CN108593184B - 一种用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器 - Google Patents

一种用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器，包括电连接器、防护壳、压力盖板、压力腔、转接头、压环和密封堵头。在防护壳的内部依次设有压力敏感芯体、信号转接板、支柱和信号调理板，并通过电连接器实现信号调理板与外部供电系统和数据采集系统连接。压力敏感芯体的表面设有四个具有压敏效应的薄膜电阻，四个薄膜电阻组成惠斯通电桥，并将惠斯通电桥的引出点焊接至信号转接板上，当压力敏感芯体内腔受到压力作用时，薄膜电阻阻值发生变化，并在惠斯通电桥的输出端产生相应的电信号变化，并通过后续电路处理，实现爆破压力测量。本发明测量精度高、灵敏度高、温度特性优异，同时具有良好的频响特性。

Description

一种用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器
技术领域
本发明涉及一种可以实现对特种爆破压力测量的爆破压力传感器，主要用于火工品爆破压力测量领域。
背景技术
电起爆器起爆瞬间产生的爆破压力是评估电起爆器输出能量大小的重要指标。电起爆器起爆过程耗时极短(μs级)，且起爆瞬间会产生非常大的输出爆破压力(GPa级)，因此要求测量设备具有极高的频响特性和抗冲击能力。现有的爆破压力测量领域通常采用锰铜压阻式传感器进行接触式测量，利用锰铜材料的压阻效应，实现非电学量的转换测量。基于该传感器的爆破压力测量结果较为准确，但由于爆破压力过大，锰铜压阻式传感器仅能完成有限的几次测量即被破坏。同时，为了满足爆破压力测量需求，所选取的压阻元件和信号处理电路中的元器件也相应地具有很高频响特性和抗冲击能力，这在很大程度上增大了设计难度和测量成本。尤其在火工品研制阶段，爆破压力测量所带来的成本压力，对众多科研院来说通常是难以承受的。因此，为了控制成本，通常会限制爆破压力测量次数，这直接导致很难实现对电起爆器输出能量的系统评估，进而影响电起爆器的最终技术状态。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的设计难度大、无法多次测量、测量成本高等缺陷，进而提供一种易于设计、测量精度高、频响特性优异、成本低、可重复测量的一种用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器。
为实现上述发明目的而采用的技术解决方案如下所述：
一种用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器，主要包括电连接器(1)、防护壳(2)、压力盖板(4)、压力腔(16)、转接头(5)、压环(6)以及密封堵头(10)，在防护壳(2)的内部压力盖板(4)上依次设有压力敏感芯体(15)、信号转接板(12)、支撑柱(11)和信号调理板(3)，并通过电连接器(1)实现信号调理板(3)与外部供电系统和数据采集系统连接；
压力敏感芯体(15)的表面采用离子束溅射法制作四个具有压敏效应的薄膜电阻(21、22、23、24)，按照惠斯通电桥的组桥方式将四个薄膜电阻(21、22、23、24)进行组桥，并通过细金丝将惠斯通电桥的引出点焊接至信号转接板(12)上，当压力敏感芯体(15)内腔受到压力作用时，薄膜电阻(21、22、23、24)阻值发生变化，并在惠斯通电桥的输出端产生相应的电信号变化，整个过程即压力变化——薄膜电阻(21、22、23、24)阻值变化——电信号输出，并通过后续电路处理，实现压力信号测量；
信号转接板(12)上设有零点调节电阻(19)、灵敏度调节电阻(18)以及温度补偿电阻(20)，用于实现压力敏感芯体(15)输出零点、灵敏度的调节及温度特性的补偿；
信号调理板(3)上设有滤波和信号放大功能模块，分别实现对信号噪声的滤除和信号放大；
压力腔(16)侧面和底部分别设有通孔，用于安装转接头(5)和密封堵头(10)。
