基于电荷输出型压电传感器的冲击波超压存储测试系统*

袁佳艳，狄长安，徐天文，李永超

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)



基于电荷输出型压电传感器的冲击波超压存储测试系统*

袁佳艳，狄长安，徐天文，李永超

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

针对集成电路压电(ICP)型传感器抗振动和抗热冲击性能不足的问题，实验对比了高阻电荷型与ICP型压电传感器的抗振动以及抗热冲击干扰性能，发现电荷输出型相比于ICP型压电传感器对复杂测试环境有较好的抑制作用。采用电荷输出型压电传感器设计了存储测试装置及其抗振动、防潮的保护外壳。实验表明：设计的存储测试装置能可靠触发，可实现冲击波压力信号的采集、显示和回读。

冲击波超压； 电荷输出型压电传感器； 热冲击； 振动； 存储测试； 集成电路压电型传感器

0 引 言

目前冲击波超压测试技术最常用的两种方法是引线电测法与存储测试法。采用引线电测法实测时，需要铺设较长的电缆线。但随着电缆线长度和信号频率的增加，电缆线的等效电阻将增大，这会导致电缆线传输的电压信号幅值衰减、相位滞后。此外，爆炸产生的电磁干扰对电缆线产生的影响也随着线缆长度的增加而增加。为了减小电缆的干扰及线缆敷设的繁琐，采用存储测试法进行冲击波超压测试。张哲[1]、焦耀晗[2]、薛莉等人[3]开展了用于冲击波超压测量的存储装置的研究。王代华等人[4]对比了压阻式和压电式压力传感器的优缺点，选择了集成电路压电(ICP)型压力传感器进行了存储测试装置的设计。上述研究主要介绍了存储测试装置设计电路，尚未涉及其装置在复杂环境下的应用特性研究。杜红棉等人[5]虽然通过激波管动态标定试验研究了7种用于冲击波超压测试传感器的性能，但也未明确基于压电效应的高阻电荷型与ICP型传感器在振动、热冲击作用下的特性差别。

本文针对ICP型压电传感器抗振动和热冲击性能不足等问题，实验对比了高阻电荷型与ICP型压电传感器的抗振动以及抗热冲击干扰性能，采用电荷输出型压电传感器设计了存储测试装置及其抗振动、防潮的保护外壳，并进行了实验验证。

1 系统设计

1.1 压力传感器选型

常用的冲击波压力传感器有两种：压电式和压阻式压力传感器。压阻式压力传感器由于存在光效应现象，在冲击波近场测试中使用存在一定问题[6]。而压电式传感器由于其固有频率高、工作可靠、信噪比高、灵敏度高等优点在冲击波测试中得到广泛的应用。基于压电效应的传感器有两种类型，一种是高阻电荷型传感器，将压电材料受力产生的电荷直接输出，另一种是ICP型传感器，将电荷转换电路集成在传感器内部中，产生的电荷直接转换为电压并将电压输出。由于在冲击波测试中，热冲击和振动会对冲击波超压测量带来较大影响，因此，冲击波超压测量传感器的振动与热冲击特性就显得比较重要。图1分别为高阻电荷型传感器与ICP型传感器的振动响应。

图1 高阻电荷型传感器与ICP型传感器的振动响应Fig 1 Output of sensors with high amplitude vibration

图1表明，压电式压力传感器在受到加速度幅值较小的振动时高阻电荷输出型传感器的输出几乎不会发生变化，但ICP传感器会有一定的振动响应值输出。随着振动幅值的增加，两个传感器都会有压力值输出，但ICP传感器的输出比电荷型传感器输出大。通过上述对比实验可以发现高阻电荷输出型传感器对冲击波及地震波所造成的振动有更好的抑制作用。

图2分别为高阻电荷型传感器与ICP型传感器的热冲击响应曲线。

图2 不同传感器热冲击响应Fig 2 Thermal shock response of different sensors

通过实验可以发现，高阻电荷输出型压电式传感器温度特性明显优于ICP型传感器，即高阻电荷输出型压力传感器对爆炸冲击波的热冲击有较好的抑制作用。

综上所述，本文选用了Kistler带有加速度补偿的高阻电荷输出型压力传感器603B。

1.2 测量原理

爆炸产生的冲击波传到存储测试装置时，高阻电荷输出型传感器敏感面受到压力作用产生电荷信号，经过电荷放大电路将电荷输出转化为电压输出，再对该电压信号进行放大滤波满足AD满量程输入后，进入A/D转换模块将模拟信号转为数字信号，并将转换好的数字信号存储到存储器中。需要读取数据时，通过存储测试装置的数据读出端口，将数据传输到上位机，通过上位机程序对测得数据进行分析与处理。存储测试装置组成及其工作流程图如图3所示。

