PVDF 传感器在水中爆炸弱压力信号测量中的应用

闫潇敏，李芝绒，陈 君，翟红波，张玉磊

(西安近代化学研究所，陕西 西安710065)

0 引 言

近几年，国内外对水中炸药冲击波超压和气泡能的测量已经进行了许多研究，取得了不少的科研成果［1～3］。在对炸药水中爆炸性能进行研究过程中，有时需要对小药量试验的冲击波压力进行测量，有时需要对较远距离处的冲击波压力进行测量，这些压力存在信号弱、易被噪声淹没的问题。对于水中爆炸冲击波本身就弱的信号，气泡脉动压力就更加微弱。要准确地测量冲击波能和气泡能这两个参数，对传感器就要有一些特殊的要求，不仅要满足低量程、高灵敏度的要求，还要求频率响应要特别高，以减小测试波形的失真［4］。目前用于水中爆炸压力测量的传感器多是美国PCB 公司生产的以电气石晶体作为压电转换元件的138A 型传感器，这种传感器价格昂贵，试验成本较高。而且这种传感器的晶体组件外层由金属网、硅油和塑料管三种材料包裹，如果其中的两种材料声阻抗不匹配，就会影响压力信号的测试结果。

本文通过水中爆炸试验对自行研制的聚偏氟乙烯(PVDF)传感器进行了试验验证，传感器的各项性能指标达到使用要求，可以用于水中爆炸微弱压力信号的测量。PVDF 传感器具有很高的频响，特别是它与水的声阻抗相近，可以满足水中爆炸弱压力信号测量对频响和灵敏度的要求，用来测量水中爆炸冲击波压力应用前景广阔［5，6］。

1 传感器的结构设计

1.1 敏感元件的选择

水中爆炸弱信号的测量，须选用合适的传感器。电气石因其具有频响高、稳定性及线性良好而被作为敏感元件应用于水中压力传感器，但其灵敏度偏低，在被测压力较大时，可以输出足够的幅值，但当被测压力较小时，输出就显得不足。PVDF 压电薄膜材料具有频响范围宽、灵敏度高等特点，能根据需要做成合适的面积，可以满足弱压力信号测量对频响和灵敏度的要求。用PVDF 压电薄膜作为敏感元件制作PVDF 传感器，制作工艺简单、成本低，适合于水中爆炸微弱信号的测量。同时采用传感器内装放大电路的方法，可以使传感器具有高信噪比和高频响性能。

1.2 传感器的制作

传感器由压电转换元件(即晶体组件)和放大电路两部分组成，结构如图1 所示。压电转换元件用PVDF 压电薄膜制作。将压电薄膜材料裁剪成Ф3～Ф5 大小的圆片，在压电薄膜两表面分别粘贴上2 根细导线，2 根导线分别连接到内装放大器的输入端，再将内装放大器封装在具有一定强度的金属壳体内，封装时做好防水密封处理。压电薄膜用液体硅橡胶材料封装、再固化，形成与水的声阻抗匹配的、高绝缘阻抗的固态封装，使传感器结构简单但又不易被爆炸产物击坏，提高了传感器使用的可靠性。传感器还配有电源变换器，其功能是给内装放大电路供电，并对信号输出进行归一化处理。

图1 传感器结构示意图Fig 1 Schematic structure of sensor

1.3 传感器的标定

传感器的动态灵敏度标定采用比较校准标定法［7］。将被校传感器与标准传感器分别安装在液压标定器两边的接头上，压力源激励的压力挤压腔内油介质，产生的压力脉冲同时作用在2 只传感器上，比较标准传感器和被校传感器的输出峰值便可完成灵敏度校准。改变撞击强度，即标定出传感器在不同激励峰值下的灵敏度。传感器动态校准原理如图2 所示。

图2 传感器动态灵敏度校准原理图Fig 2 Principle diagram of dynamic sensitivity calibration of sensors

2 水池试验

2.1 试验条件

爆炸试验水池直径5 m，水深3 m，试验炸药为5 g TNT，安装深度0.7 m，水中爆炸试验布置如图3 所示。传感器固定在一根横杆上形成传感器簇(编号如图4 所示)，入水深度0.7 m，每2 只传感器之间距离0.1 m，为考察系统频响对测量结果的影响，4'#传感器不带内装放大电路，使用采样频率只有100 kHz 的采集仪器。炸点距离横杆的垂直距离为1.5 m。

