地面反射压测量传感器安装结构模拟实验研究

李　琛，孔德仁，商　飞，李丽萍，赵传荣

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)



地面反射压测量传感器安装结构模拟实验研究

李琛，孔德仁，商飞，李丽萍，赵传荣

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

爆炸场试验中，强烈的高温场、机械冲击和振动等会使冲击波超压传感器产生寄生输出.本文基于冲击和振动对冲击波压力传感器测量的影响，设计了一种用于地面反射压测量的传感器安装结构，并开展了相关的模拟实验研究.通过力锤敲击传感器安装平板，同时得到有该安装结构的传感器和无该安装结构的传感器所测量的数据.对测量数据分别进行时域信号和频率信号比对分析，分析结果表明：该传感器安装结构能有效抑制机械冲击对压力传感器测量的影响，适用于爆炸场冲击波超压测量.

寄生输出；冲击和振动；地面反射压；时域和频域

0　引　言

冲击波准则是评定战斗部爆炸冲击波毁伤效果的有效手段.目前，冲击波测量主要采用电测法，然而在爆炸场试验中，常伴随有强机械冲击、振动、热冲击、电磁干扰等寄生效应，这些寄生效应会导致传感器产生寄生输出[1]，从而严重影响冲击波的超压、持续时间和比冲量的判读.

实验证明压电式冲击波压力传感器对机械冲击及地震波特别敏感，若不采取相应的防冲击及隔振措施必然会导致测得的冲击波压力信号严重畸变[2-4].一些学者对降低冲击与振动的方法进行了相关的研究.李艳杰[5]分析了在冲击载荷作用下传感器振动噪声产生的原因，并设计了橡胶振动隔离器.王幸[6]设计了橡胶和金属件结合的隔振结构，可以在不降低传感器频响的同时隔离振动.任怀宇[7]将粘弹性阻尼材料应用于隔冲击结构中，达到了减振、降噪的作用.

本文分析了爆炸场冲击波超压测量时机械冲击和振动产生的原因，设计了一种地面反射压测量时传感器的安装结构.并针对该传感器安装结构，开展了相关模拟实验.通过对实验结果进行分析，验证了该安装结构具有抗冲击的效果，适用于毁伤工况下冲击波超压测量.

1　压电式压力传感器测量影响因素分析及安装结构设计

1.1爆炸场冲击和振动对压电式压力传感器测量的影响

爆炸场冲击波压力测量按测试环境不同主要分为地面反射压力测量和壁面反射压力测量.在地面反射压测量时，将冲击波压力传感器装入安装平板中心的小孔内，通过螺母将两者紧密连接，测量导线从安装平板下部壁面上的孔引出，如图1所示.

战斗部爆炸后，冲击波作用到安装平板上，对安装平板产生冲击，如图2途径B，安装平板产生应力波，对传感器产生径向挤压.同时，冲击波撞击地面产生地震波，地震波传播到传感器的安装支座，引起安装支座振动，如图2途径A.由于传感器与安装平板通过螺母固定连接，因此地震波与安装平板冲击的联合作用会影响传感器的工作性能，导致传感器输出附加信号[8-10].

图1　地面反射压测量传感器安装方式Fig.1　Sensor conformation of groundreflection pressure

图2　机械冲击和地震波产生机理Fig.2　The generation mechanism of mechanical shock and seismic wave

1.2压电式压力传感器安装结构设计

由于机械冲击和振动对压电式压力传感器输出信号影响较大，本文基于爆炸场冲击波超压测试中常用的Kistler211B系列压力传感器，设计了一种该传感器的安装结构，如图3所示.

图3　传感器安装结构示意图Fig.3　The diagram of sensor installation structure

图4　安装平板装配图Fig.4　The assembly drawing of installationflat

其中部件1是传感器安装组件本体，部件2是Z向减振垫1，部件3是传感器安装定位环，部件4是X，Y向减振垫，部件5是Z向减振垫2，部件6是固定活塞.安装定位环的作用主要是固定传感器，不让传感器掉落，Z向减振垫1和2的重要作用是抑制传感器沿Z轴方向冲击与振动，X，Y向减振垫的作用是抑制传感器沿径向方向(X，Y方向)的冲击与振动，如图3坐标系所示.将该安装结构安装到平板后的测试装置如图4所示.其中1表示传感器安装结构，2表示安装平板.

2　模拟实验研究

为了验证所设计的安装结构能否有效抑制机械冲击对传感器输出的影响，以力锤敲击平板作为冲击源，进行模拟实验.通过对有无该安装结构的传感器实测结果进行比对分析，评价该安装结构的可靠性，以期能将该安装结构运用到爆炸场冲击波超压测试.

2.1模拟实验设计

模拟实验设备选用2个Kistler211B系列冲击波压力传感器，1个Kistler8772A50系列加速度传感器，江苏联能电子技术有限公司LC系列冲击锤，Kistler5148信号调理器和PXI数据采集设备.测试系统组成如图5所示.

图5　测试系统组成图Fig.5　The compositionof measuring system

模拟实验设计及现场如图6，图7所示.选用一块安装平板，在平板中心位置放入带有安装结构的传感器，紧靠其旁边放入未安装该结构的传感器，传感器的敏感面与安装平板外表面齐平.同时在平板上安装一个加速度传感器，测量安装平板垂直地面方向振动的加速度.以平板中心为圆心，做两个不同半径的圆，将每个圆的周长分别8等分，将小圆的8个等分点依次标注序号1～8，将大圆的8个等分点依次标注序号9～16.如图8所示(平板中心的圆表示加安装结构的传感器，旁边的小圆表示未加安装结构的传感器).用力锤按1～16的顺序依次敲击每一个序号点，每敲击一次，可以得到两个压力输出信号和一个加速度信号.

图6　模拟实验现场布局Fig.6　The site layout of simulation test

图7　传感器安装正面Fig.7　The front of sensor installation

图8　敲击点分布示意图Fig.8　The distribution sketch of tapping points

2.2模拟实验数据分析

爆炸场试验中，对冲击波压力信号进行时域分析和频域分析，是常用的处理方法.通过对时域和频域信号的分析，能得到压力峰值和相关频域范围的有用信息.因此以下选取16个敲击点中标号为3,5,6,7,8、14这6个典型敲击点进行时域信号和频域信号分析.

2.2.1时域信号分析

选取的6个敲击点每个点处两个压力传感器所测得压力的波形如图9～图14所示.其中，敲击点3传感器所测压力的波形如图9所示.

图9　敲击点3所测压力的波形图Fig.9　The pressure waveform of tapping point 3

敲击点5传感器所测压力的波形如图10所示.

图10　敲击点5所测压力的波形图Fig.10　The pressure waveform of tapping point 5

敲击点6传感器所测压力的波形如图11所示.

图11　敲击点6所测压力的波形图Fig.11　The pressure waveform of tapping point 6

敲击点7传感器所测压力的波形如图12所示.

图12　敲击点7所测压力的波形图Fig.12　The pressure waveform of tapping point 7

敲击点 8 传感器所测压力的波形如图13所示.

图13　敲击点8所测压力的波形图Fig.13　The pressure waveform of tapping point 8

敲击点14传感器所测压力的波形如图14所示.

图14　敲击点14所测压力的波形图Fig.14　The pressure waveform of tapping point 14

从压力的波形图并结合表1对比可以发现，有安装结构的传感器所测得的压力峰值要小于没有安装结构的传感器所测得的压力峰值，说明使用该安装结构可以降低安装平板对传感器的径向挤压.同时安装该结构的传感器压力变化频率变高，这是由于该安装结构隔离了一定低频率的振动.

表1　有安装结构与无安装结构传感器压力信号峰值对比

2.2.2频域信号分析

6个典型点的压力信号幅频曲线如图15～图20所示，由压力信号幅频曲线对比图可以发现，无安装结构的传感器在2 000～3 000 Hz之间振幅较大，在2 500 Hz左右处达到最大值.而有安装结构的传感器在该频率段振幅很小，说明该安装结构有效抑制了该频段的信号.

图15　敲击点3压力信号幅频曲线Fig.15　The frequency-amplitude curve of pressure signal in tapping point 3

图16　敲击点5压力信号幅频曲线Fig.16　The frequency-amplitude curve of pressure signal in tapping point 5

图17　敲击点6压力信号幅频曲线Fig.17　The frequency-amplitude curve of pressure signal in tapping point 6

图18　敲击点7压力信号幅频曲线Fig.18　The frequency-amplitude curve of pressure signal in tapping point 7

图19　敲击点8压力信号幅频曲线Fig.19　The frequency-amplitude curve of pressure signal in tapping point 8

图20　敲击点14压力信号幅频曲线Fig.20　The frequency-amplitude curve of pressure signal in tapping point 14

进一步分析力锤对平板冲击造成平板振动的加速度幅值谱密度波形图，如图21(a)～(f)所示.可以发现，安装平板振动的主频率在2 500 Hz左右，与没有安装结构的传感器所测压力信号幅频曲线的峰值大致吻合.并且安装平板在2 000～3 000 Hz之间振动幅值较大，与没有安装结构的压力信号有效频率信号带宽相似.说明该安装结构有效抑制了因冲击造成平板振动给传感器输出造成的影响.

图21　平板振动的加速度幅值谱密度波形图Fig.21　Amplitude spectral density waveform of plate vibratory accelerated velocity

3　结　论

基于振动和冲击对冲击波超压测量的影响，本文设计了一种地面反射压测量时传感器的安装结构，并进行了力锤敲击模拟实验，通过对实验结果进行分析，得到了如下结论：

1) 通过对同一个敲击点两组压力信号波形图进行比对，说明了该压力传感器安装结构能有效抑制机械冲击对传感器径向挤压造成的寄生输出.

2) 通过对同一个敲击点压力传感器频域信号波形图进行比对，并结合该点处安装平板加速度幅值谱密度波形图进行分析，验证了该压力传感器安装结构能有效隔离因机械冲击造成平板振动使传感器产生的寄生输出.

本模拟实验仅验证了所设计的传感器安装结构能有效抑制机械冲击对压力传感器输出的影响，对于能否抑制地震波造成传感器输出的影响，需要在实际工况条件下加以验证.

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Simulation Test Study on Sensor Installation Structure of Ground Reflection Pressure Measurement

LI Chen，KONG Deren，SHANG Fei，LI Liping，ZHAO Chuanrong

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

In blast field test,blast over-pressure sensors produce spurious output because of the strong high temperature field,mechanical shock and vibration.In this study,based on the impacts of the measurements of blast over-pressure sensors due to shock and vibration,a pressure sensor installation structure was designed for the measurements of ground reflection pressure and relevant simulation test study was proceeded.By tapping the plate,the measurement data of installation structure and non-installation structure sensors were gained.The measurement data was analyzed by using time and frequency domain analysis,the results show that this sensor installation structure can effectively restrain the impacts from mechanical shock on the measurements of pressure sensors,and it is suitable for the measurements of shock wave over-pressure in blast field test.

spurious output；shock and vibration；ground reflection pressure；time domain and frequency domain

1671-7449(2016)05-0442-08

2015-12-11

李琛(1991-)，男，硕士生，主要从事爆炸场冲击波压力传感器寄生效应抑制方法研究.

TP391.3

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.014