应变式放入式电子测压器设计Word下载.docx

1、这种应变式电子测压器构思的可行性需要考虑多方面的问题，如力学分析，制作工艺研究，静动态压力试验及校准等。本文对这种应变式的电子测压器进行了详细的分析设计。关键词：存储测试，膛压测试，应变传感器。Design of Electronic Jn-bore Pressure Gauges by Strain MeasurementAbstract:The purpose of the article is to design a new kind of electric gauges for chamber pressure measurements. In order to solve the c

2、ontradiction of the bulk and accuracy, the unity of the sensor and its shell is our main study direction. The shell of the gauge is directly used as a pressure transducer based on the strain measurement of the shell instead of a piezoelectric pressure transducer. After systematic analysis, the sensi

3、tivity and dynamic response frequency of the transducer is given. The electric gauges have the advantage of compact structure and low price. But its process is much more complex than the ordinary ones. It needs much more to study on the idea of this gauges needs considerations of every aspects. The

4、article will solve the gauge in details. Key words: chamber pressure measurement; memorized test and measurement; strain gauge.1 引言 11.1课题研究的目的、意义 11.2发展状况 22 传感器的应用和应变片的选择 32.1电阻应变片 32.1.1电阻应变片的选用 32.1.2测量应变片贴装方位不准确造成的测量误差 52.2压电式传感器 62.3压阻式传感器 102.3.1供电电路 112.3.2处理电路 123 静态分析与动态分析 143.1静态分析 143.2动

5、态特性分析 164 系统设计 174.1系统电路设计的原则 1742系统构成及工作原理 185 电路模块的设计 215.1电路设计的原则 215.2元器件的选择 215.2.1元器件失效机理分析 225.2.2元器件选用的一般原则 235.3降额设计 255.4热设计 255.5冗余设计 265.6电磁兼容设计 275.6.1电路接地设计 275.6.2电路电源线设计 285.6.3电路印制板的设计 285.7抗冲击设计 305.8容差分析 315.9电气互连的可靠性设计 315.10简化设计 325.11环境影响及其防护技术 336 存储测试系统和存储膛压测试 356.1存储测试系统 356

6、.2存储膛压测试 376.2.1测试系统工作原理 376.2.2印制板设计 376.2.3地线设计 386.2.4电源设计 387 结论 40参考文献 41致谢 42英文文献原文及译文1 引言11 课题研究的目的、意义应变式放入式电子测压器的直接用户是军队、兵工企业与有关研究部门，采用放入式电子测压器，可以方便地获得火炮发射过程的膛压曲线，使火炮、弹药、引信的研制周期大为缩短，验收的准确率大大提高，质量的可靠性得到确切的保障。存储测试；膛压测试用于测量火炮发射过程中膛内压力时间曲线，替代铜柱测压。该项目1991年获得国家发明二等奖，技术成熟，已小批量生产。放入式电子测压器存储测试技术是从七十年

7、代开始的一种新的弹上参数的测试方法。它是在对被测试对象无影响或影响在允许范围的条件下，在被测试体内置入微型数据采集与存储测试仪，现场实时完成信息的快速采集与记忆，事后回收记录仪，由计算机处理和再现测试信息的一种动态测试技术。电子测压器正是存储测试技术的典型产品，它用于靶场实测膛压曲线，对于测量的精度及可靠性有很高的要求，它要求工作在特殊的环境中，而且要求满足很高的操作安全性和工作可靠性，概括起来有以下几点：（1）测试过程的单次性，即测试过程必须一次性成功。由于靶场实射费用很高，一发弹药需要数千元，乃至上万元，并且实测的目的是为武器系统的研制、或寻找定位武器系统故障，或交验等方面的急需，不能及时

8、准确得到膛压曲线将会延误工作，造成较大的损失。（2）测试环境恶劣，必须承受潮湿、高、低温的冲击、高温燃烧、低温冷冻、空间辐射、强震动、强噪音、强冲击、强电磁干扰等恶劣环境的考验，并能够可靠地工作，因此产品应有较强的环境适应性。（3）高精度测试，能够准确可靠地获取被测信息。（4）测试空间狭小，即要求测试设备体积小。（5）功耗低，存储测试系统自动完成信息采集与存储，一般采用自备式电池，而系统体积又小，不可能提供较大的电源空间，因此要求存储测试系统必须低功耗。（6）有强的抗干扰能力，要求存储测试系统具有强的抗外界干扰能力，同时还要求其对被测系统不造成任何干扰和影响。（7）现场操作简单，不能有任何可能

