基于传感器阵列的柔性接头组件成型工艺过程压力测试系统①

刘 兵，吕中卿，刘承佳，张龙飞

(1.中国航天科技集团有限公司四院401所，西安 710025；2.西安交通大学 电子与信息工程学院，西安 710049)

0 引言

柔性接头作为固体火箭发动机喷管固定体和可动体之间的连接件，通过作动器的伸缩使喷管做全轴摆动，它承受着燃烧室压强、喷管摆动时的不对称作动力、加速度载荷等作用。柔性接头的工作直接关系着发动机乃至全弹工作的成败[1]。柔性接头既是载荷支撑件，又是系统联接和运动执行的关键部件，由橡胶材料弹性件及其他材料增强件交替粘接组成[2]。柔性接头成型工艺过程中，施加一定的成型压力传递到接头组件上，并由弹性件和增强件共同承担，随之会对粘接剂的流动、残余应力的产生重要影响[3]。在柔性接头成型工艺中，成型涉及多种组件及模具的使用，这些因素影响着压力的传递和分布，使得直接作用在柔性接头组件上的传递压力与施加压力有一定差异，而掌握柔性接头组件传递受压的变化规律是深入分析成型过程中物理化学变化、优化工艺条件和成型质量的重要前提之一。因此，有必要建立固体火箭发动机柔性接头成型压力测试系统。

固体火箭发动机柔性接头工艺成型过程由于测试技术等原因，对组件压力的研究较少，往往假设组件所受压力与外加压力相等。国外对柔性接头已经有了比较深入的分析[4-5]。在成型工艺压力测试方面，Walczyk等[6]利用薄膜压力传感器，测试了模压工艺中复合材料层板压力的分布及模具的影响，发现该方法可以比较准确的测试压力。谢富原等[7]将受压变色的压敏纸用于T型筋条的成型工艺中，根据压敏纸颜色的变化得到复合材料与模具界面处的压力，但该方法只能记录成型过程中制件受到的最大压力，而不能在线测试密实压力的变化和分布。马世举[8]利用薄膜压力传感器完成了粮堆自然沉降过程中底部非均匀分布压力的变化情况，尽管测定方法具有一定的可行性，但压力传感器的标定存在误差。付巍等[9]将压力传感器阵列引入测试系统，获取压力曲线进行分析，可以有效评价轻武器的杀伤效应。

本文基于薄膜压力传感器阵列，建立了固体火箭发动机柔性接头成型压力测试系统，研究了压力测试系统在成型工艺中的适用性，并对柔性接头成型过程中组件压力的分布情况进行了测试，分析了该方法在工艺应用中的可行性。研究结果为固体火箭发动机柔性接头工艺成型定量分析提供了重要的试验手段，并为柔性接头成型工艺质量控制提供了试验依据。

1 柔性接头成型压力测试系统

1.1 系统组成

固体火箭发动机柔性接头成型压力测试系统主要是由薄膜压力传感器阵列、信号转换模块、数据采集单元、计算机系统及采集软件等部分组成，柔性接头成型压力测试系统，如图1所示。

图1 柔性接头成型压力测试系统

固体火箭发动机柔性接头组件成型过程中，放置在弹性件和增强件之间的薄膜压力传感器阵列感受到组件传递过来的压力，压力传感器自身电阻发生变化，电阻信号传递到以LM393放大器构成的R/V转换模块，经信号转换模块处理，转变为标准线性电压信号，由VTI EX1629数据采集单元进行电压信号的数据采集，输入到计算机系统中，经过Explab数据采集软件处理进行实时显示和存储。柔性接头成型压力测试系统可以采集传感器阵列信号，最多可以同时对48路薄膜压力传感器传出的信号进行实时采集和处理，动态响应大于10 kHz。

1.2 薄膜压力传感器及其阵列

压力传感器是柔性接头成型压力测试系统的感应元件，针对柔性接头成型过程中组件压力的测试特点，传感器需满足以下三个条件：(1)传感器可以放置到弹性件和增强件之间，且厚度小；(2)传感器能够承受高压成型环境，且须准确实时地输出压力变化信号；(3)传感器有一定柔韧性，可以测试组件曲面处受力情况。

根据接头成型压力测试要求，选择Flexiforce超薄柔性薄片压力传感器，量程110 N(1.5 MPa)，测试线性度1.2%，响应时间小于5 μs，感应区直径9.53 mm，厚度0.2 mm。这种传感器最大特点是可测量空间狭小的空间，相对测量精度较高。但也存在输出为电阻，需要进行信号转换及处理等问题[10]。Flexiforce薄膜压力传感器，如图2所示。

图2 Flexiforce薄膜压力传感器

Flexiforce薄膜压力传感器作为单一元件，在电路中起压敏电阻的作用，当敏感区受到压力时，电阻会发生相应变化。当传感器空载时，其电阻很大，受压时电阻则迅速变小，由此根据输出的电阻变化信息即可得到作用在敏感区的平均压力。Flexiforce薄膜压力传感器具有可挠折、耐高压的优点，能与一定曲率的曲面完全贴合，符合上述柔性接头组件成型压力在线测试对于传感器的要求。薄膜压力传感器阵列在柔性接头组件上的布置情况，如图3所示。

图3 薄膜压力传感器阵列

压力传感器沿组件环向布置四个象限位置，考虑组件上下环向压力可能存在差异，按照三个环向布置成为柔性接头组件成型压力测试阵列。薄膜压力传感器阵列可以通过环氧树脂固定在被测增强件的内表面。传感器组成二维阵列后，使得阵列中每个压力传感器测点排列在被测区域。由于压力变化导致其压力传感器电阻阻值的变化，组件曲面不同位置的压力传感器测量得到物体表面的压力分布，因此，通过薄膜压力传感器输出信号随压力分布发生变化。由以上分析得知，压力传感器阵列中不同传感器在同一时间内测量的压力力大小不同，其表现为组件曲面不同位置的传感器输出信号不同。

1.3 高精度的薄膜压力数据采集单元

压力测试系统采用AMETEK VTI的EX1629测试仪作为薄膜压力数据采集单元。EX1629除了采用高精度的ADC、放大器和桥路电阻以外，其采样速率在25 kHz以上，还具有独特的设计：(1)精确测量导线电阻并予以补偿。不同于传统的手动测量导线电阻进行补偿的方法，EX1629内置了一个独立的16位ADC，专门用来监测测量回路的关键参数，可以自动测量导线电阻，自动进行修正，从而获得更高的测量精度。(2)高精度的独立激励源，抗干扰隔离设计，并具有激励回测功能。EX1629采用每通道单独激励的方式，各通道之间不会产生任何影响，激励源是一个14位的DAC，具有非常高的精度和稳定性。(3)非线性补偿功能。对于传统的仪器设备，通常都是测量反馈电压，采用近似的线性公式来计算压力值。压力与电压的真实曲线，在小压力区域线性度比较好，得到的压力值误差较小。在大压力区域，压力与电压的非线性逐渐增大，得到的压力值与真实压力有显著的误差。EX1629的DSP中内置了一个精确的非线性校准公式，经过标定过的测试可以确保比较高的测量精度。

1.4 基于试验平台的数据采集软件

压力测试系统采用Explab作为数据采集软件。Explab是一款功能强大、灵活、应用广泛， 在VC++编程语言环境开发，运行于Windows操作系统的基于数字化试验平台TDM3000的数据采集及分析软件[11]。

Explab软件具有专业的硬件设备接入技术，可将硬件设备通过网络接口或其他专用接口连通为一个完整系统，实现试验设备集成，使试验数据采集、配置、显示存储、调用更为便捷和安全。Explab软件支持VXI、LXI、PXI等标准总线的数据采集设备，也支持NEFF数据采集系统、PSI及DSA系列的压力扫描阀设备等，并能够根据用户的需求进行定制开发，以接入特殊的数据采集设备。Explab软件与数字化试验平台TDM3000形成无缝连接，为用户提供一个理想的数据采集以及试验数据综合管理的完整解决方案。

2 压力测试系统在成型工艺中的适用性

薄膜压力传感器经信号处理以后，具有良好的线性及重复性，但考虑到柔性接头成型工艺中的组装方式和高压结构下复杂环境，需要对所建立的压力测试系统适用性进行研究。主要包括压力测点的校准、曲面压力场的仿真及模拟测试。

2.1 压力测点的校准

柔性接头成型压力测试系统搭建好以后，需要校准薄膜压力传感器及其测量通道的灵敏度。采用螺旋手摇机架试验校准装置对其进行校准，确认其线性拟合度。试验装置由标准压力传感器、高精度压力计、螺旋手摇机架结构等组成，如图4所示。

图4 螺旋手摇机架试验校准装置

该装置利用螺旋手摇机架施加一个确定的压力，在压力计中可以获得标准压力传感器的输出信号和被标薄膜压力传感器的输出信号，经数据处理后，可以得到灵敏度，实现对薄膜压力传感器及其测量通道的压力校准。

利用标准压力传感器及高精度压力计及其测量到的对应压力下的电压值，可以得到该薄膜压力传感器对应通道压力数据的线性拟合曲线。1#～4#压力测点数据拟合结果，如图5所示。经校准后的压力测试系统线性度优于1%。

( 1# Sensor output (b) 2# Sensor output

2.2 曲面压力场的仿真

为考查薄膜压力传感器阵列在柔性接头组件曲面测试时的适应性，制作了一套材料为Q235的金属模拟件(模拟增强件和弹模件)，模拟件结构，如图6所示。其中，模拟增强件上、下开孔直径为400 mm和200 mm，壁厚20 mm。模拟弹性件上、下开孔直径为360 mm和160 mm，壁厚20 mm。

图6 模拟件结构

模拟增强件在受压的过程中，内壁受到一个压力场的作用，压力传感器布置在两个模拟件接触面之间，其受压面积已知，固定模拟增强件底面，通过Solidwork软件建模，利用软件Simulation中的静应力分析功能进行仿真，仿真得到模拟增强件曲面受压状态，如图7所示。

图7 模拟增强件受压仿真结果

仿真结果表明，模拟增强件内壁所受应力大小分布均匀，底部应力略大于上部。增强件的位移变化则比较明显，底部位移较小而上部位移变化比较大。

2.3 压力测试系统对曲面压力的模拟测试

在模拟增强件的内壁四个象限的中部粘贴薄膜压力传感器，连接压力测量系统。曲面压力测试模拟状态，如图8所示。模拟组件成型工艺，通过加载装置施加0～700 kg，完成曲面压力场模拟测试。曲面压力场模拟测试结果，如图9所示。

图8 曲面压力模拟测试状态

图9 曲面压力模拟测试结果

从压力测试曲线显示结果可以看到，四个通道的压力测试曲线一致性完好，最大压差为0.03 MPa，没有异常压力值出现，表示模拟增强件及模拟弹性件结构合理，模拟件四个象限受压状态基本一致，模拟成型工艺及压力测试方法合理有效。

3 试验结果及分析

将薄膜压力传感器阵列嵌入柔性接头增强件与弹性件之间，由测试系统对组件在成型过程中压力场情况进行十余组实时监测，结合传感器自身校准的压力曲线，定量表征组件曲面压力场分布及压力变化情况。

在柔性接头加压成型过程中，在外部施加的成型压力按级逐渐增加，增强件曲面不同位置处所受的压力迅速升高，当平均压力达到0.2 MPa时，各个象限所受压力增量减缓。随着成型压力继续增加，增强件一、二、四象限所受压力变化趋势一致，逐渐变小，而增强件三象限所受压力缓慢变大。这个测试结果表明成型压力与曲面所受压力并非完全一致。当受压压力到达一定范围时，加大压力可能会导致压力分布不均匀，可能会影响胶粘剂的流动与固化。合理选择成型压力直接会关系柔性接头工艺成型的效果。

为了验证柔性接头组件之间或组件与模具存在间隙不等或锥度误差等不匹配的情况时，在成型过程中，会出现压力场分布异常的情况，进行了增加异物检测影响压力均匀性的模拟试验。在成型现场经常使用增强件某象限插入垫板方式进行检测。随着增强件垫板厚度从1 mm逐渐增加，该象限所受压力会逐渐减小，而相对象限压力会逐渐增大，当使用厚度4 mm长宽10 mm的正方形厚垫板时，两个象限所受压力最大差值达到0.1 MPa以上。试验考核了垫板厚度对组件成型所受压力分布的影响，可以看到，垫板厚度对组件成型所受压力分布影响较大，随着垫板厚度的增加，不同位置的测点压力分布会有明显改变。垫板是组件所有结构误差的表征，会导致所受压力分布异常现象，如何消除或避免这种现象的发生，对提高柔性接头的工艺成型质量有着重要的意义。

4 结论

(1)基于薄膜压力传感器阵列，建立了固体火箭发动机柔性接头成型压力测试系统。系统具有1%的线性度，10 kHz的动态响应以及1.5 MPa的压力测量范围，适用于固体火箭发动机柔性接头组件曲面处压力场的测试，能够在线监测柔性接头组件成型过程中的压力大小和分布。

(2)压力测试结果表明，固体火箭发动机柔性接头成型时，柔性接头组件成型压力与曲面所受压力不是完全一致，工艺参数可以参考压力测试情况进行修正。当柔性接头组件之间或组件与模具不匹配时，会出现压力场分布异常的情况，可能是导致柔性接头脱粘的因素之一。

(3)建立的柔性接头成型压力测试系统可以在线获得柔性接头组件成型过程中的压力场分布，为进一步优化柔性接头组件成型工艺参数和模具方案提供重要依据。