CN106248283A - 一种适用于温压爆炸场的耐高温压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于温压爆炸场的耐高温压力传感器，其主要特点是传感器由本体、隔热材料、隔热结构、膜片、压电晶体、电极片、密封台构成；外界冲击波作用到所述传感器上时，首先作用到隔热结构中的隔热材料上，消除热冲击效应后，传递到膜片上，膜片在冲击波压力作用下发生弹性变形，继而挤压下方的压电晶体，压电晶体在受到膜片弹性变形传递的压力后会发生相应的变形，并在电极片中产生与冲击波压力成正比的压电输出信号，通过传输电缆输出。本发明的显著优点是在500ms持续时间内能够隔离温压爆炸的热冲击作用，有效消除温压爆炸场瞬时高温对传感器的性能影响，实现冲击波压力变化曲线的完整获取，满足温压爆炸场的冲击波压力测试需求。
Description
技术领域
本发明属毁伤评估技术领域，主要涉及一种爆炸压力测试传感器，特别是一种适用于温压爆炸场的耐高温压力传感器。
背景技术
毁伤评估是综合考虑战役战术目的、战场环境、火力、目标性质等因素，综合分析与评定武器弹药对目标实际毁伤效果的过程。毁伤试验测试是毁伤评估数据获取的重要手段，有时甚至时唯一手段。美国毁伤评估的数据获取手段已从试验研究发展到实验与理论建模、数值模拟相结合，但从已有资料来看，试验测试仍是最主要的数据获取手段。因此，研究毁伤试验测试手段，有助于发展毁伤评估技术，推动武器弹药的研制使用。
毁伤试验测试技术不等同于通用测试技术，它需要考虑测试设备的毁伤场适用性问题，如高温、高压、大变形、高速应变等极恶劣工况下数据获取的可靠性和准确性问题。对于传统的高能炸药爆炸场，通常采用压电型压力传感器测量冲击波压力效应参量，压电型压力传感器的本体材料、膜片材料为不锈钢材料(热膨胀系数为11.8×10-6/℃)，压电材料为石英晶体(热膨胀系数为0.74×10-6/℃)。虽然高能炸药爆炸后产生的瞬时热冲击很高，但持续时间仅几毫秒，爆炸热冲击作用的对测试传感器的性能几乎没有影响。
与传统高能弹药爆炸场不同，温压弹药爆炸后经历了爆轰和后燃烧两个能量释放过程，爆轰过程对外输出急剧升高的冲击波压力效应，后燃烧过程由爆炸产物与环境空气混合释放大量热量，产生热效应，尤其是在密闭、半密闭等有限空间内可形成持续时间达数秒的爆炸火球。当采用传统的压电型压力传感器进行温压炸药爆炸冲击波测试时，在长达数百毫秒的高热冲击作用下，传感器结构的不锈钢材料和石英材料都会产生热变形。由于不锈钢材料热变形大，石英晶体材料热变形小，传感器敏感元件压电晶体的受力状态会发生改变，弹性系统的预紧力减小，导致传感器的性能参数发生改变，在获取的冲击波曲线的正压段信号后形成一个显著的负压脉冲，其数值有时可达到1MPa以上，远超过真空状态压力。
现有技术的不足和缺陷为：传感器前端压力敏感头的耐热性能差，在持续的高热冲击作用下，传感器响应特性的改变较大，测量稳定性差，无法获取完整的冲击波压力变化曲线。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，提出了一种适用于温压爆炸场的耐高温压力传感器，前端压力敏感头必须具有良好的耐热性能，能经受后燃烧阶段的热冲击，达到获取完整冲击波压力变化曲线的目的。
为解决上述技术问题，本发明提供的适用于温压爆炸场的耐高温压力传感器(如图1所示)包括本体、隔热材料、隔热结构、膜片、压电晶体、电极片、密封台。其中：
