CN102032969B - 一种水中爆炸压力测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水中爆炸压力测量传感器，主要包括压电晶体组件和放大电路，放大电路放置在壳体中，压电晶体组件通过连接导线和放大电路连接，放大电路连接信号输出电缆，压电晶体组件由环氧树脂包覆封装在透声硅橡胶内部，透声硅橡胶的外表面涂覆有石墨层；放大电路由绝缘带包覆，由弹性硅橡胶封装在壳体内部，在壳体的一端连接有顶帽，输出电缆穿过顶帽与放大电路连接，在壳体上还有固定信号输出电缆的螺钉。该传感器的结构简单，又不易被爆炸产物击坏，输出电缆连接可靠，可用于复杂环境水中的爆炸压力测量。

Description

一种水中爆炸压力测量传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种水中爆炸冲击波测量的压力传感器，主要用于复杂水域环境下爆炸冲击波和气泡能的测量，为水中爆炸现象研究提供试验传感器。

背景技术

水中爆炸试验引起了越来越多的人们的重视。为了深入了解水下爆炸造成的破坏效应，对爆炸产生的冲击波和气泡能的测量是关键。对应用于水中爆炸压力测量的传感器，特别是阻抗要求很高的压电型压力传感器，信号微弱，如果受到潮气的侵蚀，阻抗下降，电荷会迅速泄露而引入测量误差。目前用于水下爆炸压力测量的传感器多是以电气石晶体为压电转换元件，用柔性外壳以及内装有液体的笔形结构形式，如美国压电有限公司（简称PCB公司）的138A型传感器。该类传感器以电气石晶体为压电转换元件，用柔性外壳以及内装有液体的笔形结构形式，主要由压电晶体、放大电路和信号输出电缆组成。其中压电晶体装在一个塑料管里，塑料管内充入硅油。压电晶体与放大电路用导线连接，放大电路放置在一个金属的壳体内，用环氧树脂灌封。放大电路的输出端接低噪声电缆输出。用环氧树脂包覆的压电晶体用金属网套住，金属网的另一端与壳体点焊连接。环氧树脂在潮湿的环境中，绝缘阻抗下降，使放大器输入电路的放电时间常数变小，将影响传感器的低频响应，使测试波形变窄、负压增加。所以，包覆后的晶体组件需要放进装有高绝缘阻抗的硅油的软管里。这种结构存在着：

一、塑料软管在水中爆炸环境下，容易发生微渗漏，使传感器的绝缘阻抗降低，影响测试结果；严重的会被爆炸产生的爆炸产物击中，发生破裂进水而短路，造成传感器的损坏。

二、由于当冲击波在水中传播时，在经过两种介质时，只有当两种介质的声阻抗（声阻抗=ρ×c，其中ρ为介质密度，c为声音在介质中的声速）相同时，冲击波从一种介质传到另一种介质中，才不会受到影响，也就是压力不会衰减。晶体组件外层有金属网、硅油和塑料软管三种材料包裹，带来三种材料之间的声阻抗匹配关系。如果其中的两种材料声阻抗不匹配，就会影响压力信号的测试结果。同时，由于水中压力传感器的输出电缆都比较长，电缆会受到自重、水或爆炸冲击波的冲击，使连接强度不高的电缆根部很容易松动，影响连接的可靠性。

三、PCB公司的138A型传感器价格昂贵，每枚售价4.3万元人民币，使得试验成本增加。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种改进的水中爆炸压力测量传感器，该传感器采用与水声阻抗匹配的、固化后呈高绝缘阻抗的硅橡胶材料封装晶体组件，用掺有粉末状石墨材料的硅橡胶涂抹在封装晶体组件后的柱体外层，以屏蔽噪声，该传感器的结构简单，成本低，又不易被爆炸产物击坏，输出电缆连接可靠，可用于复杂环境水中的爆炸压力测量。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种水中爆炸压力测量传感器，主要包括压电晶体组件和放大电路，放大电路放置在壳体中，压电晶体组件通过连接导线和放大电路连接，放大电路连接信号输出电缆，其特征在于：

所述的压电晶体组件由环氧树脂包覆封装在透声硅橡胶内部，透声硅橡胶的外表面涂覆有石墨层；

所述的放大电路由绝缘带包覆，由弹性硅橡胶封装在壳体内部，在壳体的一端连接有顶帽，信号输出电缆穿过顶帽与放大电路连接，在壳体还有固定信号输出电缆的螺钉。

本发明与传统的压电型压力传感器相比，带来的技术效果体现在以下几个方面：

1）用透声硅橡胶封装传感器的压电晶体组件，克服了传感器因液体封装方式易被爆炸产物击破软管进水，造成传感器的短路损坏的难题；提高了传感器抵抗破坏的能力，增强了传感器适应复杂水下爆炸环境的能力；

2）传感器的晶体组件使用了粉末状的石墨层作为抗干扰屏蔽材料，用无形代替了有形，优化了结构，又省略了现有的用于套装压电晶体组件的金属屏蔽网，以及减少了金属屏蔽网和壳体焊接的工艺步骤；