该存储测试装置的系统量程为20,1 MPa，带宽为12.5 Hz～100 kHz(3 dB)，采样频率为1 MHz，采样长度为1 s，分辨率为12 bit，电池工作时间大于8 h。

图3 存储测试装置结构框图Fig 3 Structure block diagram of storage test device

1.3 外壳设计

存储测试装置外壳三维装配图如图4所示。图中经仿真研究，安装盖板的直径大小会对测量结果产生影响。考虑到测试的稳定性和便携性，安装盖板的直径设计为30 cm。铜片用来隔离模拟电路和数字电路之间的电磁干扰。为了抵抗爆炸冲击和防潮，在各部件连接处分别加了缓冲垫圈和密封圈。存储装置实物图如图5所示，左边为安装盖板和保护外壳，右边为外壳内部安装电路板和操作面板的装置。

图4 冲击波存储测试装置三维装配图Fig 4 Three dimensional assemble drawing of shock wave storage test device

图5 存储装置实物图Fig 5 Physical map of storage device

2 实验测试

传感器事先进行了标定，存储测试电路部分通过输入标准信号进行了性能检验，在此仅进行存储测试装置的触发、曲线的实时记录以及数据回读能力的测试与验证。将实验系统组装好后埋入土中，在存储测试装置上方点燃药包，爆炸后存储测试装置回读的波形如图6所示。

图6 冲击波测试波形Fig 6 Shock wave test waveform

从图6中可以看出，该冲击波超压存储测试装置可以可靠触发，能采集到完整的波形数据，并能进行显示和回读。在1 ms处，冲击波超压值为15 kPa。实验同时也表明，在小量程的冲击波超压的测试时，该存储测试装置也具有较高的信噪比。

3 结束语

针对压阻传感器对爆炸光敏感以及ICP型压电传感器抗振动和热冲击性能不足等问题，采用对复杂测试环境有较好的抑制能力的高阻电荷输出型压电传感器设计了存储测试装置，并根据测试环境设计了抗振动、防潮的保护外壳。经实验验证，设计的存储测试装置能可靠触发，实现了冲击波压力信号的采集、显示和回读。

[1] 张 哲,李宝珠,王存宝,等.基于无线数据传输的冲击波超压测试系统的研究[J].传感器与微系统,2009,28(6):7-9.

[2] 焦耀晗,杜红棉,徐 鹏,等.基于多重触发和负延迟的炮口冲击波存储测试[J].探测与控制学报,2015(1):86-89.

[3] 薛 莉,杜红棉,裴东兴,等.基于ICP传感器的冲击波超压测试系统设计[J].仪表技术与传感器,2014(4):7-9.

[4] 王代华,宋林丽,张志杰.基于ICP传感器的存储式冲击波超压测试系统[J].传感技术学报,2012(4):478-482.

[5] 杜红棉,祖 静.常用冲击波压力传感器动态特性实验研究[J].弹箭与制导学报,2012(2):214-216.

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

Storage and test system for shock wave pressure based on charge output type piezoelectric sensor*

YUAN Jia-yan,DI Chang-an,XU Tian-wen,LI Yong-chao

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China)

Aiming at the poor performance of vibration resistance and thermal shock resistance of integrated circuit piezoelectric(ICP)type piezoelectric sensor,experiments are carried out to compare the performance of vibration resistance and thermal shock resistance between high impedance charge type and ICP type piezoelectric sensor.It is found that high impedance charge type piezoelectric sensor has better inhibitory effect on complex test environment than ICP type.The storage test device and its vibration resistance and moisture proof shell are designed based on high impedance charge type piezoelectric sensor.Experiments show that the designed storage test device can be reliably triggered,which can realize collecting,displaying and returning of shock wave pressure signal.

shock wave pressure;charge output type piezoelectric sensor;thermal shock;vibration;storage test;integrated circuit piezoelectric(ICP)type piezoelectric sensor

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0107—02

2016—01—29

中国博士后科学基金资助项目(2014M561647)

TJ 410.6

A

1000—9787(2016)11—0107—02

袁佳艳(1991-)，女，江苏常州人，硕士研究生，主要研究方向为测试技术。