试验数据采集系统使用8 通道以上的同步数据采集仪、计算机和同步触发控制器，5 m 长的定位支架等，采集仪采样频率500 kSPS，触发设置:正延迟(100 ms)。

图3 水中爆炸试验布置示意图Fig 3 Layout of underwater explosion test

图4 传感器安装位置示意图Fig 4 Installation location of sensors

2.2 试验结果

在本试验条件下，对5 g TNT 炸药水中爆炸试验，测量炸药在水中爆炸产生的冲击波压力随时间变化曲线和气泡脉动压力波，典型测试波形见图5，爆炸测试试验数据见表1。

图5 典型冲击波超压与气泡压力波形Fig 5 Typical waves of shock wave over pressure and bubble pressure

试验环境参数:水中温度:15 ℃;大气压:710 mmHg(94 659Pa);密度:1.6 g/cm3;声速:1 446.6 m/s2。

2.3 结果分析

2.3.1 测量数据的差异性分析

由图5 可以看出:PVDF 传感器在试验中获得的冲击波波形上升前沿陡峭，抗干扰能力强。从表1 的数据可以看出:每只传感器测量的冲击波到达时间和气泡脉动峰值时间基本一致，且测量得到的冲击波超压峰值与理论超压峰值相差不大;冲击波超压峰值随着爆心距增大而逐渐减小，个别测点的冲击波超压峰值例外，如4#传感器测得的冲击波超压峰值为4.29 MPa，大于3#和3'#传感器的测量结果，这是因为小药量炸药水中爆炸时，存在着爆轰不稳定的现象。传感器全部安装在一根横杆上，间隔距离较小，所以，即便是对称测点，它们的爆心距也不能保证绝对相等。因此，对称测点测得的冲击波超压峰值略有不同。

2.3.2 系统频响对测量结果的影响

测量系统的高频响应对测量结果的影响很大，主要影响测量结果的峰值大小和峰值到达的时间，改变波形的时间常数。对于小药量的爆炸参数测试，对系统的频响要求高。由于4'#传感器不带内装放大电路，使用的采集仪器采样频率只有100 kHz，从测试数据可以看出:4'#传感器测得的冲击波压力比另一侧对称位置的4#传感器测得的冲击波超压明显偏低，原因就是数据采集系统频响低，造成信号高频分量丢失。

表1 水中爆炸试验测量数据Tab 1 Measurement data of underwater explosive experiment

3 结 论

本文采用PVDF 压电薄膜作为敏感元件和带内装放大电路的传感器，在5 g TNT 炸药水池爆炸压力测量中，得到了冲击波与气泡脉动压力曲线，波形一致性较好，冲击波波形上升前沿陡峭，抗干扰能力强。说明对于5 g TNT 药量，PVDF 传感器配合高频响的数据采集系统，能正常输出上升前沿陡峭的冲击波超压和低频响的气泡脉动压力测试波形，可以用于炸药水中爆炸微弱压力信号的测量。

［1］ 黄正平.爆炸与冲击电测技术［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［2］ 周听清.爆炸动力学及其应用［M］.合肥:中国科学技术大学出版社，2001.

［3］ Cole R P.水下爆炸［M］.北京:国防工业出版社，1965.

［4］ 李玉节，赵本立.水下爆炸压力测量中的若干问题［J］.试验力学，1992，7(1):17－22.

［5］ Kenji Murata，Katsuhiko Takahashi，Yukio Kato.Precise measurements of underwater explosion phenomena by pressure sensor using fluoropolymer［J］.Journal of Materials Processing Technology，Elsevier Science SA，1999，85:39－42.

［6］ 赵继波，谭多望，张远平，等.PVDF 计在水中爆炸近场压力测试中的应用［J］.火炸药学报，2009，32(3):1－4.

［7］ 殷俊兰，苏健军，陈 君.水中压力传感器灵敏度校准的研究［J］.传感器与微系统，2010，29(12):29－31.