所述压力盖板(4)的中心区域设有一个通孔，而压力敏感芯体(15)通过激光焊接方式焊接至该通孔处。
所述压力敏感芯体(15)表面所设置的惠斯通桥路采用开桥方式设计，便于更精准地对压力敏感芯体(15)输出零点和温度特性补偿。
所述信号转接板(12)上的零点调节电阻(19)和灵敏度调节电阻(18)，均为精度≤0.1％高精度、温漂≤25ppm低温漂、温度-40～+125℃宽温区的电阻。
所述信号转接板(12)上的温度补偿电阻(20)采用负温度系数的金属丝，用于补偿压力敏感芯体(15)的温度特性，降低压力敏感芯体(15)的输出温漂。
所述信号转接板(12)上方设有两个支撑柱(11)，用于支撑信号调理板(3)。
所述压力腔(16)靠近压力盖板(4)的一个端面上，设有两个环形的密封槽(13、14)，用于放置O型密封圈，并通过与螺钉配合，实现压力盖板(4)与压力腔(16)的平面密封。
所述转接头(5)靠近压力腔(16)侧壁的平面上，设有一个环形的密封槽(9)，用于放置O型密封圈，并通过与螺钉的配合实现转接头(5)与压力腔(16)的平面密封；转接头(5)的内腔设置有M10的螺纹孔，用于安装起爆用的电起爆器(7)；转接头(5)靠近电起爆器(7)的一侧同样设置有一个环形的密封槽(8)，用于放置O型密封圈，并通过压环(6)的压紧实现转接头(5)与电起爆器(7)的平面密封。
所述压环(6)的中心区域设有一个通孔，用于通过电起爆器(7)的两个电极针，压环(6)的表面设有四个螺纹孔，用于压紧电起爆器(7)，防止起爆时，电起爆器(7)脱落。
所述密封堵头(10)靠近压力腔(16)底面的一个端面上，设有一个环形的密封槽(17)，用于放置O型密封圈，并通过与螺钉的配合实现密封堵头(10)与压力腔(16)的平面密封。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器，采用高精度、低温漂、宽温区的元器件，并进行零点、灵敏度调节以及温度补偿，因此，该传感器测量精度高、灵敏度高、温度特性优异；
2、本发明通过选取特定参数的电容、电阻、集成电路，实现了高频响特性，因此，传感器输出带宽高，频响特性优异；
3、本发明在信号调理电路中增加了滤波功能，能够滤除掉高频噪声，并且采用金属外壳封装，对外界电磁干扰进一步屏蔽，因此，传感器抗干扰能力强；
4、本发明采用非接触式测量方法，避免直接测量对传感器造成巨大冲击甚至损坏，因此，可实现传感器多次测量，并极大地降低测量成本；
5、本发明的结构设计合理，充分考虑的结构可靠性，因此抗振动、冲击能力强。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是图1的A向结构示意图。
图3是转接头结构示意图。
图4是图3的A向结构示意图。
图5是惠斯通桥路与零点调节电阻、灵敏度调节电阻、温度补偿电阻组成的原理简图。
上述图中的各数字标记分别是：1－电连接器，2－防护壳，3－信号调理板，4－压力盖板，5－转接头，6－压环，7－电起爆器，8－密封槽，9－密封槽，10－密封堵头，11－支撑柱，12－信号转接板，13－密封槽，14－密封槽，15－压力敏感芯体，16－压力腔，17－密封槽，18－灵敏度调节电阻，19－零点调节电阻，20－温度补偿电阻，21、22、23、24－薄膜电阻。
具体实施方式
参见附图1-5所示，本发明所述用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器由电连接器1、防护壳2、压力盖板4、压力腔16、转接头5、压环6以及密封堵头10等组成。在防护壳2的内部压力盖板4上依次设置有一只压力敏感芯体15、一块信号转接板12、两个支撑柱11和一块信号调理板3，并通过电连接器1，实现信号调理板3与外部供电系统和数据采集系统连接。
