張健中，杜紅棉，韓青林，厲建祥

(1．中國石化青島安全工程研究院，山東青島　266071；2．中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原　030051)

0　引言

在爆炸產(chǎn)生的壓力沖擊波測試中，頻響寬、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良的壓力傳感器成為測試工作者關(guān)注的重點(diǎn)。目前常用的壓力沖擊波傳感器有壓電式、壓阻式等，壓電式壓力傳感器的原理是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)化為電信號。壓阻式壓力傳感器則將輸入的機(jī)械量應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電橋電阻值的變化來實(shí)現(xiàn)對壓力的測量[1-3]。

爆炸測量時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員要采集爆炸和沖擊等快速反應(yīng)過程的高頻動(dòng)態(tài)信息，這些反應(yīng)的過程細(xì)節(jié)常為ms甚至是μs級[4]。在測試獲取壓力、沖量、加速度等瞬變參數(shù)時(shí)，還常伴有較強(qiáng)的電磁場、強(qiáng)光、高溫的影響與干擾。杜紅棉[5]等對壓阻傳感器8530B的閃光效應(yīng)規(guī)律做了研究，通過采用黑紙屏蔽的方法來減輕光效應(yīng)，取得了良好的效果。陳德龍[6]等從傳感器的設(shè)計(jì)上來減小傳感器的光效應(yīng)。采用了無管腔的完全齊平的封裝方式和背面承壓方式，不僅實(shí)現(xiàn)了齊平封裝，同時(shí)又減小傳感器的光效應(yīng)。黃家蓉[7]等在研究壓阻式壓力傳感器的光效應(yīng)時(shí)，通過用箔片遮擋傳感器靈敏面的方式減小了光效應(yīng)對測量的影響。

文中針對汽油油氣燃爆實(shí)驗(yàn)中壓阻傳感器受到爆炸時(shí)產(chǎn)生的光干擾問題，將特殊處理過的隔光硅脂涂抹于傳感器表面，對其進(jìn)行閃光實(shí)驗(yàn)，研究該處理方法的有效性。在此基礎(chǔ)上，利用激波管對未經(jīng)處理的傳感器和經(jīng)過隔光硅脂處理過的傳感器進(jìn)行測試，比較其性能，分析處理后的傳感器對油氣爆炸實(shí)驗(yàn)測試的影響。將處理后的傳感器應(yīng)用于油氣爆炸場合，驗(yàn)證其測量性能。

1　壓阻式壓力傳感器光干擾分析

壓阻式壓力傳感器是一種變換原件，它能將輸入的機(jī)械量應(yīng)變ε轉(zhuǎn)換為電阻值變化。壓阻型壓力傳感器具有高達(dá)500～900 kHz的固有頻率和亞微秒級的上升時(shí)間，是爆炸沖擊波測量的首選。在埋地油罐油氣爆炸實(shí)驗(yàn)中選用了某型壓阻式壓力傳感器，布置于罐壁及油罐人孔側(cè)上方，用于測量油氣爆炸對罐壁及周圍環(huán)境產(chǎn)生的沖擊。實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，由于油氣爆炸伴隨強(qiáng)烈的閃光和放熱，壓力傳感器測量的數(shù)據(jù)受到了較大的干擾，產(chǎn)生了較大的負(fù)波。針對光干擾的問題，對傳感器進(jìn)行了閃光測試，利用閃光燈對傳感器敏感面進(jìn)行閃光，將傳感器與數(shù)據(jù)采集儀器連接，采集光干擾數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1　光干擾數(shù)據(jù)圖

從圖中可以看出，當(dāng)傳感器接收到閃光燈的信號后，會順勢形成一個(gè)幅度為負(fù)值的脈沖，可達(dá)-80 kPa左右，這是因?yàn)閴鹤枋絺鞲衅鳂蚵冯娮枋芄飧蓴_電阻值發(fā)生改變造成的。為了消除壓阻式壓力傳感器的光效應(yīng)，對傳感器敏感面做出涂層處理，利用硅脂混合碳粉作為涂層，隔除光干擾的同時(shí)，獲取爆炸產(chǎn)生的沖擊波。經(jīng)過處理后，同樣采用閃光燈對傳感器敏感面進(jìn)行閃光，得到數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2　消除光干擾后的閃光數(shù)據(jù)

可以看出，加上涂層后，傳感器不再受到閃光的干擾。下面就添加涂層后對沖擊波的影響進(jìn)行測試。

2　壓力傳感器動(dòng)態(tài)性能測試

為了獲得傳感器表面涂抹隔光硅脂對傳感器動(dòng)態(tài)性能的影響，在實(shí)驗(yàn)室對以下兩支傳感器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)：(1)傳感器面裸露；(2)傳感器面加摻有碳粉的硅脂涂層。

2．1檢測方法

對傳感器的動(dòng)態(tài)性能對比測試采用激波管實(shí)現(xiàn)，激波管是一根兩端封閉(或一端封閉)的長管，膜片把整個(gè)圓管分成高壓室與低壓室兩部分，前者填充高壓氣體；低壓室放置待校準(zhǔn)的傳感器和測速傳感器，為得到近似理想的階躍平臺也經(jīng)常充一定的低壓氣體。校準(zhǔn)時(shí)對高壓室充高壓氣體，當(dāng)氣體壓強(qiáng)超過膜片強(qiáng)度極限時(shí)膜片突然破裂。經(jīng)過一定距離的傳播后，形成一個(gè)階躍平面沖擊波沿低壓室方向傳播。激波的階躍壓力平臺值可以通過距離為的兩個(gè)測速傳感器感受激波的時(shí)間間隔t換算得到。激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖3所示[6]。

