),计算得到对应压力值的最大相对偏差为0.54%(满量程450MPa)。

为了分析静态灵敏度与准静态灵敏度差异的原因,通过在计量站查阅不同批次生产的6215传感器的静态校准记录发现,静态校准时点灵敏度的走势相同,表明这与6215自身的特性相关。准静态校准时压力的传递是通过6213BK进行传递的,而6213BK的特性与6215类似,因此导致其点灵敏度的波动较小。

为验证分析结果是否具有一定的随机性,随机抽取了4支传感器,进行静态校准与准静态校准,处理后的结果如表3所示。表3表明,被抽检的传感器的静态与准静态灵敏度仍然存在一定的差异。

表3 静态校准与准静态校准数据处理结果

6 结束语

综上所述,2种校准方法获取的压电式压力测量系统的工作曲线存在一定的差异,该差异对测量结果的影响不明显。但由于准静态校准点灵敏度差异不大,静态校准点灵敏度差异达2%,因此,静态校准时至少需要在全量程均匀布置5个点,而准静态校准可在300MPa左右点进行单点标定即可。对于线性较好的类6215传感器,可采用被测压力峰值附近的单点准静态校准的方法来进行校准,以提高校准效率,减少传感器高压的加载时间。

准静态校准能够模拟高膛压的半正弦压力曲线,施加于传感器端面的高压作用时间短,对密封性能要求低,对防止电荷泄漏、延长传感器的寿命都有好处,因此优先推荐采用准静态校准方法。

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