3）在壳体内用弹性硅橡胶封装放大电路，使放大电路在避免爆炸冲击波作用的同时，又可防止被水侵蚀；

4）壳体上的螺钉设置，即增加了壳体与信号输出输出电缆的连接强度，同时也保证了信号输出电缆的屏蔽层与壳体可靠连接，提高了传感器抗电磁干扰的能力和测试的可靠性；

5）本发明的水中爆炸压力测量传感器可以用于需要防水、透声环境和高绝缘阻抗环境下的物体封装，具有较广阔的应用前景；

6）目前进口的同类传感器价格每枚高达4.3万元人民币，本发明的水中爆炸压力测量传感器制作成本仅为进口同类产品价格的1/5～1/10，由于进行水中爆炸试验需要使用一定数量的敏感部件，而且因其在恶劣的环境条件下使用，爆炸试验中敏感部件又是易损件，采用本发明可以大幅度降低实验费用，其经济效益是可观的。

附图说明

图1是本发明的水中爆炸压力测量传感器的整体结构示意图；

图2是图1中I局部放大图；

图3是图2的俯视图。

图4、图5分别是采用本发明的水中爆炸压力测量传感器在不同深度水中测得的压力波形图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式

参见附图1~3，本发明的水中爆炸压力测量传感器，主要包括压电晶体组件1和放大电路5，压电晶体组件1通过连接导线2和放大电路5连接，放大电路5连接信号输出电缆11。

该传感器主要有两处封装，分别使用不影响各部件功能且非易损的材料进行封装；即：

压电晶体组件1由环氧树脂1-3包覆由封装在透声硅橡胶3内部，透声硅橡胶3的外表面涂覆有石墨层4；

压电晶体组件的这种封装其优点是：一、用透声硅橡胶封装压电晶体组件，当遇到爆炸产物打击到硅橡胶时，传感器不会发生渗水受潮而降低压电晶体绝缘阻抗的情况；只有当爆炸产物直接打击到压电晶体时，传感器才会被损坏。由于压电晶体的体积为φ3mm×0.7mm，只是柔性管体积φ12mm×100mm的0.175%，也就是说，压电晶体被爆炸产物直接打击到几率非常小，可极大地保证测试数据的获得。因此，用透声橡胶封装压电晶体组件是一种较为理想的方案。二、为了减少压电晶体组件封装的种类，只用一种与水声阻抗匹配的材料封装，减少因通过不同介质产生对压力信号传播的影响，极大提高了测试精度。三、为了防止压电晶体组件产生的噪声的影响，采用石墨涂层与透声硅橡胶封装压电晶体组件，不会在压电晶体组件形成其它有形的（如金属网）物质，不会对信号产生影响，即保护内部结构，又起到屏蔽噪声的作用，同时简化了传感器的结构和工艺。

用于晶体组件1封装的透声硅橡胶，使用与水的声阻抗相近、有弹性、易于操作的硅橡胶、引发剂和促进剂调配而成。对按一定比例调配的无色、透明的硅橡胶浆液经过抽真空，清除气泡处理后封装压电晶体组件1，再经过加温固化处理，达到绝缘阻抗和频率响应的要求，封装的压电晶体组件1的柱体尺寸为：外径φ10、长度为70mm。特别是封装晶体组件的透明的透声硅橡胶，很容易检验出封装的内部有无气泡，且固化后形成硬的弹性固体，不仅绝缘阻抗高，其特性阻抗与水的声阻抗匹配。

放大电路5由绝缘带6包覆，由弹性硅橡胶8封装在壳体7内部。弹性硅橡胶8的目的是吸收强冲击波，保护放大电路免受破坏，同时又可隔离空气和水的进入，满足密封要求；

绝缘带6包覆的作用：一是绝缘，避免放大电路5与壳体7接触，二是经过包覆和灌封硅橡胶之后，放大电路5周围可留有空间，使得通过的冲击波在经过空气层时发生反射，而不是直接作用在放大电路5上，进一步保护了放大电路5。

在壳体7的一端连接有顶帽10，低噪声输出电缆11穿过顶帽10与放大电路5连接，在壳体7还有固定输出低噪声电缆11的螺钉9。

用螺钉9紧固输出电缆11端部的铜网屏蔽层，来增加输出电缆11和壳体7的连接强度，同时也是保证输出电缆11的铜网屏蔽层与壳体7可靠的连接，可提高传感器工作的可靠性和抗电磁干扰能力。

以下是发明人给出的实施例：

1、压电晶体组件制备

压电晶体组件由晶片1-1，集电极1-2和连接导线2组成，制作时，将晶片1-1切割成直径3mm，厚0.7mm的圆片，在晶片1-2两个表面均匀地溅射上导电材料银或镍，形成集电极1-2，但晶片1-1侧面不能溅射上导电材料，以保证传感器的绝缘性能。根据晶片1-1表面的正负极性焊接两根不同颜色的导线，以示区别正负极。用绝缘的环氧树脂3将晶片1-1包覆，环氧树脂3不要太厚，固化后以备后用。

