CN110672263A - 一种冲击波压力传感器现场校准装置及方法 - Google Patents

一种冲击波压力传感器现场校准装置及方法 Download PDF

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张永建
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Abstract

本发明公开了一种冲击波压力传感器现场校准装置及方法，装置包括校准测试模块、数据采集处理模块、环境信号采集模块。方法包括：形成等边三角阵列的三个测速压力传感器以及位于阵列中心的被校压力传感器构成校准测试模块；将校准测试模块置于测试场地的测点处并将其调水平；由数据采集处理模块捕获的冲击波压力信号曲线获取压力到达时刻和压力峰值，并结合环境信号采集模块采集的环境信息进行压力信号计算，获取被校压力传感器幅值灵敏度。本发明克服了冲击波测量过程中同测点处常出现测量值不一致导致直接压力对比法校准结果不稳定，以及测速法校准中冲击波传播方向上测点距离难以准确获取的问题，利用三角阵法实现野外冲击波压力传感器现场高精度便捷校准。

Description

一种冲击波压力传感器现场校准装置及方法
技术领域
本发明属于测试计量技术领域，具体涉及一种冲击波压力传感器现场校准装置及方法。
背景技术
压力传感器校准技术研究及校准工作主要集中在实验室内的静态、准静态、动态校准，未能体现现场实际工况对冲击波压力测试系统的影响，经实验室校准合格的冲击波压力传感器/测量系统，用于现场测试时无法保证其测量的准确性；现有的利用速度法对传感器进行校准方法(激波管校准方法)若直接运用于野外，也会因无法准确获取冲击波波阵面传播方向导致测速传感器间沿冲击波传播方向距离无法准确获取，造成冲击波速度测量不准确、校准精度低。
中国专利201020529274.7公开了一种压力传感器现场校准装置，主要压力泵和压力传感器现场综合校准仪组成，该校准方法只适用于实验室环境，无法提供野外复杂工况的校准条件。
中国专利201620627531.8公开了一种摆锤式冲击波压力传感器现场校准装置，该校准方法为通过摆锤撞击滑块，滑块挤压油缸产生压力脉冲，从而实现压力传感器的动态校准，当该方法仍然只适用于实验室内冲击波压力传感器校准，且并不能提供爆炸冲击波超压测试现场复杂的工况和冲击波超压与传感器的耦合关系。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冲击波压力传感器现场校准装置及方法，利用三角阵测速法和兰金雨贡纽关系，分析计算出准确的理论压力值，解决现有冲击波压力传感器现场直接比对存在校准不稳定、精度低的问题，以及速度法校准难以确定沿冲击波传播方向传感器间的距离导致的校准精度低的问题，且无需约束校准测试装置的摆放方向，具有校准便捷等优点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种冲击波压力传感器现场校准装置，包括校准测试模块、数据采集处理模块、环境信号采集模块；
所述校准测试模块，包括校准测试平台，以及设置在该测试平台上的三个测速压力传感器和一个未知灵敏度的被校压力传感器，三个测速压力传感器构成等边三角阵列，被校压力传感器设置于等边三角阵列的中心；用于采集爆炸源产生的冲击波压力信号，并将压力信号转换为电信号通过低噪声屏蔽信号线传输至数据采集处理模块；
所述数据采集处理模块，用于采集超压信号和求取冲击波超压峰值，进而求取被校压力传感器的灵敏度参数；
所述环境信号采集模块，用于采集环境大气压、温湿度、风力方向信息，为数据采集处理模块求取冲击波超压峰值提供修正参数。
一种冲击波压力传感器现场校准方法，包括以下步骤：
步骤1、将三个测速压力传感器以等边三角阵列的形式安装于测试平台上，将未知灵敏度的被校压力传感器安装于等边三角阵列的中心，构成校准测试模块，调节每个传感器的安装高度使所有传感器的端面平齐；
步骤2、依据爆炸源等效TNT当量产生的压力场分布情况，结合被校压力场传感器的量程在测试场地上选取测点；
步骤3、将校准测试模块放置在测点处并将其调水平，同时通过低噪声屏蔽信号线将校准测试模块与数据采集处理模块相连；
步骤4、依据爆炸源等效TNT当量和被校压力传感器的类型及量程对数据采集处理模块进行参数设置；