压力盖板4的中心区域设置一个通孔，而压力敏感芯体15通过激光焊接方式焊接至该通孔处。压力敏感芯体15的表面采用离子束溅射法制作四个具有压敏效应的薄膜电阻21、22、23、24，按照惠斯通电桥的组桥方式(开桥)将四个薄膜电阻21、22、23、24进行组桥，并通过细金丝将惠斯通电桥的引出点焊接至信号转接板12上，所述压力敏感芯体15表面所设置的惠斯通桥路采用开桥方式设计，便于更精准地对压力敏感芯体15输出零点和温度特性补偿。当压力敏感芯体15内腔受到压力作用时，薄膜电阻21、22、23、24阻值发生变化，并在惠斯通电桥的输出端产生相应的电信号变化，整个过程即压力变化——薄膜电阻21、22、23、24阻值变化——电信号输出，并通过后续电路处理，实现压力信号测量。
信号转接板12上设置有零点调节电阻19、灵敏度调节电阻18以及温度补偿电阻20，用于实现压力敏感芯体15输出零点、灵敏度的调节及温度特性的补偿。在信号转接板12上方安装有两个支撑柱11，用于支撑信号调理板3。信号调理板3上设置有滤波和信号放大功能模块，分别实现对信号噪声的滤除和信号放大。
压力腔16侧面和底部分别设置有通孔，用于安装转接头5和密封槽17。压力腔16靠近压力盖板4的一个端面上，设置有两个环形的密封槽13、14，用于放置O型密封圈，并通过与螺钉配合，实现压力盖板4与压力腔16的平面密封。
转接头5靠近压力腔16侧壁的平面上，设置有一个环形的密封槽9，用于放置O型密封圈，并通过与螺钉的配合实现转接头5与压力腔16的平面密封；转接头5的内腔设置有M10的螺纹孔，用于安装起爆用的电起爆器7；转接头5靠近电起爆器7的一侧同样设置有一个环形的密封槽8，用于放置O型密封圈，并通过压环6的压紧实现转接头5与电起爆器7的平面密封。
压环6的中心区域设置有一个通孔，用于通过电起爆器7的两个电极针，压环6的表面设置有四个螺纹孔，用于压紧电起爆器7，防止起爆时，电起爆器7脱落。
密封堵头10靠近压力腔16底面的一个端面上，设置有一个环形的密封槽17，用于放置O型密封圈，并通过与螺钉的配合实现密封堵头10与压力腔16的平面密封。
信号转接板12上的零点调节电阻19和灵敏度调节电阻18、信号调理板3上所选取的电阻、电容及集成电路等元器件均为高精度(≤0.1％)、低温漂(≤25ppm)、宽温区(-40～+125℃)器件；信号转接板12上的温度补偿电阻20采用负温度系数的金属丝；用于补偿压力敏感芯体15的温度特性，降低压力敏感芯体15的输出温漂。信号调理电路有针对性地进行了器件选型。因此，传感器测量精度高、灵敏度高、温度特性优异，同时具有良好的频响特性。
【应用实例】
采用本发明所述用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器测量电起爆器爆破压力的方法按以下步骤实现：
第一步，在转接头5靠近压力腔16的一侧密封槽9放置O型密封圈，并通过安装螺钉，实现转接头5与压力腔16的连接和平面密封；
第二步，在转接头5靠近电起爆器7的一侧密封槽8放置O型密封圈，将电起爆器7通过其M10的外螺纹旋装到转接头5的内螺纹；
第三步，将压环6穿过电起爆器7的两个电极针，并通过压环6、转接头5上对应的螺纹孔紧固螺钉，确保电起爆器7与转接头5之间的平面密封；
第四步，按照上述的方法，分别实现密封堵头10、压力盖板组件与压力腔16的密封；
第五步，将爆破压力传感器上的电连接器1连接至传感器供电系统和数据采集系统上，等待测量爆破压力信号；
第六步，将电起爆器7的两个电极针连接至对应的火工品供电系统上，打开电源，按下起爆开关，电起爆器瞬间即输出爆破能量，压力腔16内部压力值也会产生相应的变化，通过数据采集系统即可采集到瞬时压力值P1，由于P1与电起爆器7的爆破压力P0存在关系P1＝f(P0)，因此，利用P1即可得到电起爆器的爆破压力P0＝f-1(P1)。

Claims (9)

1.一种用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器，主要包括电连接器(1)、防护壳(2)、压力盖板(4)、压力腔(16)、转接头(5)、压环(6)以及密封堵头(10)，其特征在于：在防护壳(2)的内部压力盖板(4)上依次设有压力敏感芯体(15)、信号转接板(12)、支撑柱(11)和信号调理板(3)，并通过电连接器(1)实现信号调理板(3)与外部供电系统和数据采集系统连接；
