施宇成, 孔德仁, 徐春冬, 余益欣, 張學(xué)輝

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094; 2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

沖擊波壓力可對(duì)人員、飛機(jī)、艦艇、裝甲車(chē)等各種軍事目標(biāo)以及民用建筑產(chǎn)生破壞，沖擊波作用范圍、破壞能力是衡量戰(zhàn)斗部毀傷效應(yīng)的一項(xiàng)重要的戰(zhàn)技指標(biāo)[1]，是各類(lèi)武器彈藥重要的考核指標(biāo)及測(cè)試內(nèi)容。爆炸場(chǎng)沖擊波表征形式具體可分為地面反射壓、自由場(chǎng)壓力、壁壓反射壓、動(dòng)壓、總壓等。地面反射壓即是沖擊波作用于地表后產(chǎn)生的反射壓力，可通過(guò)安裝平行于地面的反射壓傳感器進(jìn)行測(cè)試；與地面反射壓一致，壁面反射壓是沖擊波作用于壁面的反射壓力；自由場(chǎng)壓力指的是未受外界干擾的流場(chǎng)壓力，等效于靜壓或入射壓[2]；動(dòng)壓為沖擊波高速運(yùn)動(dòng)的氣流在其運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生的沖擊壓強(qiáng)[3-5]；總壓為氣體等熵滯止為零時(shí)的壓力[4]。

爆炸場(chǎng)沖擊波壓力時(shí)程是一個(gè)瞬態(tài)變化的過(guò)程，根據(jù)壓力信號(hào)的能量譜分析，信號(hào)的有效頻率為0～40 kHz[6]。工程上要求測(cè)試系統(tǒng)的固有頻率需達(dá)到信號(hào)有效頻帶的3～5倍以上。對(duì)此，用于準(zhǔn)確測(cè)量壓力的傳感器必須具有寬頻帶、高頻率響應(yīng)、高信噪比、強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度、準(zhǔn)確穩(wěn)定的靈敏度、合適的量程、良好的密封性以及環(huán)境適應(yīng)性[7]，可以說(shuō)傳感器技術(shù)水平直接決定了爆炸場(chǎng)沖擊波壓力測(cè)量的精度。常用沖擊波壓力傳感器可分為壓阻式和壓電式壓力傳感器[7]，壓阻式?jīng)_擊波壓力傳感器低頻特性佳，但其受溫度、光照等外界因素影響大，一般不用在有強(qiáng)火光、強(qiáng)溫度變化和強(qiáng)電離場(chǎng)的毀傷工況下。壓電式?jīng)_擊波壓力傳感器雖零、低頻特性不如壓阻式，但其動(dòng)態(tài)特性好，受外界影響較小[7-14]，因此在爆炸場(chǎng)沖擊波壓力測(cè)試試驗(yàn)中多以壓電式壓力傳感器構(gòu)建壓力測(cè)試系統(tǒng)，本文也多以壓電式傳感器為主分析傳感器及校準(zhǔn)技術(shù)現(xiàn)狀。

在爆炸場(chǎng)中進(jìn)行沖擊波壓力測(cè)試時(shí)，沖擊波往往伴隨著瞬態(tài)高溫、機(jī)械沖擊、地震波等寄生效應(yīng)共同作用在傳感器上，使傳感器測(cè)得信號(hào)畸變，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真，實(shí)際測(cè)試前需對(duì)傳感器添加一定的隔熱隔振措施以抑制傳感器寄生響應(yīng)。添加抑制措施的傳感器組件相對(duì)于出廠(chǎng)前傳感器，其等效剛度、等效質(zhì)量發(fā)生改變，導(dǎo)致工作特性參數(shù)及壓力傳遞特性無(wú)法沿用廠(chǎng)家給定參數(shù)。且傳感器的長(zhǎng)時(shí)間使用、老化也會(huì)影響傳感器特性。因此，為確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需對(duì)沖擊波壓力傳感器及其測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以獲取其靈敏度、線(xiàn)性度、重復(fù)性等工作特性參數(shù)以及傳遞特性，提高沖擊波壓力測(cè)量精度。