步骤5、引爆爆炸源，根据数据采集处理模块采集捕获的测速压力传感器和被校压力传感器的冲击波压力信号曲线获取压力到达时刻和压力峰值，并结合环境信号采集模块采集的环境信息进行计算，获取被校压力传感器幅值灵敏度。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)适用于野外复杂环境的冲击波超压现场校准；2)采用速度法对冲击波压力传感器进行现场校准，对峰值测量精度无要求，因此能很好的适应各种爆炸现场恶劣的工况；3)采用三角阵布置测速压力传感器，无需判断冲击波传播方向和传感器沿冲击波传播方向的法线距离，即可直接计算出冲击波传播方向和传播速度，校准精度高，且无需考虑校准测试装置的摆放方向，使用方便；4)利用校准测试装置上的水平气泡即可实现装置的快速调平，方便快捷；5)可替代性、可拓展性强，利用廉价的PVDF膜等压电元件即可替代测速压力传感器。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明冲击波压力传感器现场校准装置结构图。
图2为本发明冲击波压力传感器现场校准方法流程图。
图3为本发明冲击波压力传感器现场校准装置中传感器安装位置图。
具体实施方式
结合图1，本发明冲击波压力传感器现场校准装置，包括校准测试模块3、数据采集处理模块6、环境信号采集模块7；
校准测试模块3，结合图3，包括校准测试平台，以及设置在该测试平台上的三个测速压力传感器和一个未知灵敏度的被校压力传感器4，三个测速压力传感器构成等边三角阵列，被校压力传感器4设置于等边三角阵列的中心；用于采集爆炸源1产生的冲击波压力信号，并将压力信号转换为电信号通过低噪声屏蔽信号线传输至数据采集处理模块6；
数据采集处理模块6，用于采集超压信号和求取冲击波超压峰值，进而求取被校压力传感器4的灵敏度参数；
环境信号采集模块7，用于采集环境大气压、温湿度、风力方向信息，为数据采集处理模块6求取冲击波超压峰值提供修正参数。
进一步地，在其中一个实施例中，该装置还包括设置在所述测试平台上水平气泡8，用于实现将校准测试模块3快速调水平。
结合图2，本发明的冲击波压力传感器现场校准方法，包括以下步骤：
步骤1、将三个测速压力传感器以等边三角阵列的形式安装于测试平台上，将未知灵敏度的被校压力传感器安装于等边三角阵列的中心，构成校准测试模块，调节每个传感器的安装高度使所有传感器的端面平齐；
步骤2、依据爆炸源等效TNT当量产生的压力场分布情况，结合被校压力场传感器的量程在测试场地上选取测点；
步骤3、将校准测试模块放置在测点处并将其调水平，同时通过低噪声屏蔽信号线将校准测试模块与数据采集处理模块相连；
步骤4、依据爆炸源等效TNT当量和被校压力传感器的类型及量程对数据采集处理模块进行参数设置；
步骤5、引爆爆炸源，根据数据采集处理模块采集捕获的测速压力传感器和被校压力传感器的冲击波压力信号曲线获取压力到达时刻和压力峰值，并结合环境信号采集模块采集的环境信息进行计算，获取被校压力传感器幅值灵敏度。
进一步地，在其中一个实施例中，步骤1中调节传感器的安装高度具体通过垫圈进行调节。
进一步地，在其中一个实施例中，步骤5具体为：
步骤5-1、根据数据采集处理模块采集捕获的测速压力传感器的冲击波压力信号曲线的上升沿获取冲击波超压到达三个测速压力传感器的时刻，根据数据采集处理模块采集捕获的被校压力传感器的冲击波压力信号曲线获取被校压力传感器超压峰值对应的电压值U1；
步骤5-2、依据速度矢量关系和冲击波超压到达时刻获得三角阵速度计算模型为：
Figure BDA0002187634650000041
式中，V表示冲击波超压传播速度；L表示测速传感器等边三角阵边长；t1、t2、t3表示冲击波超压到达三个测速压力传感器的时刻；
利用该模型求取冲击波超压传播速度；
步骤5-3、结合冲击波超压传播速度、环境信号采集模块采集的环境参数及兰金雨贡纽空气冲击波关系计算模型求解理论超压峰值ΔP2为：
Figure BDA0002187634650000042
其中，
式中，ΔP2表示冲击波超压峰值；P1表示当地大气压；k为常数，与测试环境有关；M表示马赫数；V表示冲击波超压传播速度；c表示当地声速；
步骤5-4、根据数据采集处理系统采集到的被校压力传感器超压峰值对应的电压值U1和步骤5-3求取的理论超压峰值ΔP2，求取被校压力传感器的灵敏度S为：
Figure BDA0002187634650000051
示例性地，在其中一个实施例中，步骤5-3中的k取1.4。
本发明克服了冲击波测量过程中同测点处常出现测量值不一致导致直接压力对比法校准结果不稳定，以及测速法校准中冲击波传播方向上测点距离难以准确获取的问题，利用三角阵法实现野外冲击波压力传感器现场高精度便捷校准。