9、的误操作。而一个测试系统由多个环节组成，任何一个环节出了故障，都会导致整个测试失败。因此，有必要对测试系统进行可靠性分析。所谓可靠性是在规定的时间内和规定的条件下，完成规定任务的可能性。通俗的说可靠性就是产品正常工作的能力，是衡量产品质量好坏的一个指标。可靠性技术是20世纪50年代发展起来的一门新技术，它包括可靠性设计、可靠性制造、可靠性管理、可靠性试验及失效分析等内容。可靠性试验的主要目的是发现产品设计、材料、工艺方面的各种缺陷，改善产品的可靠性，减少维修费用和保障费用，另外一个目的是确认产品的可靠性是否达到了要求。因此可靠性试验不仅是为了对产品做出合格接收和不合格拒收的结论，更重要的是为了

10、发现产品可靠性问题，采取有效措施消除，提高产品的可靠性。12 发展状况随着现代科学技术的发展, 电子产品的应用取得了广泛的拓展。由于对电子产品越来越高的要求, 它正日趋向高灵敏度、高集成度和小型化方向发展。20 世纪80 年代初期随着微电子技术的发展, 国外报道了利用存储器芯片作为信息载体的数字存储测试仪. 在国内, 有关科技人员也及时意识到了以数字存储为特征的新型测试方法的发展前景.20世纪90年代传感器与微型电子记录仪组为一体的存储测试产品在国际上出现，如奥地利AVL 公司于1992年推出了存储式电子测压器。在国内，中北大学（原华北工学院） 祖静教授采用自行设计的存储测试专用厚膜集成电路，

11、研制成功了用于火炮膛压测试的“放入式电子测压器”。1997 年放入式电子测压器规范国军标正式颁布.放入式电子测压器是火炮膛压测试的专用仪器。目前的电子测压器采用的是压电式传感器，压电式传感器存在的问题是改造后的国产压电式高压传感器的性能不够稳定, 进口传感器体积较大；并且压电式传感器存在着零点漂移的问题。由于放入式电子测压器体积小、结构紧凑，所以与一般的测压环境相比，压力传感器的安装特性有很大的不同。通过测量测压器内置铅块的塑性变形表明, 在承压过程中测压器的壳体有较大的弹性变形. 在整个外壳承受压力的环境下，压力传感器的安装特性与测压器的体积要求之间存在着矛盾. 为了解决测压器的小体积和高精

12、度之间的矛盾，传感器与壳体的一体化设计是一个重要的探索方向. 压电式压力传感器与壳体的一体化在理论设计上虽然可行, 但在制造工艺上比普通的压电传感器更为困难, 需要投入大量的人力物力进行研究, 风险较大. 换一个思路, 考虑到测压器壳体本身就是很好的弹性元件, 如果把它作为压力敏感元件, 通过测量壳体内壁的应变就可以实现压力的测试. 这种应变式电子测压器构思的可行性需要考虑多方面的问题, 如力学分析、制作工艺研究、静动态压力试验及校准等. 本文对这种应变式的电子测压器进行了详细的分析设计。根据应力的需要和体积的需要，在外壳材料的选择上，可以选用十八镍的马氏体时效钢。通过理论分析计算，这种应变式

13、电子测压器不仅具有较高的灵敏度和响应频率, 而且借助全桥测量电路可以从原理上消除温度漂移所带来的测量误差, 因为在膛压测试前四个应变片的环境温度可以认为是相同的, 在火炮发射的瞬间，壳体的热传递（温度的变化）远远滞后于压力的传递，所以在压力测量的瞬间可以认为4个应变片热输出处于平衡状态。测量完成后，测压器壳体的温度较高, 因此应变片和粘接剂应能承受一定的温度. 由于测压传感器与壳体合二为一, 所以实际的电子测压器的体积可以得到进一步的压缩, 这对于小口径火炮膛压的测试有着重要的意义。此外, 这种应变式电子测压器与目前所采用的压电式电子测压器相比具有潜在的低成本优势。2 传感器的应用和应变片的选