本文綜述了國(guó)內(nèi)外沖擊波壓力傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了傳感器技術(shù)的突破方向，總結(jié)了傳感器的校準(zhǔn)方法，分析了目前壓力校準(zhǔn)技術(shù)的不足，旨在對(duì)國(guó)內(nèi)外傳感器技術(shù)、校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)和展望，提高沖擊波壓力測(cè)量技術(shù)水平。

1 沖擊波壓力測(cè)量方法發(fā)展現(xiàn)狀

沖擊波壓力測(cè)試方法從系統(tǒng)構(gòu)成上可分為引線(xiàn)測(cè)試法和無(wú)線(xiàn)存儲(chǔ)測(cè)試法。

引線(xiàn)測(cè)試法是通過(guò)長(zhǎng)同軸電纜將測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)傳輸給掩體內(nèi)的調(diào)理器，經(jīng)放大調(diào)理后由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集和保存，并由同步觸發(fā)器保證多物理通道的零時(shí)一致性，系統(tǒng)組成如圖1所示。引線(xiàn)測(cè)試法是常規(guī)的沖擊波壓力測(cè)試方法，已有諸多學(xué)者通過(guò)該方法測(cè)得了TNT、云爆藥、溫壓藥等戰(zhàn)斗部的特性參數(shù)并進(jìn)行了威力評(píng)估[15-16]。引線(xiàn)測(cè)試法的主要問(wèn)題在于長(zhǎng)電纜傳輸信號(hào)時(shí)產(chǎn)生電纜效應(yīng)，引入寄生電容、電阻及電感，導(dǎo)致信號(hào)傳輸過(guò)程中發(fā)生衰減、時(shí)移等現(xiàn)象，且長(zhǎng)電纜的防護(hù)需要大量的人力物力。李肖姝等[17]具體分析了不同線(xiàn)纜長(zhǎng)度和驅(qū)動(dòng)電流對(duì)ICP(IEPE)型傳感器采集壓力信號(hào)的影響。此外，引線(xiàn)測(cè)試法的特點(diǎn)決定了其存在系統(tǒng)組成復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)工程量繁重、抗電磁干擾能力弱的問(wèn)題，研究人員仍需進(jìn)一步針對(duì)以上問(wèn)題展開(kāi)研究。

圖1 引線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)組成

無(wú)線(xiàn)存儲(chǔ)測(cè)試法是將引線(xiàn)電測(cè)中除傳感器以外的調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)、觸發(fā)、電源等系統(tǒng)組成部分微型化集成為一體。該一體機(jī)與傳感器通過(guò)短線(xiàn)連接，一同放置在被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)，系統(tǒng)組成如圖2所示，試驗(yàn)時(shí)數(shù)據(jù)記錄于一體機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)器中。為能實(shí)時(shí)修改存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的采樣參數(shù)，且避免快速多發(fā)試驗(yàn)或極端惡劣條件下裝置無(wú)法回收的情況，存儲(chǔ)測(cè)試裝置常用組網(wǎng)的方式向終端交互數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)測(cè)試法作為新興的測(cè)試方法一直處于不斷突破的過(guò)程中。翟永等[18]通過(guò)WiFi組網(wǎng)技術(shù)拓展了存儲(chǔ)測(cè)速裝置的遠(yuǎn)程控制、反饋與數(shù)據(jù)讀取功能；楊磊等[19]結(jié)合北斗授時(shí)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)解決了多個(gè)存儲(chǔ)裝置的時(shí)基統(tǒng)一問(wèn)題；軒春青等[20]就存儲(chǔ)測(cè)試誤觸發(fā)導(dǎo)致測(cè)試失敗的問(wèn)題展開(kāi)研究，提出多次觸發(fā)連續(xù)存儲(chǔ)的方法。總的來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)測(cè)試法克服了電纜效應(yīng)帶來(lái)的信號(hào)的衰減失真問(wèn)題，其二次儀表的一體化也簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)工作。存儲(chǔ)測(cè)試法的缺點(diǎn)在于：① 為了保護(hù)處于現(xiàn)場(chǎng)的一體機(jī)，常將一體機(jī)放在防護(hù)盒內(nèi)埋入地底，這導(dǎo)致設(shè)備在充電、調(diào)試、維修、數(shù)據(jù)讀出時(shí)較麻煩;② 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量有限，以東華測(cè)試公司的產(chǎn)品為例，存儲(chǔ)器容量為64 GB，由于大當(dāng)量的爆炸試驗(yàn)從撤場(chǎng)到起爆常會(huì)間隔大量時(shí)間，存儲(chǔ)測(cè)試法對(duì)于高采樣率(如1 MHz)或多發(fā)快速采集試驗(yàn)適用性不強(qiáng);③ 無(wú)線(xiàn)通信需要使用天線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)，但天線(xiàn)在惡劣現(xiàn)場(chǎng)的存活率堪憂(yōu)；④ 信號(hào)的同步觸發(fā)和采集仍存在問(wèn)題。對(duì)此，無(wú)線(xiàn)存儲(chǔ)測(cè)試法在沖擊波壓力測(cè)量方面仍有大量值得研究的難點(diǎn)。