Claims (6)

1.一种冲击波压力传感器现场校准装置，其特征在于，该装置包括校准测试模块(3)、数据采集处理模块(6)、环境信号采集模块(7)；
所述校准测试模块(3)，包括校准测试平台，以及设置在该测试平台上的三个测速压力传感器和一个未知灵敏度的被校压力传感器(4)，三个测速压力传感器构成等边三角阵列，被校压力传感器(4)设置于等边三角阵列的中心；用于采集爆炸源(1)产生的冲击波压力信号，并将压力信号转换为电信号通过低噪声屏蔽信号线传输至数据采集处理模块(6)；
所述数据采集处理模块(6)，用于采集超压信号和求取冲击波超压峰值，进而求取被校压力传感器(4)的灵敏度参数；
所述环境信号采集模块(7)，用于采集环境大气压、温湿度、风力方向信息，为数据采集处理模块(6)求取冲击波超压峰值提供修正参数。
2.根据权利要求1所述的冲击波压力传感器现场校准装置，其特征在于，该装置还包括设置在所述测试平台上的水平气泡(8)，用于实现将校准测试模块(3)快速调水平。
3.一种冲击波压力传感器现场校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将三个测速压力传感器以等边三角阵列的形式安装于测试平台上，将未知灵敏度的被校压力传感器安装于等边三角阵列的中心，构成校准测试模块，调节每个传感器的安装高度使所有传感器的端面平齐；
步骤2、依据爆炸源等效TNT当量产生的压力场分布情况，结合被校压力场传感器的量程在测试场地上选取测点；
步骤3、将校准测试模块放置在测点处并将其调水平，同时通过低噪声屏蔽信号线将校准测试模块与数据采集处理模块相连；
步骤4、依据爆炸源等效TNT当量和被校压力传感器的类型及量程对数据采集处理模块进行参数设置；
步骤5、引爆爆炸源，根据数据采集处理模块采集捕获的测速压力传感器和被校压力传感器的冲击波压力信号曲线获取压力到达时刻和压力峰值，并结合环境信号采集模块采集的环境信息进行计算，获取被校压力传感器幅值灵敏度。
4.根据权利要求3所述的冲击波压力传感器现场校准方法，其特征在于，步骤1所述调节传感器的安装高度具体通过垫圈进行调节。
5.根据权利要求1所述的冲击波压力传感器现场校准方法，其特征在于，步骤5具体为：
步骤5-1、根据数据采集处理模块采集捕获的测速压力传感器的冲击波压力信号曲线的上升沿获取冲击波超压到达三个测速压力传感器的时刻，根据数据采集处理模块采集捕获的被校压力传感器的冲击波压力信号曲线获取被校压力传感器超压峰值对应的电压值U1；
步骤5-2、依据速度矢量关系和冲击波超压到达时刻获得三角阵速度计算模型为：
Figure FDA0002187634640000021
式中，V表示冲击波超压传播速度；L表示测速传感器等边三角阵边长；t1、t2、t3表示冲击波超压到达三个测速压力传感器的时刻；
利用该模型求取冲击波超压传播速度；
步骤5-3、结合冲击波超压传播速度、环境信号采集模块采集的环境参数及兰金雨贡纽空气冲击波关系计算模型求解理论超压峰值ΔP2为：
Figure FDA0002187634640000022
其中，
Figure FDA0002187634640000023
式中，ΔP2表示冲击波超压峰值；P1表示当地大气压；k为常数，与测试环境有关；M表示马赫数；V表示冲击波超压传播速度；c表示当地声速；
步骤5-4、根据数据采集处理模块采集到的被校压力传感器输出的超压峰值对应的电压值U1和步骤5-3求取的理论超压峰值ΔP2，求取被校压力传感器的灵敏度S为：
Figure FDA0002187634640000024
6.根据权利要求5所述的冲击波压力传感器现场校准方法，其特征在于，所述步骤5-3中的k取1.4。
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