14、择2.1 电阻应变片2.1.1电阻应变片的选用电阻应变片是一种电阻式的敏感元件，它一般由基底、敏感栅、覆盖层和引线四部分组成。 现在使用的称重传感器，力传感器，绝大多数都是电阻应变式传感器，在此谈一些在传感器生产中选用电阻应变片应考虑的因素，供大家参考。制作传感器的电阻应变片必须具有的基本要求（1）具有适当的线性应变灵敏系数，并且稳定性较高；（2）具有蠕变自补偿功能；（3）具有小的电阻温度系数#热输出小，零点漂移小；（4）横向效应系数小，机械滞后小，疲劳寿命高；（5）具有较好的稳定性，重复性，并且能够在较宽的温度范围内工作；（6） 适用于动态和静态测量。满足以上要求的电阻应变片的种类很多，具体

15、选用时还要根据弹性体的结构、应力状态、材料、使用环境条件、以及电阻应变片的阻值、尺寸、蠕变匹配等因素，综合考虑选用合适的应变片，一般来说，对于不同的使用场合，应从以下几个方面考虑。（1）应变片结构形式的选择根据应变测量的目的、被测试件的材料和其应力状态以及测量精度，选择应变片的形式，对于测试点应力状态是一维应力的结构可以选用单轴应变片，已经知道主应力方向的二维应力结构，可以使用直角应变花，并使其中一条应变栅与主应力方向一致，如主应力方向未知就必须使用三栅或四栅的应变花。（2）应变片尺寸的选择选择应变片尺寸时应考虑应力分布、动静态测量、弹性体应变区大小等因素。 若材质均匀、应力梯度大,应选用栅长

16、小的应变片#若材质不均匀而强度不等的材料（如混凝土）或应力分布变化比较缓慢的构件，应选用栅长大的应变片。电阻应变片贴装方位偏差对测量结果的影响。将电阻应片贴装在构件上，可以测量构件承受的力，力距，压力等物理量，将电阻应变片贴装在特殊的弹性体上可以制造成力传感器，压力传感器。电阻应变片的灵敏系数K 系指电阻应变片贴装于试件表面，在其轴线方向上的单向应力作用下，电阻片的阻值相对变化与试件表面上贴装电阻应变片区域的轴向应变之比.K值的准确性将直接影响测量精度。在实际检测中若不能满足K值的定义条件，就会产生测量误差。电阻应变片贴装方位不准确是造成应变测量误差的主要原因。现场测量时电阻应变片贴装不准确将

17、直接影响测量结果的准确性，由于电阻应变片贴装不准确所产生的测量误差约占力传感器测量误差的5%10%，分析研究电阻应变片贴装方位偏差所造成的测量误差及其变化规律对实际测量以及力传感器的设计制造是十分有意义的。2.1.2 测量应变片贴装方位不准确造成的测量误差依据文献，电阻应变片的电阻变化率可表示为：R R=+ （2.1）式中：为电阻应变片的轴向灵敏系数，为电阻应变片的横向灵敏系数，为沿电阻应变片轴向的应变；为沿电阻应变片横向的应变。由式（1）可见，电阻应变片的电阻变化率实际上是两部分的迭加，一部分是敏感栅仅受作用（=0）时的电阻变化率，另一部分是敏感栅仅受=0）时的电阻变化率。式（1）又可表示为

18、 （1 + H） （2.2）H=为电阻应变片的横向效应系数.令 C =, 则可得 （1 + C H） （2.3）对已贴装的电阻应变片，C表示横向应变与轴向应变之比，所以C是由电阻应变片贴装处应变场特性和贴装方位所决定的。电阻应变片的灵敏系数K是式（3）的一个特例，即C=-Ex/Ex=-为电阻应变片金属丝材料的泊松系数，Ex为电阻应变片金属丝的轴向应变.此时 K= （1-H） （2.4）式（3）表达了一般意义下电阻应变片的灵敏系数。它表明电阻应变片表现出的对应变的灵敏度是有条件的，K值除取决于电阻应变片敏感栅的材质、形状之外, 还与被测量点应力的状态和电阻应变片的贴装方位（C值）有关。电阻应变片

19、贴装的方位偏差造成的测量误差不仅与偏差角A大小有关，而且还与预定贴装方向与被测点主应变方向的夹角A有关。一般情况下A值越大，由A产生的测量误差也越大。在现场测量时要尽量使电阻应变片贴装方位与构件被测点主应变方向一致，制造力传感器时要用专用夹器保证贴装精度，这时由于A所造成的测量误差可以忽略。22 压电式传感器目前的电子测压器采用的是压电式传感器，压电式传感器存在的问题是改造后的国产压电式高压传感器的性能不够稳定，进口传感器体积较大；通过测量测压器内置铅块的塑性变形表明，在承压过程中测压器的壳体有较大的弹性变形。在整个外壳承受压力的环境下，压力传感器的安装特性与测压器的体积要求之间存在着矛盾。压