所述的本体由因瓦合金材料制作，整体呈厚壁圆筒形，为传感器的基体结构，中空部放置信号传输线缆，顶部连接密封台和压电晶体；所述的隔热材料处于传感器顶部，放置于隔热结构的空腔内，隔热材料可使用硅油等，用以隔绝外界冲击波作用的热冲击效应；所述的隔热结构处于敏感元件膜片的顶部，外部与密封台连接，由密封台固定其位置，隔热结构顶部有空腔，可以放置隔热材料；所述的膜片位于隔热结构的下方和压电晶体的上方，为两个顶面相连的锥台结构组成，锥台底部边缘与密封台连接，锥台其它部分与密封台留有一定空隙，膜片由因瓦合金材料制作，膜片在消除热冲击效应的冲击波压力作用下产生弹性变形，继而挤压下部的压电晶体；所述的压电晶体位于膜片的下方和本体的上方，四周与密封体紧密连接，由石英晶体制作，压电晶体的结构由外直径相同的两部分组成，上部的圆形薄片结构和下部的环形薄片结构，两部分之间放置有超薄的电极片，并从压电晶体下部结构的中空处引出，压电晶体在受到膜片弹性变形传递的压力后会发生相应的变形，并产生与膜片变形量成正比的压电输出信号；所述的电极片为一超薄的圆片结构，位于压电晶体上下两部分之间，直径与压电晶体相同，中心处与信号传输电缆连接，并从压电晶体下部的中空处穿过，并从本体的空腔处穿过，电极片将压电晶体产生的压电信号转化为一路电压信号，并通过传输电缆将其传出。
所述隔热结构的顶部呈浅盘装(如图2所示)，外径为6.4mm，内径为5.2mm，内径略大于膜片的直径，使隔热结构与膜片之间留有间隙，避免膜片的形变受到隔热结构的干扰。隔热结构的壁厚为0.6mm，保证隔热结构具有一定的刚度。隔热结构的空腔深度为1.0mm，填充隔热材料后，可以在500ms范围内显著降低热冲击对膜片的影响，避免膜片预紧力发生变化，使传感器压力信号产生漂移。
隔热结构的自振频率可根据四分之一波长公式计算
其中，c0为隔热材料的声速，l为隔热材料厚度。空腔深度为1.0mm时，隔热结构的自振基频为375KHz，远大于一般温压爆炸场的冲击波频率，对传感器频响特性的影响很小。
本发明的有益效果体现在以下几个方面：
(1)本发明提出的一种耐高温冲击波压力传感器，传感器结构材料采用低热线胀系数材料制作，敏感头结构上设计了热隔离腔体结构，充满的隔热材料隔离爆炸热作用。传感器的压力测量量程为0～30MPa，在持续时间500ms以内，温压爆炸热效应对传感器输出特性无明显影响，能够有效地隔离温压炸药爆炸瞬时高温环境对传感器的性能影响。
(2)本发明提出的一种适用于温压爆炸场的耐高温压力传感器，可以获取温压爆炸压力测试中包括后燃烧阶段的完整的冲击波压力变化曲线，实现对温压爆炸压力的完整描述。
附图说明
图1是一种适用于温压爆炸场的耐高温压力传感器结构图；
图2是耐高温压力传感器的隔热结构图；
图3是耐高温压力传感器与传统压力传感器热冲击性能曲线；
图4是压力传感器测试曲线。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
如图1所示，本发明的优选实施例是一种适用于温压爆炸场的耐高温压力传感器，由本体1、隔热材料2、隔热结构3、膜片4、压电晶体5、电极片6、密封台7构成。
外界冲击波作用到所述传感器上时，首先作用到隔热结构3中的隔热材料2上，隔绝热冲击效应后，传递到膜片4上，膜片4在冲击波压力作用下发生弹性变形，继而挤压下方的压电晶体5，压电晶体5在受到膜片4弹性变形传递的压力后会发生相应的变形，并在电极片6中产生与冲击波压力成正比的压电输出信号，通过传输电缆输出。
膜片4和本体1选用因瓦合金材料，在20～200℃的温度范围内的热膨胀系数小于6.6×10-6/℃，大约是不锈钢材料热膨胀系数的1/2，与压电晶体5的热膨胀系数7.4×10-6/℃相当。在受到热冲击作用时，本体1、膜片4和压电晶体5的热变形差较小。
在传感器的结构上，在敏感元件前端设计了隔热结构3，在空腔中充满了隔热材料2隔离外界热能向传感器内部传导。此热传导过程是一个非稳态导热过程，传感器内部温度随着时间的推移逐渐趋于恒定的值，可用下式描述这一问题：