压力敏感芯体(15)的表面采用离子束溅射法制作四个具有压敏效应的薄膜电阻(21、22、23、24)，按照惠斯通电桥的组桥方式将四个薄膜电阻(21、22、23、24)进行组桥，并通过细金丝将惠斯通电桥的引出点焊接至信号转接板(12)上，当压力敏感芯体(15)内腔受到压力作用时，薄膜电阻(21、22、23、24)阻值发生变化，并在惠斯通电桥的输出端产生相应的电信号变化，整个过程即压力变化——薄膜电阻(21、22、23、24)阻值变化——电信号输出，并通过后续电路处理，实现压力信号测量；
信号转接板(12)上设有零点调节电阻(19)、灵敏度调节电阻(18)以及温度补偿电阻(20)，用于实现压力敏感芯体(15)输出零点、灵敏度的调节及温度特性的补偿；
信号调理板(3)上设有滤波和信号放大功能模块，分别实现对信号噪声的滤除和信号放大；
压力腔(16)侧面和底部分别设有通孔，用于安装转接头(5)和密封堵头(10)；
所述转接头(5)靠近压力腔(16)侧壁的平面上，设有一个环形的密封槽(9)，用于放置O型密封圈，并通过与螺钉的配合实现转接头(5)与压力腔(16)的平面密封；转接头(5)的内腔设有的螺纹孔，用于安装起爆用的电起爆器(7)；转接头(5)靠近电起爆器(7)的一侧设有一个环形的密封槽(8)，用于放置O型密封圈，并通过压环(6)的压紧实现转接头(5)与电起爆器(7)的平面密封。
2.根据权利要求1所述的用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器，其特征在于：所述压力盖板(4)的中心区域设有一个通孔，而压力敏感芯体(15)通过激光焊接方式焊接至该通孔处。
3.根据权利要求1所述的用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器，其特征在于：所述压力敏感芯体(15)表面所设置的惠斯通桥路采用开桥方式设计，便于更精准地对压力敏感芯体(15)输出零点和温度特性补偿。
4.根据权利要求1所述的用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器，其特征在于：所述信号转接板(12)上的零点调节电阻(19)和灵敏度调节电阻(18)，均为精度≤0.1％高精度、温漂≤25ppm低温漂、温度-40～+125℃宽温区的电阻。
5.根据权利要求1所述的用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器，其特征在于：所述信号转接板(12)上的温度补偿电阻(20)采用负温度系数的金属丝，用于补偿压力敏感芯体(15)的温度特性，降低压力敏感芯体(15)的输出温漂。
6.根据权利要求1所述的用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器，其特征在于：所述信号转接板(12)上方设有两个支撑柱(11)，用于支撑信号调理板(3)。
7.根据权利要求1所述的用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器，其特征在于：所述压力腔(16)靠近压力盖板(4)的一个端面上，设有两个环形的密封槽(13、14)，用于放置O型密封圈，并通过与螺钉配合，实现压力盖板(4)与压力腔(16)的平面密封。
8.根据权利要求1所述的用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器，其特征在于：所述压环(6)的中心区域设有一个通孔，用于通过电起爆器(7)的两个电极针，压环(6)的表面设有四个螺纹孔，用于压紧电起爆器(7)，防止起爆时，电起爆器(7)脱落。
9.根据权利要求1所述的用于特种爆破压力测量的爆破压力传感器，其特征在于：所述密封堵头(10)靠近压力腔(16)底面的一个端面上，设有一个环形的密封槽(17)，用于放置O型密封圈，并通过与螺钉的配合实现密封堵头(10)与压力腔(16)的平面密封。
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