圖2 無(wú)線(xiàn)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)組成

此外，沖擊波壓力測(cè)量方法還涉及到測(cè)點(diǎn)布設(shè)問(wèn)題、傳感器安裝問(wèn)題及壓力測(cè)量不確定度評(píng)定問(wèn)題。在近地面爆炸中，為保證測(cè)得壓力不受到地面反射波干擾，自由場(chǎng)傳感器應(yīng)位于三波點(diǎn)以上[21-24]，地面反射壓傳感器最宜布設(shè)在馬赫反射區(qū)內(nèi)，對(duì)此應(yīng)開(kāi)展三波點(diǎn)軌跡預(yù)測(cè)的研究。傳感器安裝問(wèn)題在本質(zhì)上屬于壓力流場(chǎng)的流固耦合問(wèn)題，是目前的一大研究點(diǎn)，針對(duì)地面反射壓傳感器，其需與大面積的剛性安裝座配合測(cè)量，以減少地質(zhì)條件及地形地貌對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，傳感器敏感面相對(duì)于安裝平面的高度以及安裝平板的水平度均會(huì)影響沖擊波壓力反射特性；同理，自由場(chǎng)壓力傳感器的俯仰角及偏轉(zhuǎn)角也會(huì)影響測(cè)得壓力[25]。為保證測(cè)量值的可信度，定量評(píng)定沖擊波壓力測(cè)量不確定度是不可或缺的環(huán)節(jié)。

2 沖擊波壓力傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 沖擊波壓力傳感器現(xiàn)狀

二次世界大戰(zhàn)期間及以后，國(guó)外出于軍事上的目的對(duì)空中爆炸過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，相應(yīng)地研制并發(fā)展了各種用于爆炸沖擊波壓力測(cè)量的傳感器和測(cè)量?jī)x器。國(guó)外著名的壓電式高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器生產(chǎn)廠(chǎng)家有美國(guó)的PCB公司、ENDEVCO公司，丹麥的B&K公司和瑞士的KISTLER公司等。從系列化角度而言，PCB公司產(chǎn)品的系列化最完善；ENDEVCO公司更注重研制適用于惡劣環(huán)境的敏感元件，其產(chǎn)品的系列化在逐步進(jìn)行；KISTLER公司自1957年開(kāi)始開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)測(cè)量壓力的壓電式石英傳感器，該公司的傳感器具有自振頻率高、上升時(shí)間短、溫度范圍較大的優(yōu)點(diǎn)[26]。

