CN204154425U - 一种分离压杆式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分离压杆式压力传感器，包括螺纹连接头、支撑筒、顶帽、压杆以及应变测量元件，所述的压杆由入射压杆和透射压杆构成，螺纹连接头的前端设置有压紧螺钉和密封体，支撑筒一端旋入螺纹连接头，另一端与顶帽通过螺纹连接，入射压杆前端面与螺纹连接头平齐，入射压杆穿过压紧螺钉、密封体的中部，后端设置在支撑筒内，透射压杆前端穿过顶帽，在支撑筒内与入射压杆后端紧密接触，在透射压杆后端的顶帽内依次设置缓冲压板、缓冲垫以及调节螺杆，调节螺杆与顶帽之间通过螺纹连接，所述的应变测量元件设置在入射压杆上靠近透射压杆的一端。本实用新型量程范围广、响应时间快，且测量时间不再受杆长的限制，并具有较强的抗电磁干扰能力。

Description

一种分离压杆式压力传感器

技术领域

本实用新型属于传感技术领域，特别是涉及一种分离压杆式动态高压传感器。

背景技术

在近区爆炸冲击波防护研究、装甲及舰艇抗爆研究、爆炸发生装置、爆炸容器等研制中，需要进行接触或近距离、封闭或半封闭条件下实施化学爆炸，这种情况下作用在结构壁面的冲击波载荷参数是进行其结构动力响应分析、安全评估和工程设计的基础。获得准确、可靠的结构壁面上作用载荷的时间历程及分布情况，对研究结构动力响应意义重大。

压杆测压法最早是Hopkinson在1914年提出来的，其基本原理是已知压力作用在一细长杆的一端，它在杆内引发一个沿杆传播的应力波，在杆的某处黏贴敏感元件对此应力波进行测量，记录下它随时间的变化，即可得到作用在杆端部的压力信号。因压杆具有一定的长度，敏感元件可设计在离开压杆头部的一定位置，这样就可以避开爆炸火焰以及高温的直接作用，因此压杆压力传感器已被证明是一种原理简单、量程范围广、响应时间快、成本低、特别适合近区爆炸冲击波载荷测量的方法。但是，常用的压杆压力传感器也存在两个缺点：（1）假设压杆的长度为                                                ，敏感元件位于距离压杆尾端面处，尾端自由面反射应力脉冲传播到敏感元件时，反射脉冲就会与入射脉冲叠加，测量波形失真。因此,压杆的有效测量时间为，其中为杆中的应力波速度。如果要增加有效测量时间，就需增加压杆的长度，而长压杆的加工及安装支撑要求较高。（2）火药爆炸过程中会伴随着强烈的电磁干扰，目前的压杆压力传感器常用的敏感元件有压电晶体、电阻应变片等，其抗电磁干扰能力均不强，爆炸产生的电磁干扰信号容易通过细长杆上的敏感元件以及引线耦合进测试系统，导致测试信号严重失真。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种分离压杆式压力传感器，其不仅量程范围广、响应时间快，且测量时间不再受杆长的限制，并具有较强的抗电磁干扰能力。

为了实现上述技术目的，本实用新型采用的技术方案是，所述的分离压杆式压力传感器，包括螺纹连接头、支撑筒、顶帽、压杆以及应变测量元件，所述的压杆由入射压杆和透射压杆构成，螺纹连接头的前端设置有压紧螺钉和密封体，支撑筒一端旋入螺纹连接头，另一端与顶帽通过螺纹连接，入射压杆前端面与螺纹连接头平齐，入射压杆穿过压紧螺钉、密封体的中部，后端设置在支撑筒内，透射压杆前端穿过顶帽，在支撑筒内与入射压杆后端紧密接触，在透射压杆后端的顶帽内依次设置缓冲压板、缓冲垫以及调节螺杆，调节螺杆与顶帽之间通过螺纹连接，通过控制调节螺杆的旋入深度调节入射压杆前端面与螺纹连接头前端平齐作为感压面，所述的应变测量元件设置在入射压杆上靠近透射压杆的一端。

所述的支撑筒前端和后端分别设置有O型圈。

所述的密封体为铅块，用于传感器校准和使用时的密封。

所述的应变测量元件为光纤光栅。

本实用新型的技术效果在于，采用紧密接触的入射压杆和透射压杆代替传统的单根压杆，使得传感器的测量时间不再受杆长的限制，传感器整体尺寸小型化，安装使用比较方便；采用抗电磁干扰的光纤光栅作为敏感元件测试压杆中的应力波，不仅灵敏度高，测试过程也不受电磁干扰的影响，使得传感器的测试精度较高；采用屈服极限大于1000MPa的高强度合金钢制作入射压杆和透射压杆，并经适当的调质热处理和合理的长径比设计，使得传感器可测量大于1000 MPa的压力信号，同时具有小于10μs的快速响应时间。综上所述，本实用新型的传感器为获得准确、可靠的结构壁面上作用载荷的时间历程及分布情况提供了一种简单、可靠、高精度的测试方法，对防护工程、武器毁伤效应评估等领域研究结构动力响应意义重大。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为分离式压杆测压原理示意图。