20、电效应的研究，从1880年居里兄弟（PierreCure, Jacques Cure）发现石英晶体压电效应开始，迄今已有120年历史。只有在二战期间，由于军事的需要，在理论与应用研究方面才有了飞跃发展。此后, 逐渐形成压电测试技术学科，但当时也只能用于动态信号检测上。只有当高阻抗电荷放大器出现、解决了电荷泄露问题之后，才使压电测试有了新的突破，使可测参量的频率覆盖空前扩大，从静态到动态、从低频到高频均适用。由于近代物理学、晶体物理学、电介质物理学、实验物理学和材料科学等的发展和工程实际的需要，压电效应的理论研究也开始由宏观向微观、从一次效应向多次感生效应、从线性极化向非线性极化方向发展。但是，

21、目前理论研究的进展还是比较缓慢的，还不能完全满足现代工程实际需要。如压电微观机理、机电耦合与解耦、机电耦合与电磁耦合的相似性、传感器与执行器的结构集成与信息集成等等都是亟待解决的理论与实践问题。利用压电正逆效应的传感器与执行器进行测试与控制是现代测控技术的重要手段与发展方向之一。作者从1977年开始从事压电传感器与测力仪的研究与开发工作，在压电效应的理论研究方面取得一定进展，发现并证实了石英晶体切向灵敏度分布规律，并应用在多向力传感器的组装上，使该类传感器精度显著提高，发现并证实了石英晶体也存在扭转效应，在扭转效应中存在着非线性极化问题，在3种能量物性效应基础上建立了4种与6种能量间物性效应新

22、模型，用解析与实验法证实了压电二次感生效应的存在，并提出压电多次感生效应概念，论证了机电耦合与电磁耦合的相似性等。先后研制成功单向、双向、三向压电石英力传感器，三向压阻式加速度计等多种传感器和车削、铣（刨） 削、钻削、磨削等压电切削测力仪，研制出多种压电叠堆式与压电双晶式执行器。总之，20多年来，在压电应用基础理论研究与产品开发上，走了一条“模仿性制作应用基础理论研究自主创新开发”的路.模仿国外的东西，往往知其然不知其所以然。只有通过自身的实践，在理论上有所进展和突破，才能研发出具有自主知识产权的新产品。本文所介绍的应用成果均通过技术鉴定或取得发明专利，多数已转化为产品。尽管压电效应的研究在现

23、代压电学、晶体物理学中已有较系统、深入和完整的论述，但是，压电效应的理论与应用研究并未终结。在前人与国内外同行研究的基础上，根据工程实际需要, 在压电效应的理论方面，主要在以下几方面进行了探索。现行压电方程中给出的电荷灵敏度系数或压电应变系数几乎都是理想的常数，与实测值相差较大。为了掌握灵敏度和压电系数随载荷等外部条件的变化规律, 提高多向压电力传感器的晶体组装精度, 减少相间横向干扰等，在自行研制的晶体灵敏度实验装置上，对常用的典型石英切型的灵敏度分布规律进行实验研究。结果是切向载荷对X00切型晶片的影响不大，而对Y00切型晶片的影响却很大。作用在Y00切型晶片上的切向力与最大剪切灵敏度方向

24、之间的关系如图1所示, 图中U为实际剪切面与理论最大剪切面间的夹角。实测得出在不同转角U的切向灵敏度SQ值，用最小二乘法拟合运算，用傅式级数向实测曲线函数逼近，用高斯消元法，最后求得实测曲线及其解析表达式，从而得出Y00 切型晶片的图1 最大剪应力方向与误差角U切向灵敏度随着切向力作用方向（U）的变化呈余弦函数加高次谐波分量变化的重要结论。而且，在不同U时其灵敏度的变化率是不同的，x轴附近最小，y轴附近最大,，从而为传感器设计、装配与误差分析提供了理论根据。石英晶体扭转效应的探索研究迄今为止，关于压电效应类型的研究，从应力角度分为：纵向效应、横向效应（均由正应力引起的）和剪切效应，从构件变形的

