引压方式动态压力传感器研制

宫占江， 李起栋， 桂永雷

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所 黑龙江 哈尔滨 150001)



引压方式动态压力传感器研制

宫占江， 李起栋， 桂永雷

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所 黑龙江 哈尔滨 150001)

介绍了一种通过引压方式探测动态压力信号的传感器。由于受到被测介质温度高和被测环境空间尺寸小限制，传感器需要通过引压管传递动态工作压力。为了保证引压管在传递动态压力过程中不影响传感器的频响特性，设计了一种阻抗匹配结构，减小了引压结构对传感器动态响应特性的影响，保证了动压传感器的频响特性，该传感器的检测单元包括一个引压管、一个敏感元件、一个电路组件、一个阻抗匹配管。测试结果表明:动压传感器具有(31.5～8 000 Hz)频响范围。

动态压力； 引压管； 阻抗匹配管； 频率响应

0 引 言

动态压力传感器主要应用在航空发动机、导弹冲击波、飞机模型等动态压力流场分布的测量中[1,2]。在实际应用中，由于受到被测环境空间尺寸小和被测介质高温等限制，传感器无法直接通过接触方式对动压信号进行测量，需要通过引压传递的方式进行测量。在使用过程中，由于动态信号中往往掺杂着低频和高频的各种谐波，为保障信号不失真，必须保证传感器具有良好的频响特性。而引压管在动压传递过程中对动压信号频率响会应产生较大影响，致使传感器测量频响范围大幅下降[3～5]。

为了解决上述问题，本文设计了一种阻抗匹配结构，将被测动压经由引压管、驻极体继续传播至阻抗匹配管中，减小了引压结构对传感器动态响应特性的影响，保证了动压传感器的频响特性，同时通过电路组件将敏感元件感知的动压信号转换为电压信号，形成了一种具有高灵敏宽频响范围的传感器设计方案，对提升我国航空、航天动压测试系统能力而言具有实际意义。

1 传感器结构设计

根据实际使用环境要求，传感器在结构上采用引压管引压方式测量动态压力，传感器结构示意图如图1。

图1 传感器结构示意图Fig 1 Structure diagram of sensor

动压波动经由引压管、敏感元件继续传播至阻抗匹配管中。该匹配管缠绕在传感器的前置放大器上，阻抗匹配管内径尺寸与引压管内径尺寸一致，而且匹配管末端是一个小的开放式结构，这样可以保证传感器内部的静态压力和传感器前端的压力一致，有效减小了声波的反射，从而使传感器具有良好的频率响应，保证了传感器具有较宽的频率响应范围。

引压管直径的设计直接影响传感器的频率特性，依据声学理论基础，波在刚性圆柱形波导管中传播，上限截止频率为

fc=3.832c0/2πa

(1)

式中fc为截止频率；c0为波导管中声传播速度；a为波导管的半径。

根据动态压力在刚性圆柱形波导管中的上限截止频率，通过工艺加工制作8 cm长的引压管(内径0.8 mm)，保证动态压力的频率响应。

2 电路组件设计

基于系统对传感器体积和频响的要求，选用敏感元件，其具有体积小、结构简单、频响特性好的特点。敏感元件工作时必须施加外加偏压，由于其参数离散性，通过电源串联电阻的偏置电路，需要针对每一个敏感元件进行参数调整。本文采用一种自举反馈式前置放大电路，不需要调整电路参数，而是使电路自适应敏感元件参数变化，这种方法降低传感器电路调试的复杂度。前置放大电路如图2所示，其由Rb，Re，C1，C2和Q1组成一个典型的共集电极放大电路。设电源电压Vcc=12 V，R1+R2=1 022 Ω，当通过敏感元件的电流IC在0.1～1mA 的范围变化时，Vcc为11.9～11 V，电路中R1，R2取较小阻值，保证电源Vcc的偏压充分施加于敏感元件上。当敏感元件的参数变化时，电路仍能很好地适应这一变化，使敏感元件能够有足够的偏置电压，从而发挥出优异的性能。但由于R1+R2的阻值取得很小，不能满足敏感元件的输出阻抗匹配要求，故需要引入自举电容器C3形成自举电路。由于电阻器Re的负反馈作用，三极管的发射极电位通过自举电容器C3的耦合至电阻器R1的下端，使电阻器R1的两端交流电位差减小，实现对电阻器R1的自举，提高了放大偏置电路的交流阻抗，实现电路的最佳匹配。射极跟随电路的输出阻抗很低，几乎能满足任何后续放大电路的要求。同时由于电阻器Re的阻值较小，等于在输出连接线上接了个低阻的负载，根据干扰源的内阻大的特点，使其形成回路，极大地降低了噪音电平，提升电路的降噪水平。

