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- 壓電式壓力傳感器的光纖傳輸技術(shù)應(yīng)用研究
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2011/2/27
內(nèi)彈道試驗(yàn)研究的對象主要是炮管內(nèi)的壓力、炮口速度和作用時(shí)間（擊發(fā)底火后到彈丸通過身管所需要的時(shí)間）。最主要的測量對象是壓力，因?yàn)橹挥袎毫δ鼙碚鲀?nèi)彈道的循環(huán)特性，從壓力曲線可以得到火藥的火藥力、壓力沖量及火藥的燃速等重要參量�；鹚帤怏w壓力首先從零開始迅速地增加到某一個(gè)最大峰值，然后，下降。整個(gè)過程的時(shí)間只有千分之幾秒，而且，是一個(gè)非周期性的單次脈沖過程。因此，測量這種瞬變動(dòng)態(tài)參數(shù)，壓電式壓力傳感器的寬頻響、高動(dòng)態(tài)性能具有明顯優(yōu)勢。
常規(guī)火炮發(fā)射平臺(tái)的內(nèi)彈道壓力側(cè)量是將用于膛壓測量的壓力傳感器直接固定在膛壁上，輸出的電荷信號經(jīng)長低噪聲電纜傳輸至電荷放大器，由電荷放大器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，再通過長同軸電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
在電熱化學(xué)炮發(fā)射平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于存在高電壓、大電流的脈沖放電過程，會(huì)產(chǎn)生多種電磁干擾源。采用傳統(tǒng)的測壓方式容易將電磁干擾信號耦合到測壓線路中，影響測試精度。國外電熱化學(xué)炮壓力測量采用模擬光纖調(diào)頻技術(shù)，由光纖將壓力信號輸出至數(shù)據(jù)采集設(shè)備，減少電磁干擾信號的耦合途徑。國內(nèi)有采用光電隔離方式、脈沖變壓器隔離方式和現(xiàn)場存儲(chǔ)方式等技術(shù)�，F(xiàn)場存儲(chǔ)型測壓方式很好地解決了電磁干擾問題，但壓力曲線的時(shí)間零點(diǎn)與其他參量沒有統(tǒng)一的時(shí)間零點(diǎn)，給深人研究等離子體增強(qiáng)作用帶來一定影響。
本試驗(yàn)室在電熱炮膛壓測量中，采用光纖傳輸測壓方式測量膛壓，既解決了電磁干擾問題，又實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)時(shí)間零點(diǎn)統(tǒng)一。
二、原理與組成
光纖傳輸測壓方式的現(xiàn)場采集發(fā)送模塊由電荷放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及電光轉(zhuǎn)換器組成，完成4個(gè)轉(zhuǎn)換過程：壓力量轉(zhuǎn)換為電荷量、電荷量轉(zhuǎn)換為模擬電壓量、模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓量，再經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換，以光信號進(jìn)行傳輸。遠(yuǎn)程接收模塊由光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成，通過2個(gè)轉(zhuǎn)換過程：光電轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后，復(fù)原出模擬電壓信號輸出至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如圖1所示。
壓電式壓力傳感器利用石英晶體的壓電效應(yīng)，將火藥氣體壓力的變化轉(zhuǎn)換為電荷量的變化，即
Q=Kp （1）
式中Q為電荷量；K為壓電式壓力傳感器靈敏度；P為被測火藥氣體壓力。
電荷放大器將電荷量的變化轉(zhuǎn)換為電壓幅值的變化
式中 Q為電荷量；A為電荷放大器靈敏度；U為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所測得的電壓值。
由（1），（2）兩式可得到被測火藥氣體壓力的計(jì)算公式
（一）壓電式壓力傳感器
壓電式壓力傳感器選用瑞士Kistler公司的6215型石英壓力傳感器。利用石英晶體的壓電效應(yīng)，可以把火藥氣體壓力的變化轉(zhuǎn)換為電荷量的變化，其測量范圍為0-600 MPa,靈敏度為14 pC/MPa,固有頻率＞240 kHz ；上升時(shí)間≤1μS。
（二）現(xiàn)場采集發(fā)送模塊
現(xiàn)場采集發(fā)送模塊包括電荷放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和光發(fā)射器，由電池供電。
電荷放大器完成2個(gè)功能：
1．將壓電式傳感器輸出的微弱電荷信號按比例放大轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號；
2．實(shí)現(xiàn)電平變換功能，使放大器輸出電平范圍達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器輸人范圍的滿標(biāo)，減小相對誤差。
A/D轉(zhuǎn)換器將電荷放大器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為14位數(shù)字電平信號，經(jīng)并串轉(zhuǎn)換移位電路，由光發(fā)射器完成電光轉(zhuǎn)換，通過光纖傳輸?shù)浇邮詹糠帧?BR>
（三）光纖
光纖是非金屬介質(zhì)材料，不導(dǎo)電，因而，不會(huì)產(chǎn)生磁場，也不受外部電磁干擾的影響，能抗各種電磁干擾、射頻干擾。光纖的基本材料二氧化硅，絕緣性能好，所用光波的波長超出普通電磁干擾波長的數(shù)個(gè)數(shù)量級，且光敏接收器件又有一定的敏感波長范圍，因此，電磁波很難耦合人光纖，疊加到光波上；即使有一些電磁波的疊加，也遠(yuǎn)不在光敏接收器件的敏感波長范圍內(nèi)，因此，從諸多角度都說明：光纖是強(qiáng)電磁場環(huán)境中信號傳輸?shù)睦硐虢橘|(zhì)。光纖接頭采用用戶連接器（subscriber connector，SC）——光纖連接器（ optical fiber connector），螺紋連接具有良好的電磁屏蔽特性。
（四）光接收機(jī)
光接收機(jī)完成光電轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器功能，恢復(fù)出原始的模擬信號，輸出至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
三、安裝結(jié)構(gòu)
光纖傳輸測壓方式如圖2所示，將電荷放大器與數(shù)字光發(fā)射機(jī)密封在一個(gè)現(xiàn)場模塊中，用防電磁性能的金屬材料做外殼，與壓力傳感器一起直接安裝炮管上。壓力傳感器與電荷放大器通過短低噪聲電纜連接，金屬外殼將光發(fā)射機(jī)、電荷放大器、壓力傳感器和低噪聲電纜都封裝在其中，屏蔽了外界電磁干擾的影響。電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、電/光變換后，通過120 m的光纖傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)，恢復(fù)出原始壓力信號輸出至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
四、試驗(yàn)結(jié)果
圖3為采用傳統(tǒng)測壓方式得到的壓力曲線，其中，脈沖干擾由時(shí)序放電、等離子體發(fā)生器電爆炸、等離子體熄弧等過程產(chǎn)生的電磁輻射耦合到測壓傳輸線造成的。
而采用如圖2所示的光纖傳輸測壓方式可以屏蔽這些干擾。圖4為某次電熱炮試驗(yàn)中，采用光纖傳輸測壓方式的壓力測量曲線。對比圖3和圖4，各種脈沖干擾被有效地屏蔽消除了。
另外，采用光纖傳輸測壓方式，使得瞬態(tài)記錄儀可以同時(shí)測量等離子體負(fù)載電壓、膛內(nèi)壓力、炮口壓力和用于測速的區(qū)截裝置信號。從而在一個(gè)時(shí)間軸上以同一時(shí)間零點(diǎn)將電壓、壓力、速度參量的時(shí)間關(guān)系表現(xiàn)出來，如圖5所示。
從圖5中可得到許多信息：
1．最大壓力出現(xiàn)的時(shí)刻；
2．由膛內(nèi)壓力和炮口壓力曲線可以得到彈丸在身管內(nèi)的作用時(shí)間；
3．由炮口壓力曲線和區(qū)截裝置信號可以推算炮口速度（用2個(gè)區(qū)截裝置之間的距離除以所測得時(shí)間差即可得到彈丸運(yùn)行的速度）；
4．等離子體負(fù)載電壓信號和膛內(nèi)壓力信號的時(shí)間關(guān)系為研究電熱炮的等離子體點(diǎn)火、電增強(qiáng)作用提供重要試驗(yàn)依據(jù)。
讀出圖5中區(qū)截裝置1和區(qū)截裝置2電壓信號的時(shí)間間隔，應(yīng)用平均速度既可得到初速
式中：S為區(qū)截裝置1和2之間的距離。
五、結(jié)論
光纖傳輸測壓方式能有效切斷電磁干擾藕合到測壓通路的途徑，避免了各種脈沖干擾給壓力測量帶來的影響，提高了壓力測量的抗干擾性和測量精度。同時(shí)，這種測試方法能將內(nèi)彈道最主要的3個(gè)參量（壓力、炮口速度和作用時(shí)間）的關(guān)系在一個(gè)時(shí)間軸上表征出來，為開展電熱炮內(nèi)彈道機(jī)理和試驗(yàn)研究提供了較好的試驗(yàn)方法。
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