其中：t为敏感面温度，t0为传感器初始温度，tw为突然升高的传感器端面温度，x为传感器端面至敏感面的距离，τ为计算时刻，无量纲量η＝0.5x(aτ)-0.5，erfη为误差函数。隔热材料以硅油为例，设初始温度t0＝20℃，tw＝1000℃，x＝1mm，τ＝500ms，硅油ρ＝0.96g/cm3，导热系数λ＝0.159w/(m.K)，比热容c＝1.63×103J/(kg.K)。带入方程(1)，得到传感器敏感面温度为21.6℃，温升为1.6℃。可见当以硅油作为隔热材料时，如果外界温度从室温瞬态上升为1000℃时，在500ms的时间内，传感器结构的敏感元件受外界温度影响较小，其输出信号是有效冲击波超压信号。
为了验证热冲击对传感器性能的影响，采用瞬时热冲击模拟装置进行压力传感器耐热效应对比试验。将设计耐高温压力传感器和传统压力传感器同时安装在一钢质安装座上，放置在一平板上。用以乙炔焊枪喷射火焰为加热源，加热一钢质圆块，加热到钢块发红为止。迅速将加热块垂直跌落到安装座上，记录两传感器输出信号比对，如图3所示。从中可以看出，传统压力传感器在0.3s后形成十分显著的负信号，随后在1.2s后逐渐回升，并在3s附近输出最大正信号，这是由于传感器结构材料产生相对热变形，使敏感元件的受力状态发生变化，造成传感器的性能参数改变；而耐高温压力传感器在0～0.3s期间没有信号输出，在0.3～1s期间几乎一直处于零线，此后热量传递到传感器内部使其产生微弱负信号，但已经超出常规温压炸药爆炸时的压力效应作用时间，不影响压力效应的完整采集记录。
申请人采用本发明进行了某配方温压药的爆炸塔冲击波超压测试试验。试验药量为1Kg，炸高1.5m。本发明的耐高温压力传感器和传统压力传感器安装在同一测试墩上，放置在距离爆心2.5m的地面上。图4是测试的冲击波超压曲线，从图中可以发现，冲击波到达传感器敏感面后，产生瞬时超压输出信号。随后，本发明的耐高温压力传感器输出信号几乎在零线上，直到0.05s时间时出现一微弱正压信号，这是温压炸药后燃烧过程产生的低压信号；此时，传统压力传感器输出一显著负压信号，这是爆炸热量传递到传感器内部敏感元件上改变了传感器受力状态而产生的畸变输出信号。
从分析结果和测试结果可以看出，和传统压力传感器相比，本发明提出的一种适用于温压爆炸场的耐高温压力传感器，在500ms持续时间内能够隔离温压爆炸的热冲击作用，有效消除温压爆炸场瞬时高温对传感器的性能影响，实现获取完整冲击波压力变化曲线的目的，说明本发明适用于温压爆炸场的冲击波压力测试。
Claims (1)
1.一种适用于温压爆炸场的耐高温压力传感器，其特征在于，包括本体(1)、隔热材料(2)、隔热结构(3)、膜片(4)、压电晶体(5)、电极片(6)、密封台(7)；所述的隔热材料(2)为隔热油脂，隔热结构(3)的顶部呈浅盘状，膜片(4)为两个顶面相连的锥台结构；所述的隔热结构(3)上部外径为6.4mm，内径为5.2mm，壁厚为0.6mm，保证隔热结构(3)具有一定的刚度，空腔深度为1.0mm；所述隔热结构(3)的内径略大于膜片(4)的直径，使隔热结构(3)与膜片(4)之间留有间隙，避免膜片(4)形变受到隔热结构(3)的干扰，隔热结构(3)上部的空腔填充隔热材料(2)，降低热冲击对膜片变形的影响；所述的隔热结构(3)与密封台(7)连接固定，膜片(4)锥台底部边缘与密封台(7)连接；所述的本体(1)、膜片(4)和隔热结构(3)选用因瓦合金材料，在20～200℃的温度范围内的热膨胀系数为6.6×10-6/℃，减小热冲击作用时它们之间的变形差。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161221 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |