CN106872089A - 高量程动态压力测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种动态压力测量装置及其测量方法。该装置包括膜片、膜片测量探头和筒体，膜片安装于筒体的一端且与筒体内壁间隙配合，膜片测量探头安装于筒体的另一端；膜片测量探头与信号记录仪器相连。本发明解决了现有的压力传感器量程较低且易受电磁辐射干扰的技术问题。本发明通过测量膜片的运动参数，建立膜片运动参数与冲击压力之间的关系，进而完成压力测量，而不是利用常规的膜片形变量与压力之间的关系开展压力测量。结合光学干涉等技术，具有工作原理简单、成本低、频率响应快、抗电磁辐射能力强等优点，为瞬态压力测量提供新的途径。

Description

高量程动态压力测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种动态压力测量装置及其测量方法。

背景技术

在强冲击环境中，动态压力测量是常规的测试项目，压力历程的准确测量有助于判断冲击载荷特征，对兵器制造、防护工程等领域，有重要的参考价值。特别地，针对冲击波压力测量，要求压力传感器具有频率响应快、频带范围宽、量程高等特点。

目前常用的动态压力传感器有压电式、压阻式、压杆式(行波杆方法)等，而且现有市售高频响动态压力传感器均为压电类型，上升时间一般均大于μs量级，受压电晶体材料特性限制，其量程一般小于10MPa，易受电磁辐射干扰影响，容易损坏。而在近距离化爆等强动载环境中，冲击波压力峰值可达到GPa量级，且伴随有强电磁辐射，常规压力传感器已经不能适用。

发明内容

为了解决现有的压力传感器量程较低且易受电磁辐射干扰的技术问题，本发明提供一种高量程动态压力测量装置及其测量方法。

本发明的技术解决方案是：一种高量程动态压力测量装置，其特殊之处在于：包括膜片、膜片测量探头和筒体，所述膜片安装于筒体的一端且与筒体内壁间隙配合(可根据待测载荷特性选择多种支撑方式)，所述膜片测量探头安装于筒体的另一端；所述膜片测量探头与信号记录仪器相连。膜片的正面(即背向筒体的一面)受瞬态压力作用，是压力作用的效应物。筒体为膜片运动的限制机构，同时阻碍压力快速传播至膜片后方。膜片测量探头，用于测量膜片受压力作用后的位移或者速度等运动参数。膜片测量探头及其适配器的具体类型取决于测量方法的选择，例如PDV方法(一种激光干涉测速技术)、基于法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)光学干涉的位移测量方法、基于光强调制的位移测量方法、电涡流式位移测量方法等。

进一步地，上述膜片可采用由声速大、强度高的材料制成的薄膜结构，例如钢或者钨合金制成的圆形薄膜。声速大，有利于减小压力测量的响应时间；强度高，可避免膜片在瞬态压力作用下发生断裂破坏。上述筒体可采用由声速小的材料(例如铅或者锌)制成的管状结构，有利于延长瞬态压力测量的有效时长。

进一步地，上述膜片可采用胶粘的方式安装于筒体的一端，优选为粘性较差的液体胶，实施方便而且可以减少膜片运动阻力。

进一步地，上述膜片卡接在筒体内壁上，确保膜片可以在筒体内沿轴向自由移动。

进一步地，上述膜片固定安装于一个圆管内，所述圆管外壁与筒体的内壁间隙配合，所述圆管的长度大于膜片的厚度，圆管可以将膜片平稳固定同时又不影响膜片在待测压力下的轴向运动。

进一步地，上述膜片通过类圆环波纹结构安装于筒体的一端，类圆环波纹结构对膜片的拉力可以忽略。

进一步地，上述膜片测量探头为单模光纤准直器，所述单模光纤准直器通过单模光纤与调理仪相连，所述调理仪与信号记录仪器相连。

本发明还提供一种基于高量程动态压力测量装置的测量方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)将膜片安装于筒体一端，确保膜片可在筒体内沿轴向自由运动；

2)利用位于筒体另一端的膜片测量探头测量膜片在待测压力下的运动参数；

3)信号记录仪器采集膜片的运动参数并计算得出加速度信号a(t)，单位为m/s²；

4)按照公式P(t)＝h*ρ*a(t)计算得出待测压力值P(t)，单位为Pa；其中，h为膜片的厚度，单位为m；ρ为膜片的材料密度，单位为kg/m³。

步骤2)中测量的运动参数为位移信号或者速度信号；当运动参数为位移信号时，步骤3)中对位移信号进行二次微分运算得出加速度信号a(t)；当运动参数为速度信号时，步骤3)中对速度信号进行一次微分运算得出加速度信号a(t)。

进一步地，上述测量方法还包括步骤5)利用激波管产生动态压力，对计算得出的待测压力值P(t)进行验证和校准，以提高测量结果精度。具体方法是：在激波管末端的对称位置分别安装高精度动态压力传感器和本发明高量程动态压力测量装置，对比测量结果，完成验证和校准。

上述测量方法的测量原理如下：

将膜片近似为刚体(只限于轴向近似，且近似处理的前提是膜片厚度足够薄)，利用牛顿第二运动定律，如下公式：

F(t)＝m*a(t) (1)

其中，F(t)为膜片受到的压力(单位N)，m为膜片质量(单位kg)，a(t)为膜片的加速度(单位m/s²)，这里近似认为膜片受到的压力在膜片径向上是均匀的，进一步根据公式(1)可以得到下式：

P(t)*S＝S*h*ρ*a(t) (2)

其中，P(t)为待测压力值(单位Pa)，S为膜片受压面积(单位m²)，h为膜片厚度(单位m)，ρ为膜片密度(单位kg/m³)，进而得到压力的计算公式如下：

P(t)＝h*ρ*a(t) (3)

其中，h和ρ均在压力测量前获得，a(t)可以利用膜片测量探头得到的运动参数计算得出，对于膜片速度信号，进行一次微分运算，对于膜片位移信号，进行两次微分运算，即可得到膜片的加速度信号，进而利用公式(3)计算出压力。

利用以上方法进行压力测量的前提有：1)该压力测量方法，适用于开展瞬态冲击压力，例如压力信号上升沿为μs～ms量级；2)膜片足够薄，即膜片对压力的响应时间要远小于待测压力信号的上升时间；3)忽略空气阻力对膜片运动的影响，忽略膜片受到膜片支撑结构的作用力，即要求待测压力值较高，例如压力值大于MPa。

为提高压力测量精度，针对具体的压力测量探头，可以开展相应的力学分析和数值仿真，对获得的压力值进行补偿。

本发明的有益效果在于：本发明通过测量膜片的运动参数，建立膜片运动参数与冲击压力之间的关系，进而完成压力测量，而不是利用常规的膜片形变量与压力之间的关系开展压力测量。结合光学干涉等技术，具有工作原理简单、成本低、频率响应快、抗电磁辐射能力强等优点，为瞬态压力测量提供新的途径。

附图说明

图1为本发明高量程动态压力测量装置的较佳实施方式示意图。

其中，附图标记如下：1-膜片，2-圆管，3-筒体，4-堵头，5-膜片测量探头。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

参见图1，本实施例为一种高量程动态压力测量装置，其结构包括膜片1、膜片测量探头5和筒体3。膜片1安装于筒体3一端的圆管2上，圆管2的外壁与筒体3的内壁间隙配合。膜片1与筒体3之间也可以根据待测载荷特性选择多种支撑方式，保证膜片1平稳固定的同时又不影响膜片1在待测压力下的轴向运动即可。例如，可以选择胶粘方式实现，即选择粘性较差的丙烯酸类液体胶(不干胶)粘接膜片1的外周面与筒体3的内壁，膜片1与筒体3之间为间隙配合，间隙约为0.1mm量级。

膜片1由0.05mm厚的不锈钢膜裁剪为圆形制成，直径为5mm，密度为7910kg/m³。

筒体3为圆管状结构，材料为铅，内径5mm，外径9mm，长度40mm。

堵头4材料为不锈钢，其与筒体3丝接。

膜片测量探头5选用单模光纤准直器，其固定在堵头4上，单模光纤准直器最前端与膜片1的距离为30mm。采用PDV原理测量膜片运动速度，单模光纤准直器通过单模光纤与调理仪相连接，调理仪用于获取光学干涉信号，调理仪的主要结构包括相干激光器、光环行器和高频响光电探测器，光环行器的第一端口连接相干激光器，光环行器的第二端口通过单模光纤连接单模光纤准直器，光环行器的第三端口连接高频响光电探测器；高频响光电探测器与信号记录仪器相连。调理仪的基本工作原理是：将准直器探头直接反射回调理仪的激光作为参考光，将膜片1反射回调理仪的激光作为信号光，参考光与信号光发生干涉，利用高频响光电探测器的平方检测特性，得到干涉信号，并输入至信号记录仪器进行记录；