2、电路封装

本实施例中，输出电缆11选择低噪声电缆。

将低噪声电缆11的头部剥开2cm长度，剥开铜网屏蔽层，芯线从顶帽10细端的内孔穿出，铜网屏蔽层穿过顶帽10上的用于放置M3螺钉9的螺孔，铜网屏蔽层在螺孔外要留有一定的长度，以便再次穿出壳体7的螺纹孔；将放大电路5的输出端与低噪声电缆11的输出端的芯线以适中的长度按极性连接，之后在顶帽10内灌充弹性硅橡胶8，这时要使充入顶帽内的弹性硅橡胶8从顶帽10后部的内孔和螺孔溢出，以确保传感器输出低噪声电缆11的密封要求，但螺孔处的溢出不要太多，以和外圆平齐为好，然后放置一段时间等待固化。

低噪声电缆11和顶帽10固化后，用绝缘带6包裹放大电路5，但要露出放大电路5上的输入端焊点；将制备好的晶体组件1的晶片1-1、集电极1-2用连接导线2准备和放大电路5的输入端连接。将晶片1-1、集电极1-2的连接导线2从壳体7的前端穿出，并按正、负极性与放大电路5输入端的正、负端连接；然后在壳体7内充入弹性硅橡胶8，再把装有放大电路5和低噪声电缆11的顶帽10整体装入壳体7内，把低噪声电缆11的屏蔽网从壳体7的M3螺孔穿出散开并均匀分散在螺孔周边，拧入M3螺钉9，保证顶帽10和壳体7固联，保证低噪声电缆11的铜网屏蔽层和壳体7接连，同样充入的弹性硅橡胶8要从壳体的前端和M3螺孔有溢出，之后放置等待固化，也可以进行加温固化，缩短固化时间。

螺钉9的作用是：保证顶帽10不被强大的冲击波震开，增加低噪声耐辐射电缆11与壳体7的连接强度，又保证了低噪声耐辐射的铜网屏蔽层与壳体7的可靠连接。

3、压电晶体组件封装

当壳体7内封装放大电路5的弹性硅橡胶8固化后，开始准备封装压电晶体组件1。具体做法是用一个内径φ10、长度为100mm的塑料套管套在壳体前端的阶梯处，将压电晶体组件1套在其中，然后配制透声硅橡胶3。透声硅橡胶3用天马集团常州市建材二五三厂制造的不饱和聚酯树脂天马牌TM79-Ⅲ硅橡胶、天马集团常州市天鹏化工有限公司制造的引发剂L和促进剂E1按重量100g﹕4g﹕20滴（滴管20滴）的比例调配成透声硅橡胶浆液，将调配好的透声硅橡胶浆液抽真空清除气泡，然后缓慢地倒入塑料套管内，使透声硅橡胶浆液没过晶片10mm至15mm高度，静置一段时间，检验没有气泡存在后，加温到60℃烘干8小时，去掉塑料套管即可；以后连续重复进行5天的加温烘干，使绝缘阻抗达到10¹²Ω以上；

透声硅橡胶3封装后，在硅橡胶3的外表面涂覆石墨层4，石墨层4用不饱和聚79-Ⅲ硅橡胶、促进剂E1和引发剂L调配成浆液，在浆液里加入适量的石墨搅拌均匀，涂覆在柱体状的透声硅橡胶3表面，之后连续加温烘干5天，即成为石墨层。

经申请人实验表明，采用本发明的水中爆炸压力测量传感器，完全能够满足水中爆炸压力测量，不会对信号产生影响，可提高传感器工作的可靠性。

其主要性能见下表。

水中爆炸压力测量传感器主要性能表

申请人采用本实施例制备的水中爆炸压力测量传感器进行实验，得到的测试波形见图4附图5。其中，图4是在试验水池直径5m，水深2m，爆炸源为28.7g的TNT炸药，放置在水深1.6m处，测量传感器安置在离爆炸源0.9m，水深1.6m处所测得的压力波形。图5是在水池直径为85m，水深10m，爆炸源为1kg的TNT炸药，放置在深水8m处，采用两个传感器，其分别安置在离爆炸源3m和5m，水深8m处所测得的压力波形，结果表明，采用本发明的水中爆炸压力测量传感器，完全可以满足实验要求。

Claims (2)

1.一种水中爆炸压力测量传感器，主要包括压电晶体组件（1）和放大电路（5），放大电路（5）放置在壳体（7）中，压电晶体组件（1）通过连接导线（2）和放大电路（5）连接，放大电路（5）连接信号输出电缆（11），其特征在于：

所述的压电晶体组件（1）由环氧树脂（1-3）包覆封装在透声硅橡胶（3）内部，透声硅橡胶（3）的外表面涂覆有石墨层（4）；

所述的放大电路（5）由绝缘带（6）包覆，由弹性硅橡胶（8）封装在壳体（7）内部，在壳体（7）的一端连接有顶帽（10），信号输出电缆（11）穿过顶帽（10）与放大电路（5）连接，在壳体（7）还有固定信号输出电缆（11）的螺钉（9）。

2.如权利要求1所述的水中爆炸压力测量传感器，其特征在于，所述的透声硅橡胶（3）采用硅橡胶、引发剂和促进剂调配而成。

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