圖3　激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)

2．2檢測原理

根據(jù)蘭基涅-胡果尼方程計(jì)算得出激波的平臺壓力值。蘭基涅-胡果尼方程空氣沖擊波的入射和反射超壓與波前馬赫數(shù)的關(guān)系為[6]：

(1)

(2)

MS=v/c

(3)

(4)

v=s/t

(5)

式中：Δp2為空氣沖擊波波前的入射超壓；Δp5為空氣沖擊波波前的反射超壓；p1為低壓室氣體初始壓力；MS為空氣沖擊波波前的馬赫數(shù)；v為空氣沖擊波波前的傳播速度；c為空氣中的聲速；s為兩測速傳感器的距離；t為激波經(jīng)過兩測速傳感器的時(shí)間間隔；T為未擾動(dòng)時(shí)空氣的溫度。

2．3檢測結(jié)果

經(jīng)過激波管測試后得到兩種情況傳感器的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　較準(zhǔn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果中兩種狀態(tài)下傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度的變化在校準(zhǔn)誤差5%范圍內(nèi)，因此表明傳感器表面涂抹硅脂和碳粉混合物對靈敏度無影響。傳感器表面涂抹混合物后上升時(shí)間有所增加，諧振頻率有所降低。對于油氣爆炸沖擊波測試而言，最為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)即為對沖擊波測試的靈敏度，沖擊波的最大值反映了爆炸的破壞程度，因此根據(jù)測試結(jié)果，在壓阻式傳感器表面添加硅脂和碳粉的混合涂層能夠在有效消除光干擾的情況下較為準(zhǔn)確的測量爆炸產(chǎn)生的沖擊波。

3　油氣爆炸沖擊波測量

將經(jīng)過處理后的傳感器用于埋地油罐罐內(nèi)油氣爆炸的測量，油罐體積為50 m3，內(nèi)部充滿處于爆炸范圍內(nèi)的油氣，油罐爆炸工況為敞口爆炸，點(diǎn)火點(diǎn)位于油罐內(nèi)部。油罐上開DN500的人孔并制作1 m×1 m×1 m的人孔井為泄放口。油罐內(nèi)部設(shè)置一個(gè)壓力沖擊波測點(diǎn)，固定于罐壁，用于測量油氣爆炸對油罐產(chǎn)生的沖擊，傳感器的布置如圖4所示。

圖4　傳感器布置圖

埋地油罐點(diǎn)火后，罐內(nèi)發(fā)生爆炸，爆炸產(chǎn)生的火焰和沖擊向人孔井口正上方釋放，持續(xù)2～3 s．油罐內(nèi)部沖擊波如圖5所示，可以看出，敞口爆炸時(shí)，罐內(nèi)產(chǎn)生300 kPa左右的沖擊波，由于測點(diǎn)布置于罐壁，與經(jīng)典沖擊波波形不同的是，沖擊波正壓過后不會形成真空負(fù)壓段。

圖5　沖擊波測量結(jié)果

4　結(jié)束語

文中針對某型壓阻傳感器受到光干擾會產(chǎn)生較大的負(fù)波脈沖的問題，將特殊處理過的隔光硅脂涂抹于傳感器表面，經(jīng)過閃光實(shí)驗(yàn)證明該方法能夠有效的消除光干擾。利用激波管對未經(jīng)處理的傳感器和經(jīng)過隔光硅脂處理過的傳感器進(jìn)行測試，兩種狀態(tài)下傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度的變化在校準(zhǔn)誤差5%范圍內(nèi)，結(jié)果表明傳感器表面涂抹硅脂和碳粉混合物對靈敏度無影響。將處理過的壓阻式傳感器用于埋地油罐的罐內(nèi)爆炸壓力沖擊波測量，得到了合理可信的測量結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王權(quán)，丁建寧，薛偉，等．耐高溫壓阻式壓力傳感器研究與進(jìn)展．儀表技術(shù)與傳感器，2005(12)：1-3．

[2]WERNER M，F(xiàn)AHRNER W．Review on materials，micro sensors，systems，and device for high temperature and harsh environment applications．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2001，48(2)：249-257．

[3]戴艷梅，王文襄．壓阻式壓力傳感器的動(dòng)態(tài)特性．傳感器技術(shù)，1999，18(3)：52-53．

[4]陳德龍，邱江，王冰等．壓阻式高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器與沖擊波超壓測量．第五屆全國爆炸力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)學(xué)術(shù)會議，2006．

[5]杜紅棉，祖靜，張志杰．壓阻傳感器8530B閃光效應(yīng)規(guī)律研究．測試技術(shù)報(bào)，2011，25(1)：78-81．

[6]趙亞梅．某微型壓力傳感器瞬態(tài)光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理方法研究[學(xué)位論文]．太原：中北大學(xué)，2007．