图2 电路原理图Fig 2 Principle diagram of circuit

根据传感器的频响范围为31.5～8 kHz，在自举反馈式前置放大电路放大后，设计了一个截止频率为8 kHz的八阶巴特沃兹低通滤波电路，进一步提升频响范围内的电路降噪水平。八阶巴特沃兹低通滤波电路是由4个压控源二阶低通滤波器构成，运算放大器为同相接法，滤波器输入阻抗高，而输出阻抗低，具有电路性能稳定，增益调节简单的特点。采用巴特沃兹滤波器，可保证在通频带的频响曲线最大限度平坦，而在阻频带则逐渐衰减为零。一阶巴特沃兹滤波器的的倍频衰减率为6 dB,八阶滤波的倍频衰减率可达到48 dB。

3 设计传感器样品的性能测试

依据以上设计，通过工艺加工制作8 cm长的引压管(内径0.8 mm)，阻抗匹配管内径尺寸与引压管内径尺寸一致，然后与敏感元件、电路组件形成检测单元。工艺调整后组装传感器样品。传感器外形如图3所示。

图3 传感器的外形图Fig 3 Shape diagram of sensor

在计量院对传感器样品进行频率响应测试，(31.5～1 000 Hz)在94 dB耦合腔测试(1 000～8 000 Hz)在90 dB自由场测试，其主要测数据见表1。

表1 31.5～8 000 Hz测试数据

4 结束语

测试结果证明了基于引压管引压技术的动态压力传感器设计方案的可行性，所设计的阻抗匹配管结构，减小了引压结构对传感器动态响应特性的影响，可以保证动压传感器具有(31.5～8 000 Hz)频响范围。由于制造技术采用的都是通用工艺，因此加工制作方便，尤其适合批量制作，从而提高了传感器的一致性，为今后引压管的设计研制工作提供了重要的技术积累和参考依据。

[1] Sieverding C H,Artst T,Denos R,et al.Measurement techniques for unsteady flows in turbomachines[J].Experiments in Fluids,2000，28(4):285-321.

[2] Van Zante D E,Suder K L,Strazisar A J,et al.An improved as-pirating probe for total temperature and total pressure measurements in compressor flow[J].Journal of Turbomachinery,1995,117(4):642-649.

[3] 劳力云，陈 珙，张宏建.引压管路对动态差压检测影响的分析[J].计量学报，1999，20(4):286-291.

[4] 李继超，王偲臣，林 峰.一种容腔效应标定技术及其在高频响动态探针中的应用[J].航空动力学报，2011，26(12):2749-2756.

[5] 王维新，谢壮宁.测压传压管路系统动态特性的试验分析[J].西北工业大学学报:自然科学版，2005，35(4):392-396.

Research and fabrication of pressure conduct mode dynamic pressure sensor

GONG Zhan-jiang， LI Qi-dong， GUI Yong-lei

(The 49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation，Harbin 150001，China)

A sensor detecting dynamic pressure signal by means of pressure conduct mode is introduced,which needs to conduct dynamic working pressure signal with pressure conduct tube since restriction of high temperature of the measured medium and small size of measured environment space,an impedance matching structure is designed.In order to ensure the immunity of the sensor frequency response characteristics during dynamic pressure transfer of pressure conduct tube,which reduces the influence on sensor frequency response imposed by pressure conduct tube and ensures frequency response characteristics of dynamic pressure sensor.The detection unit of sensor includes a pressure conduct tube,a sensitive element,a circuit component and an impedance matching tube.Test results show that the dynamic pressure sensor has frequency response range of 31.5 Hz～8 kHz.

dynamic pressure; pressure conduct pipe; impedance matching tube; frequency response

2016—06—14

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0103—02

TN 212

A

1000—9787(2012)10—0103—02

宫占江(1983-)，男，黑龙江海伦人，工程师，主要从事传感器技术方向的研究工作。