25、角度分为:拉压效应、弯曲效应, 尚缺扭转效应. 目前测量扭转力矩的传感器并没有直接应用扭转效应，几乎都是应用石英的剪切效应与力臂组合原理制成的, 需要较多的切向晶片, 为了提高灵敏度还需要较大的力臂。这种传感器实际上是一个由多个敏感元件组成的复合体，工艺复杂，成本较高，传感器难于小型化和集成化。所以，扭转效应的研究将使压电效应从二维拓展到三维，从线性极化拓展到非线性极化，并将为单体扭转传感器的研发打下理论基础。压电式传感器常用于力、压力、振动的加速度和声发射的测量,也用于声学（如超声）的测试，对它的特性许多文献都作了详细研究和论述13。本文建立压电式传感器的传递函数H（s），研究改善其特性的方

26、法，并为研究其对任意信号的响应,为后续测量电路及系统的设计提供了一个方便的数学模型。图2 压电式传感器的模型压电式传感器可以看作是电荷发生器，它又是一个电容器，如图2所示其电容量为 C=0 A/ （2.5）式中:压电式材料的相对介电常数,石英晶=4.5，钛酸钡=1200；0真空介电常数,0=8.85F/m；极板间距离；A极板面积.在图2所示压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀形成金属膜，构成两个电极，F为施加在晶片上的外力。实验已证明压电体表面积聚的电荷与作用力成正比. 若沿单一晶轴x- x 方向加力F ,则在垂直于x- x 方向的压电体表面上积聚的电荷量为q ,即有Q=dc F （2.6）Q电

27、荷量；dc 压电常数,与材料和切片方向有关；F 作用力。当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容就形成传感器的并联寄生电容Cc ,后续电路的输入阻抗和传感器中漏电阻就形成泄漏电阻R0，等效电路如图3所示.根据电荷平衡，建立的方程式为Q=Cu+i dt （2.7）图3 传感器等效电路压电式传感器的工作特性，压电式传感器的传递函数H（s）决定了它的工作特性，这里仅就提高它的频率特性进行讨论。（1） 由此可见，若压电常数dc为一个稳定的值，它就是一个稳定的灵敏度。压电常数的特性若与作用力的频率有关, 则将影响传感器的H（s）、A（）和（）的特性，不利于对力信号的测试。（2） 图3用计算机描绘的

28、幅频特性曲线A（）和相频特性曲线（）三维曲线,其C和R0值按YD-8B型加速度计产品的技术指标值设定（C=800pF，R0500，M）A1（）、A2（）、A3（）、A4（）、A5（）幅频特性曲线和1（）、2（）、3（）、4（）、5（）相频特性曲线是在C值相等，R0分别为500，600，1000，1500，2000M下绘制的。随着R0的增大，A（）曲线往左移，低频段的工作范围得到扩展；而（）曲线则随着R0增大在超低频段变陡，对相位敏感，在高频段相位变化近于0。当工作频率很低时，即0时其幅频特性曲线趋向于不平稳（如图3所示）。这表明压电式传感器不适用于低频力信号的测试; 当工作频率很高并达到CR0

29、 m1时，由式（9）可知，A（）1CR0。若C和R0为定值，则A（）值为一个稳定的值，其特性曲线为平坦的直线，这表明在测试高频力信号时，其工作特性是理想的。随着工作频率的提高，CR0值增大，这表明压电式传感器特别适用于高频力信号和瞬变力信号的测试。（3） 电容C直接影响A（）和（）的特性。理想的C值应为一个稳定的恒值，而电容C又包含了Ca、Cc和Ci。其中电缆对地电容Cc会随测量电缆的变化显得非常敏感，为了削弱C 值变化对输出特性的影响，可由压电式传感器的后续电路给予补偿（如采用电荷放大器等）；（4） 由以上可知，增大传感器的泄漏电阻R0值和提高R0值的稳定性可改善其频率特性。本文建立的压电式传感器的传递函数H（s）为研究其应用特性提供了有效的方法，为取得较理想的工作频率特性，压电式传感器的压电常数dc、泄漏电阻R0和电容C应为恒值。分析和实验表明，压电式传感器特别适用于测试高频力信号（瞬变力信号）。我们实验室在材料的声发射、振动的加速度测量实验中运用了压电式传感器，并采用本文方法进行理论指导，取得了满意的效果。压电式传感器是用石英晶体或压电