CN2090527U - 运动加速度自补偿压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种对运动加速度具有自补 偿作用的压力传感器，由传感器本体，专用箔式应变 计、绝缘座和针座组成。传感器本体中部有凸台，保 证传感器的中轴线与运动件的运动方向一致。将它 固定在运动件上测量运动件周围的气体压力时能自 动排除运动加速度所造成的系统误差。本实用新型 特别适用于枪、炮射击中测量弹底压力曲线、火箭飞 行中测量燃烧室压力曲线以及活塞式发动机、气锤和 风动工具等产品在其工作的全过程中在作动件上准 确测量工质气体的推动压力。

Description

动压力传感器有许多式样，但它们都只能作固定位置处的压力测量。如果将传感器安装在运动另件上，以测量该另件周围的压力变化，当该另件作不定常的加速或减速时，传感器的受感元件必受到被测压力和它的自身质量所产生的惯性力的双重作用，因此，它所输出的讯号不仅与被测压力有关，而且还与运动加速度有关。这表明：上述情况下测出的压力曲线必包含有运动加速度引起的附加讯号，即：所得到的实测结果中存在着系统误差。当运动件的加速度（A）与重力加速度（g）的比值达到20000～100000时，此即枪、炮射击时弹丸运动的实际情况，如此巨大的加速度将对运动件周围的压力测量带来严重的影响，并引起惊人的误差；这是由于此种不定常的加速运动难以摹拟、传感器的压力标定仍只能在静止状态下完成。

在枪、炮射击中测量弹底压力曲线就是上述情况的一个实例。弹底压力即为射击中炮膛内的火药气体推动弹丸前进的压力。为测量真实的弹底压力曲线、在其中排除弹丸加速度引起的系统误差，目前只能按以下方法进行：先做一组射击，用安装在炮弹内的压力传感器测出包含有弹丸加速度附加讯号的压力曲线；然后在同样条件下，用同样的传感器再做一组射击，此时将弹底测压孔堵死，由于传感器的受感元件仅感受惯性力的作用而输出弹丸加速度引起的附加讯号；根据所得到的两组曲线，在求出各自的平均曲线后，再通过数据处理在测得的结果中排除弹丸加速度引起的系统误差，而得出一条有代表性的弹底压力曲线。显然，这种做法不仅耗费惊人而且不准确，因为每发射击中弹丸加速的变化规律是有差别的。因此，在一发射击中实现弹底压力的准确测量是当前兵器测试中迫切需要解决的难题。CN88107493号专利，根据弹底压力与弹丸加速度之间存在确定的函数关系的情况，在一定条件下找出了一个物理量，它在射击中仅与弹底压力有关而与弹丸加速度无关，从而发明了一种测量弹底压力的应变式专用传感器以及有关的技术和设备，以解决此项难题；但当被测压力与运动加速度不存在确定的函数关系时，该专利仍难奏效。本发明的目的是为了彻底地解决此项难题，在测量运动件周围的气体或液体压力时，利用自补偿的办法，使传感器能自动排除运动加速度对测压准确性的影响，从而使所输出的讯号仅与被测压力有关而恒与运动加速度无关。

以下是这种加速度自补偿压力传感器的工作原理：

在附图1中，它由本体1，绝缘座2，针座3、4和专用箔式应变计5组成；本体1的中部有凸台a，用于和运动件相联接、保证传感器的中轴线与运动方向平行。附图2为贴于本体内表面的专用箔式应变计的构造图，它在m、n处由两个应变栅串联而成。附图3为这种传感器在测压炮弹内的安装图，6为运动加速度自补偿压力传感器，7为测压炮弹，8为火炮身管，9为应变计至应变电桥的引出导线；射击中，测压炮弹沿运动方向V作加速运动，这时传感器本体的左半部将受到被测压力P与弹丸加速度A的双重作用，它的右半部则仅受弹丸加速度A的作用。传感器本体左、右半部的分界处为凸台a（见附图1）；在加速度A的作用下，这两半部受自身惯性力的作用而产生的轴向应力和轴向应变的方向恒是相反的。在本体的内表面或外表面的m、n处贴应变计，它们的电阻分别为R_m和R_n，应变计的灵敏系数分别为K_m和K_n，将R_m和R_n按附图4串联后接入直流应变电桥的一个臂，则电桥的输出电压U_SC在一定条件下仅与被测压力有关而恒与运动加速度无关。这是由于：m处传感器本体的轴向应变应为：

ε_m＝ 1/(E) ［－PS／S_m＋Q_cmA／（gS_m）］

式中：E为传感器本体的弹性模数；S为传感器的工作面积，并有S＝ (π)/4 d² ₀；S_m为m处传感器本体的截面积，并有S_m＝ (π)/4 （d² ₀－d² ₁）；Q_cm为传感器在cm段的重量。

该处应变计电阻的相对变化 (△Rm)/(Rm) 则为：

(△Rm)/(Rm) ＝K_mε_m＝ (Km)/(E) ［－PS／S_m＋Q_cmA／（gS_m）］ （1）

n处传感器本体的轴向应变ε_n应为：

ε_n＝－ 1/(E) 〔Q_ndA／（gS_n）

式中：Q_nd为传感器在nd段的重量

S_n为n处传感器本体的截面积，并有S_n＝ (π)/4 （d² ₂－d² ₁）

此处应变计电阻的相对变化 (△Rn)/(Rn) 则为：

(△Rn)/(Rn) ＝K_nε_n＝ (Kn)/(E) ［－Q_ndA／（gS_n）］ （2）

当将R_m、R_n串联后接入应变电桥的一个臂时，则该臂总电阻R应为：

R＝R_m＋R_n

并有 ΔR＝ΔR_m＋ΔR_n

或： ΔR／R＝( (△Rm)/(Rm) )( (Rm)/(R) )+( (△Rn)/(Rn) )( (Rn)/(R) )

将公式（1）、（2）代入，得：

(ΔR)/(R) ＝ (Km)/(E) ［－PS／S_m＋Q_cmA／（gS_m）］ (Rm)/(R) ＋ (Kn)/(E) ［－Q_ndA／（gS_n）］ (Rn)/(R)

要使 (ΔR)/(R) 恒与加速度A无关，则上式中必须有：

(Km)/(E) · (Rm)/(R) · (QcmA)/(gSm) － (Kn)/(E) · (Rn)/(R) · (QndA)/(gSn) ＝0

化简后得： K_mR_mQ_cm／S_m＝K_nR_nQ_nd／S_n（3）

公式（3）即为运动加速度自补偿压力传感器的设计条件。当此条件得到满足时， (ΔR)/(R) 应为：

(ΔR)/(R) ＝ (Km)/(E) （－PS／S_m）（R_m／R）＝KP （4）

K＝－K_mSR_m／（ES_mR） （5）

称K为传感器的压力敏感系数，它的实际值可通过对制成的传感器作标定而求得；这时， (ΔR)/(R) 仅与被测压力P成正比，而恒与运动加速度无关；从而使得所发明的传感器得以安装在运动件上作全过程的压力测量，并完全排除运动加速度的影响。

在实际应用中，在m、n处粘贴的应变计的灵敏系数通常是相同的，因此，公式（3）表示的运动加速度自补偿条件可简化为

R_mQ_cm／S_m＝R_nQ_nd／S_n（3A）

当应变计贴在传感器本体的内表面时，在m、n处的两个应变计还可合为一体，自成串联后直接作为应变电桥的一个臂，而有附图2的形状，以利粘贴。此类传感器对运动加速度的自补偿效果可在加速度摹拟设备上进行检验，这时传感器仅受加速度A的作用，对于不同的A值，它的输出的 (ΔR)/(R) 应恒为0；否则，应调整Q_nd和S_n的值，因此，在附图1中传感器本体1的右半部直径d₂是可以修整的，该处系非配合面。如今箔式应变计的应变栅尺寸已大大减小，它的电阻值可大大增加；前者导致传感器的小型化，这就大大增加了它的自振频率，从而使所发明的此类传感器得以测量动压力的速变过程，后者则有利于在应变电桥中增加各臂的电阻值，以提高电桥的灵敏度，此外，还可使应变计至电桥的引出线加长，而有利于在恶劣环境下完成测量任务。此类传感器的压力标定可按通常的方法进行，也可按轴向力标定结果作换算，以求出传感器的压力敏感系数；在对传感器作轴向力标定时，附图1中传感器本体左端部的球窝用于放置钢球，以保证所施加的轴向力能与传感器中轴线相一致。

可以预期：本专利所说明的运动加速度自补偿压力传感器将在枪、炮、火箭以及各种活塞发动机和气动工具的精密测试中得到广泛应用，因为它们都是以气体作为工质的机械；在这些产品的研制和生产时，都需要在全过程中量测工质气体对作动件的作用效果，而以往的测量由于传感器不能排除运动加速度所造成的影响，致使所得到的结果都存在相当大的误差，特别是对枪、炮射击过程的测量中；在实施本专利后，情况将立即改变。本发明的另一个特点是传感器的制造成本低，这将更增加其社会效益。

Claims (4)

1、一种在压力测量中能自动排除运动加速度所引起的系统误差的运动加速度自补偿压力传感器，其特征是它由传感器本体、专用箔式应变计、绝缘座和针座组成。

2、按权利要求1所说的压力传感器，其特征是传感器本体的中部有凸台，它与待测的运动件相联接，保证传感器的中轴线与该运动件的运动方向相一致，在该运动件作加速运动时，运动加速度将在凸台左部和凸台右部的传感器本体内产生方向恒相反的轴向应力和轴向应变，而应变计的应变栅正好位于这两个部位。

3、按权利要求1和2所说的压力传感器，其特征是贴在传感器本体左、右两部分的应变计是在串联后作为直流应变电桥的一个臂与电桥相联接的，它们的电阻值在满足自补偿条件后，此压力传感器即具备了对运动加速度的自补偿功能，当应变计贴在传感器本体的内表面时，此两个应变计可合为一体而成为包含有两个应变栅并自成串联的专用箔式应变计，由它与电桥测量臂相连接。

4、按权利要求1所说的压力传感器，其特征是传感器本体的左端部有球窝，在装入钢球后可对传感器作轴向力标定而算出传感器的压力敏感系数。