图中：1、压紧螺钉，2、密封体，3、螺纹连接头，4、支撑筒，5、入射压杆，6、光纤光栅，7、透射压杆， 8、O型圈，9、顶帽，10、缓冲压板，11、缓冲垫，12、调节螺杆，13、应变测量元件，14、缓冲杆。

具体实施方式

结合附图，进一步说明本实用新型的具体实施例。

如图1所示：本实用新型所述的分离压杆式压力传感器，由压紧螺钉1、密封体2、螺纹连接头 3、支撑筒4、入射压杆5、光纤光栅6、透射压杆7、O型圈8、顶帽9、缓冲压板10、缓冲垫11、调节螺杆12组成，压紧螺钉1和密封体2置于螺纹连接头3的前端，入射压杆5从这三者中间穿过，支撑筒4一端旋入螺纹连接头3，另一端与顶帽9通过螺纹连接，将透射压杆7穿过顶帽9和支撑筒4与入射压杆5一端紧密接触，在顶帽9内透射压杆7的另一端依次放入缓冲压板10、缓冲垫11、调节螺杆12，调节螺杆12与顶帽9之间通过螺纹连接，控制调节螺杆12的旋入深度调节入射压杆5远离透射压杆7的那一端面与螺纹连接头3前端平齐作为感压面，本实用新型实施例中的应变测量元件采用的是光纤光栅6，其黏贴于入射压杆5上靠近透射压杆7的一端。螺纹连接头3主要用于传感器测量使用时与被测体的连接安装，并在连接头上设置环形槽，环形槽可放置紫铜垫圈用于连接头与被测体的密封；支撑筒4主要起对压杆的支撑和运动导向的作用，其与压杆之间通过O型圈8的作用保持一定的气隙；密封体2用于传感器校准和使用时的密封；缓冲压板10和缓冲垫11用于对透射压杆7的缓冲。

该分离压杆式压力器采用分离压杆的技术原理如下：

如图2所示，分离式压杆是将一根细长杆分成两段，即由一根杆变为两根杆，将其中与压力接触的杆称为入射压杆，第二根杆称为透射压杆。入射压杆自由端面与透射压杆端面平行接触，即两个平面上所有点都同时接触。当应力波到达两杆的界面时，由于波在界面处的反射和透射，产生两个传播方向相反的弹性压缩波，一个反射回入射压杆，另一个传入透射压杆，设在界面上的反射系数为，透射系数为，根据弹性波理论和界面两侧粒子速度相等以及力平衡原理，可导出

            ，                    （1）

式中，，，分别为入射压杆和透射压杆材料的波阻抗。

由于入射压杆和透射压杆采用同一材料，由式（1）可知，界面上的反射系数为0，因此，理想情况下，材料的声阻抗相等时，界面上不会发生反射，应力波完全透射进入透射压杆。

冲击波压力作用于入射压杆端部后，在入射压杆内产生的应力为，入射压杆以质点速度运动；当冲击波全部通过入射压杆进入透射压杆后，入射压杆内的应力为0，则入射压杆的质点速度也为0，入射压杆停止运动，而此时进入透射压杆的应力波还在使透射压杆以质点速度运动，因此入射压杆与透射压杆脱离；当在透射压杆中的应力波右行到达杆端部自由面时，反射回的应力波还会到达左端面，但此时透射压杆已与入射压杆脱离，应力波不再进入入射压杆。透射压杆在右行应力波和反射波的作用下还会继续运动到缓冲杆后停止。因此采用分离式压杆后，通过测量入射压杆中的应变，可得到作用于入射压杆端部的压力，由于应力波不再返回到入射压杆，压力的有效测量时间不再受杆长的限制。

本实用新型实施例中采用抗电磁干扰的光纤光栅作为应变测量元件测试压杆中的应力波，不仅灵敏度高，测试过程也不受电磁干扰的影响，使得传感器的测试精度较高。需要指出的是，在一些电磁干扰较弱或不存在的测量场合，可根据测量需求，将本实用新型的分离压杆式压力传感器上的应变测量元件更换为电阻应变片，降低测量成本。

Claims (4)

1.一种分离压杆式压力传感器，包括螺纹连接头、支撑筒、顶帽、压杆以及应变测量元件，其特征是：所述的压杆由入射压杆和透射压杆构成，螺纹连接头的前端设置有压紧螺钉和密封体，支撑筒一端旋入螺纹连接头，另一端与顶帽通过螺纹连接，入射压杆前端面与螺纹连接头平齐，入射压杆穿过压紧螺钉、密封体的中部，后端设置在支撑筒内，透射压杆前端穿过顶帽，在支撑筒内与入射压杆后端紧密接触，在透射压杆后端的顶帽内依次设置缓冲压板、缓冲垫以及调节螺杆，调节螺杆与顶帽之间通过螺纹连接，通过控制调节螺杆的旋入深度调节入射压杆前端面与螺纹连接头前端平齐作为感压面，所述的应变测量元件设置在入射压杆上靠近透射压杆的一端。

2.根据权利要求1所述的分离压杆式压力传感器，其特征是：所述的支撑筒前端和后端分别设置有O型圈。

3.根据权利要求1所述的分离压杆式压力传感器，其特征是：所述的密封体为铅块，用于传感器校准和使用时的密封。

4.根据权利要求1所述的分离压杆式压力传感器，其特征是：所述的应变测量元件为光纤光栅。