CN101245976A - 基于应变效应的一体化电子测压器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子测压器，具体是一种基于应变效应的一体化电子测压器。解决了现有电子测压器配置的压力传感器体积较大，导致电子测压器整体体积过大，无法满足体积受限场合的使用要求的问题，该基于应变效应的一体化电子测压器包括筒状壳体、固定于筒状壳体端部的由弹性金属材料制成的端盖，筒状壳体内设置有用于放置测量电路的保护内筒；端盖内表面中央和侧壁上固定有与测量电路输入端相连的分别用于敏感压力变化、敏感温度变化的电阻应变片。本发明结构简单，体积小，制作成本低，适用范围广，各项性能指标达到测试要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子测压器，具体是一种基于应变效应的一体化电子测压器。
背景技术
电子测压器是适用火炮膛压测试的专用测试仪器，适用于火炮膛内具有高温、高压的特殊环境下进行瞬态压力测试的放入式压力测试设备，针对其使用环境的特殊性，电子测压器存在如下要求：1、能承受膛内高压及伴随高压出现的瞬时高温的作用，高压可达800MPa级，瞬时高温可达3000℃，因此对电子测压器的环境适应性要求很高；2、电子测压器需和弹药一起保高、低温，高温可达60℃，低温可达-40℃，保温持续时间可达72小时，保温后直接放入炮膛射击测试膛压，对高低温性能要求很高；3、对电子测压器的体积有严格的限制，根据“火炮内弹道测试方法”国家军用标准，电子测压器体积必须小于药室容积的2.0％，对于中口径火炮，这个要求是很苛刻的；4、电子测压器在炮膛内测试时要承受火药气体扰动时所造成的冲击，此冲击振动可达到5000g的加速度值。总之，火炮膛压测试的测试环境都极端恶劣，不仅要求电子测压器耐高温、抗高冲击振动、适应高低温环境，同时要求电子测压器具有微小体积、高可靠性、高精度的特点。
而就目前国内的内置式电子测压器与国外同种类压力测试仪器相比，国内的内置式电子测压器的性能指标在体积方面低于国外产品，例如：HPI公司600MPa的内置式电子压力测试仪，该测试仪体积仅为22cm3，而国内产品体积达60cm3；主要是由于配置的压力传感器体积较大，进而限制了内置式电子测压器的体积缩小的可能性，使它只能用于容积较大的测试环境(如：大中口径以上火炮膛压测试)。此外，目前由于电子测压器所使用的压力传感器价格十分昂贵，造成电子测压器的成本难以降低，售价高昂，对于取代已经使用了百年的铜柱(铜球)测压器的电子测压器来说，这是当前限制电子测压器推广应用的主要瓶颈。我国是世界上第一个已经开始推广使用电子测压器的国家，降低电子测压器的价格将能使电子测压器能够全面推广使用，这对于我国国防建设将有重要意义。
发明内容
本发明为了解决现有电子测压器配置的压力传感器体积较大，导致电子测压器整体体积过大，无法满足体积受限场合的使用要求(例如：中小口径火炮膛压测试)的问题，提供了一种基于应变效应的一体化电子测压器。
本发明是采用如下技术方案实现的：基于应变效应的一体化电子测压器，包括筒状壳体、固定于筒状壳体端部的由弹性金属材料制成的端盖，筒状壳体内设置有用于放置测量电路的保护内筒；端盖内表面中央和侧壁上固定有与测量电路输入端相连的分别用于敏感压力变化、敏感温度变化的电阻应变片。为保护火炮膛线，筒状壳体两端套固有护膛环。
所述测量电路为现有微小型化的应变式电阻传感器的常规测量电路-测量电桥以及后续信号转换、存储电路，因此，本发明说明书中未对测量电路进行描述，仅提供电路原理图一份(如图4、5所示)。
使用时，将本发明所述电子测压器置于火炮膛内，当火炮膛压发生变化，由弹性金属材料制成的端盖将产生变形，其表面产生应变，固定在端盖内表面中央的用于敏感压力变化的电阻应变片将随着端盖产生应变，电阻应变片的电阻值也产生相应的变化，即将被测量-压力转换成电阻值的变化，通过测量电路检测出端盖内表面中央的电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量压力的大小。其中，用于敏感压力变化的电阻应变片应固定在端盖上最大应变处，避免在电子测压器满量程使用时，端盖上某些部位的材料可能进入塑性状态，进而严重影响电子测压器的测量精度。由厚板变形理论分析可知，在端盖中心(r＝0)处，X向应力与Y向应力相等，切向应变与径向应变基本相等，而且具有正的最大值，因此，电阻应变片应粘贴在端盖中心。通过ANSYS仿真软件对端盖部分进行受力分析(如图2，3所示)，在承压过程中电子测压器的端盖有较大的弹性变形。