我國(guó)建國(guó)以來(lái)特別是20世紀(jì)60年代以后，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位分別開(kāi)展了對(duì)爆炸沖擊波各方面的研究工作，并取得了一定成果。然而大部分都是針對(duì)測(cè)試方法、數(shù)據(jù)處理、傳感器校準(zhǔn)方法進(jìn)行的研究，對(duì)于沖擊波壓力傳感器的研制盡管取得了一定成果，但精度環(huán)境適應(yīng)性等仍然無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)爆炸場(chǎng)沖擊波壓力測(cè)試傳感器大量依靠進(jìn)口。

國(guó)內(nèi)沖擊波壓力傳感器生產(chǎn)廠(chǎng)家以江蘇聯(lián)能和揚(yáng)州科動(dòng)為主。江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司自20世紀(jì)70年代研發(fā)出國(guó)產(chǎn)壓電加速度傳感器以來(lái)，陸續(xù)開(kāi)發(fā)了高溫加速度傳感器、沖擊波壓力傳感器、自由場(chǎng)壓力傳感器等200多種產(chǎn)品；揚(yáng)州科動(dòng)將壓力傳感器從單一品種發(fā)展到具有PE型、IEPE型，具有高頻響(最高諧振頻率≥400 kHz)、多種靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品已由通用型擴(kuò)展到空氣自由場(chǎng)、水下自由場(chǎng)、土壓紐扣型等多個(gè)型號(hào)。

2.1.1 反射壓傳感器及自由場(chǎng)壓力傳感器

反射壓傳感器及自由場(chǎng)壓力傳感器是常規(guī)沖擊波超壓測(cè)試用傳感器，多為壓電式壓力傳感器，其工作原理為：當(dāng)沿一定方向?qū)弘姴牧鲜┘幼饔昧r(shí)，壓電材料表面會(huì)產(chǎn)生正比于作用力的電荷(該現(xiàn)象稱(chēng)為正向壓電效應(yīng)，比例為壓電常數(shù))，通過(guò)電荷放大器或是電壓放大器轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電壓，從而推算出傳感器感受到的真實(shí)壓力。壓電式?jīng)_擊波壓力傳感器常用壓電材料為石英晶體，主要原因是石英晶體加工工藝相對(duì)成熟，在20～200 ℃的范圍內(nèi)壓電常數(shù)的變化量只有-0.0001 ℃，且石英晶體自振頻率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線(xiàn)性范圍寬，因此在爆炸場(chǎng)惡劣環(huán)境下適應(yīng)性強(qiáng)。

壓電式?jīng)_擊波壓力傳感器大多采用膜片式設(shè)計(jì)，即壓力作用在膜片上，通過(guò)傳力塊作用于壓電材料。根據(jù)傳感器內(nèi)部是否內(nèi)置電荷放大器，壓電傳感器又分為IEPE型(電壓輸出型)和PE型(電荷輸出型)。由于IEPE型傳感器具有低阻輸出、電荷放大器內(nèi)置、靈敏度不受線(xiàn)纜長(zhǎng)度影響且信噪比優(yōu)異的特點(diǎn)，使其幾乎適用于所有動(dòng)態(tài)壓力應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)已成功運(yùn)用在高頻響沖擊波、彈道壓力等實(shí)驗(yàn)上，具有很高的頻率響應(yīng)。IEPE型傳感器首創(chuàng)于美國(guó)PCB公司，又被稱(chēng)為ICP型傳感器。

常見(jiàn)的反射壓傳感器的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要結(jié)構(gòu)包括殼體、感壓膜片、傳力塊、壓電晶體堆、導(dǎo)電片、預(yù)加載裝置、加速度補(bǔ)償質(zhì)量塊和輸出極性與晶體堆相反的加速度補(bǔ)償晶體。在設(shè)計(jì)加速度補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)注意：① 盡量減小敏感元件、傳力塊等的質(zhì)量，以減少傳感器對(duì)加速度的敏感性；② 在測(cè)壓石英晶體后安裝一附加質(zhì)量塊和一組輸出極性相反的補(bǔ)償石英片；③ 安裝加速度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的傳感器的輸出靈敏度會(huì)低于未安裝加速度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的傳感器[27]。

行業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的自由場(chǎng)壓力傳感器的外形及其結(jié)構(gòu)仿真如圖4所示。由于自由場(chǎng)傳感器外形尺寸較大，為確保傳感器外形結(jié)構(gòu)對(duì)自由場(chǎng)壓力流場(chǎng)的影響處于工程允許范圍內(nèi)，自由場(chǎng)壓力傳感器外型結(jié)構(gòu)一般呈筆形或流線(xiàn)型，以減少尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)壓力流場(chǎng)的影響。2015年南京理工大學(xué)的童曉[6]比較了楔形結(jié)構(gòu)和筆形結(jié)構(gòu)的自由場(chǎng)壓力傳感器，分析了不同外形結(jié)構(gòu)對(duì)壓力流場(chǎng)的影響。

圖3 常見(jiàn)反射壓傳感器外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 常見(jiàn)自由場(chǎng)壓力傳感器外形及其結(jié)構(gòu)仿真

通過(guò)表1和表2中國(guó)內(nèi)外主要流通的超壓傳感器的參數(shù)對(duì)比來(lái)反映國(guó)內(nèi)外超壓傳感器存在的差距。

表1 國(guó)外主要超壓傳感器參數(shù)

表2 國(guó)內(nèi)超壓傳感器參數(shù)

其中，PCB113B系列的低頻響應(yīng)可低至0.005 Hz(- 5%)，加速度敏感度≤0.002 psi/g，溫度系數(shù)(溫漂)靈敏度≤0.054%/℃，最大振動(dòng)2000 gpk；最大沖擊20000 gpk，表示傳感器有專(zhuān)業(yè)的溫度補(bǔ)償和加速度補(bǔ)償；Kistler601CBA系列的低頻響應(yīng)可低至0.161 Hz(-5 %)，加速度敏感度≤0.0290 psi/g，溫度系數(shù)(溫漂)靈敏度0.008%/℃；Kistler6233A系列加速度敏感度≤0.03 psi/g，溫度系數(shù)(溫漂)靈敏度0.02%/℃，耐沖擊2000g。

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外超壓傳感器的比較發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)傳感器的主要問(wèn)題在于：① 絕緣阻抗低，較國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品差幾個(gè)量級(jí)，且穩(wěn)定性差；② 慣性補(bǔ)償(溫度補(bǔ)償)部分不夠完善或補(bǔ)償能力受限；③ 膜片預(yù)緊力無(wú)設(shè)計(jì)規(guī)則或不可控，導(dǎo)致負(fù)壓測(cè)量存在問(wèn)題。這主要是由于國(guó)內(nèi)壓電傳感器的材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)控制方面同國(guó)外存在顯著差距。

2.1.2 動(dòng)壓傳感器

由于在過(guò)去的常規(guī)化爆試驗(yàn)時(shí)，由于戰(zhàn)斗部的等效當(dāng)量不大，沖擊波動(dòng)壓因強(qiáng)度過(guò)低以至于可忽略不計(jì)。而隨著新型高能戰(zhàn)斗部的不斷研發(fā)，動(dòng)壓測(cè)試成為不可忽視的問(wèn)題，其傳感器技術(shù)也在近幾年內(nèi)有所發(fā)展。

傳統(tǒng)的動(dòng)壓測(cè)量采用的是“皮托管”，又稱(chēng)作“空速管”，可以更簡(jiǎn)便地測(cè)量氣流中的平均速度。盡管皮托管的工作目的不是測(cè)量動(dòng)壓，但是皮托管能通過(guò)測(cè)氣流總壓和氣流靜壓進(jìn)而求出氣流動(dòng)壓，這種方法即所謂的總壓靜壓法。Schneider等[28]曾使用微型快速反應(yīng)四孔“眼鏡蛇”皮托管探頭測(cè)量射流，他們發(fā)現(xiàn)在超音速氣流中使用皮托管時(shí)，沖擊波的結(jié)構(gòu)明顯地會(huì)因皮托管的幾何尺寸而改變。Masud等[29]提出了一種調(diào)整處于亞音速的皮托管空氣動(dòng)力學(xué)特性的補(bǔ)償方法，在文獻(xiàn)[29]中CFD技術(shù)被用于皮托管的分析和重新設(shè)計(jì)。然而在超聲速流中，皮托管頭部會(huì)產(chǎn)生脫體激波，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量來(lái)流動(dòng)壓，且存在的管腔效應(yīng)將嚴(yán)重限制其動(dòng)態(tài)特性，不適用于爆炸場(chǎng)動(dòng)壓的實(shí)際測(cè)量。