针对上述光学干涉信号，利用短时傅立叶、EMD等方法开展时频分析，可得到膜片1的速度v(t)，微分得到加速度a(t)，进而利用公式(3)计算出载荷压力。

为更加清晰地展现上述压力测量探头的相关性能，进一步计算其响应时间和有效工作时长。

响应时间取决于膜片材料、膜片结构、PDV测速响应时间和记录仪器带宽，但主要受制于膜片材料和结构。对0.05mm厚的不锈钢膜，其声速近似为5000m/s，则其响应时间小于应力波在膜片中来回传播3个周期所需时长，即响应时间小于60ns。

有效工作时长，这里指，从冲击压力开始作用在膜片1上，到冲击压力开始影响膜片测量探头5的时间长，主要取决于应力波在筒体3中的传播时长，按照40mm长的铅管计算，取声速1210m/s，对应的时长为33μs。当然，有效时长实际还受到膜片运动距离等因素限制，但主要受筒体3传播的应力波影响。为延长压力测量有效工作时长，可以适当加长筒体3的长度，或者在堵头4与膜片测量探头5之间采用类似直线轴承结构进行连接，以削弱应力波对膜片测量探头5的影响。

根据响应时间和有效工作时长的计算，可以得出，所述压力测量探头，可满足上升沿为μs量级、压力峰值大于MPa的冲击压力历程测量，测量有效时间约33μs。

Claims (10)

1.一种高量程动态压力测量装置，其特征在于：包括膜片、膜片测量探头和筒体，所述膜片安装于筒体的一端且与筒体内壁间隙配合，所述膜片测量探头安装于筒体的另一端；所述膜片测量探头与信号记录仪器相连。

2.根据权利要求1所述的高量程动态压力测量装置，其特征在于：所述膜片是为钢薄膜或者钨合金薄膜；所述筒体为铅管。

3.根据权利要求2所述的高量程动态压力测量装置，其特征在于：所述膜片采用胶粘的方式安装于筒体的一端。

4.根据权利要求2所述的高量程动态压力测量装置，其特征在于：所述膜片卡接在筒体内壁上，并可沿筒体内壁轴向自由移动。

5.根据权利要求2所述的高量程动态压力测量装置，其特征在于：所述膜片固定安装于一个圆管内，所述圆管外壁与筒体的内壁间隙配合，所述圆管的长度大于膜片的厚度。

6.根据权利要求2所述的高量程动态压力测量装置，其特征在于：所述膜片通过类圆环波纹结构安装于筒体的一端。

7.根据权利要求1-6中任一所述的高量程动态压力测量装置，其特征在于：所述膜片测量探头为单模光纤准直器，所述单模光纤准直器通过单模光纤与调理仪相连，所述调理仪与信号记录仪器相连。

8.一种基于高量程动态压力测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将膜片安装于筒体一端，确保膜片可在筒体内沿轴向自由运动；

2)利用位于筒体另一端的膜片测量探头测量膜片在待测压力下的运动参数；

3)信号记录仪器采集膜片的运动参数并计算得出加速度信号a(t)，单位为m/s²；

4)按照公式P(t)＝h*ρ*a(t)计算得出待测压力值P(t)，单位为Pa；其中，h为膜片的厚度，单位为m；ρ为膜片的材料密度，单位为kg/m³。

9.根据权利要求8所述的基于高量程动态压力测量装置的测量方法，其特征在于：步骤2)中测量的运动参数为位移信号或者速度信号；当运动参数为位移信号时，步骤3)中对位移信号进行二次微分运算得出加速度信号a(t)；当运动参数为速度信号时，步骤3)中对速度信号进行一次微分运算得出加速度信号a(t)。

10.根据权利要求8或9所述的基于高量程动态压力测量装置的测量方法，其特征在于：还包括以下步骤：

5)利用激波管产生动态压力，对计算得出的待测压力值P(t)进行验证和校准。