另外，固定在端盖内表面中央的电阻应变片的阻值变化，不仅是机械应变ε的函数，而且也是环境温度T的函数，即
R＝f(ε，T)
由上式可知温度变化也会引起电阻应变片的电阻值变化，其与端盖的真实应变无关，通常称为视应变或虚假应变，是电阻应变片因温度变化引起的热输出，是造成测量误差的根源。为克服克服温度对电阻应变片的影响，保证其测量精度；本发明采取桥路补偿法在端盖的侧壁固定用于敏感测试环境温度变化的电阻应变片作为温度补偿片；在端盖的侧壁，切向应力、径向应力和径向应变都达到负的最大值，而切向应变为零；当温度发生变化时，固定在端盖内表面中央和侧壁上的分别用于敏感压力变化、敏感温度变化的电阻应变片的电阻都发生变化，且它们的温度变化相同，两电阻应变片为同类应变片，又贴在相同的材料上，因此，由于温度变化所导致的电阻阻值变化亦相同；因此将两电阻应变片分别接入测量电路中测量电桥的相邻两桥臂，则因温度变化引起的电阻变化相互抵消，起到了温度补偿的作用。此时，用于敏感压力变化的电阻应变片的电阻值变化就能准确表征被测量-压力变化的大小。
与现有技术相比，本发明采用弹性金属材料制作端盖，并在端盖内表面中央固定电阻应变片，以端盖与电阻应变片的结合作为压力敏感元件，并考虑到温度对电阻应变片的影响，在端盖侧壁固定用于温度补偿的电阻应变片；与此同时，将测量电阻应变片阻值变化的测量电路设置在筒状壳体内的保护内筒中，最终实现了电子测压器一体化、小型化、整体化，其结构简单，制作成本低、易于实现；适于体积受限的场合使用，例如：用于中、小口径的火炮膛压测试，因此适用范围覆盖面大，测量精度与现有放入式电子测压器相当。
依次在50MPa、150MPa、250MPa、350MPa、450MPa、550MPa下，对本发明所述电子测压器通过ANSYS仿真软件进行仿真，得到一组随压强变化的端盖中心处的形变量及应变量，如下表所示。表1：
| 压力值(MPa) | 形变量(10-5m) | 应变量(10-6ε) |
| 50 | 0.68 | 232.4 |
| 150 | 2.03 | 696.9 |
| 250 | 3.38 | 1161.5 |
| 350 | 4.74 | 1626.2 |
| 450 | 6.09 | 2090.8 |
| 550 | 7.45 | 2555.4 |
经对表1的数据分析，可以看出，本发明所述电子测压器的线性度很好，每增加100MP的压力，端盖中心处的形变量大约增加1.35×10-5m；同时，每增加100MPa的压力，端盖中心处的形变量及应变量大约增加464×10-6ε。
本发明结构简单，体积小，制作成本低，适用范围广，各项性能指标达到测试要求。还适用于石油井下射孔压力等多种具有高温、高压的特殊环境和一般环境下进行的瞬态压力测试。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为端盖在压力为0时的状态图；
图3为端盖在压力不为0时的状态图；(图2、3仅画了1/4端盖)
图4为本发明测量电路的电路原理方框图；
图5为本发明测量电路的一具体电路原理图；
图中：1-筒状壳体；2-端盖；3-测量电路；4-保护内筒；5、6-电阻应变片；7、8-护膛环。
具体实施方案
基于应变效应的一体化电子测压器，包括筒状壳体1、固定于筒状壳体1端部的由弹性金属材料制成的端盖2，筒状壳体1内设置有用于放置测量电路3的保护内筒4；端盖2内表面中央和侧壁上固定有与测量电路3输入端相连的分别用于敏感压力变化、敏感温度变化的电阻应变片5、6。筒状壳体1两端套固有护膛环7、8。所述弹性金属材料采用马氏体实效钢，此种材料的屈服极限应力为：σs＝2000Mpa。其实，所有的金属材料都是弹性材料，只是各个的弹性范围不同，例如：有的金属在100Mpa下就发生了塑性变形；因此，对于端盖、外壳选用的金属材料是能满足压力测试需要的金属材料即可。
Claims (3)
1. 一种基于应变效应的一体化电子测压器，其特征在于包括筒状壳体(1)、和固定于筒状壳体(1)端部的由弹性金属材料制成的端盖(2)，筒状壳体(1)内设置有用于放置测量电路(3)的保护内筒(4)；端盖(2)内表面中央和侧壁上固定有与测量电路(3)输入端相连的分别用于敏感压力变化、敏感温度变化的电阻应变片(5、6)。
2. 根据权利要求1所述的基于应变效应的一体化电子测压器，其特征在于所述弹性金属材料采用马氏体实效钢。
3. 根据权利要求1所述的基于应变效应的一体化电子测压器，其特征在于筒状壳体(1)两端套固有护膛环(7、8)。
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