我國(guó)也有皮托管系統(tǒng)測(cè)量爆炸場(chǎng)動(dòng)壓的實(shí)例。彭常賢[30]曾采用動(dòng)壓探頭方法來(lái)測(cè)量核爆炸場(chǎng)風(fēng)動(dòng)壓，但由于核爆試驗(yàn)與常規(guī)化爆試驗(yàn)的測(cè)試環(huán)境與條件不同，產(chǎn)生的動(dòng)壓的幅值與頻率成分不同，且動(dòng)壓探頭采用的是變磁阻傳感器，易受爆炸近場(chǎng)的毀傷工況影響，能否應(yīng)用于化爆試驗(yàn)存疑。實(shí)際的常規(guī)化爆的爆炸場(chǎng)動(dòng)壓測(cè)量系統(tǒng)在近幾年才開(kāi)始建立。2015年南京理工大學(xué)季旭穎[4]基于皮托管的測(cè)壓原理，設(shè)計(jì)了筆形的復(fù)合式風(fēng)動(dòng)壓傳感器，并在某型彈試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了動(dòng)壓測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與理論較為一致，但仍需考慮總壓與靜壓孔因爆心距不同導(dǎo)致存在相位差的問(wèn)題。在動(dòng)壓傳感器技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)仍處于發(fā)展開(kāi)拓階段，并存在比較明顯的空白期。

2.1.3 總壓傳感器

總壓測(cè)量常與壁面反射壓測(cè)量混淆，事實(shí)上，總壓測(cè)的是空氣微團(tuán)速度滯止為0、動(dòng)壓全部轉(zhuǎn)化為靜壓時(shí)的總壓力，即全壓。從實(shí)際的沖擊波壓力毀傷能力評(píng)估角度來(lái)說(shuō)，總壓值更符合綜合反映沖擊波毀傷能力的要求。

爆炸場(chǎng)測(cè)量總壓的傳感器實(shí)際上還是反射壓傳感器，只是量程相對(duì)于地面反射壓傳感器更大，且敏感元件外還需配備特殊的安裝外殼。該外殼需滿(mǎn)足：① 具有足夠長(zhǎng)的引壓導(dǎo)管；② 管口無(wú)毛刺，管壁光潔；③ 管口應(yīng)有適當(dāng)?shù)牡菇腔蛞餮b置，使得總壓測(cè)量具有一定的方向不敏感性。

爆炸場(chǎng)沖擊波總壓測(cè)量的研究文獻(xiàn)資料較少，相對(duì)于超壓而言未受到足夠的重視，這對(duì)于研究戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)物毀傷能力評(píng)估方法以及總壓測(cè)量技術(shù)發(fā)展是十分不利的。

2.2 沖擊波壓力傳感器發(fā)展方向

目前沖擊波壓力傳感器的主要研究方向可以分為：① 傳感器對(duì)于爆炸場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性問(wèn)題及相應(yīng)的干擾抑制措施；② 傳感器安裝與外流場(chǎng)耦合問(wèn)題；③ 新原理、新方法的沖擊波壓力測(cè)量方法傳感器研制。

2.2.1 傳感器對(duì)于爆炸場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性問(wèn)題及相應(yīng)的干擾抑制措施

爆炸場(chǎng)沖擊波壓力測(cè)試屬于毀傷工況下的極端環(huán)境測(cè)試，在測(cè)量過(guò)程中，伴有高沖擊、強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)熱作用等寄生效應(yīng)[31-32]。李國(guó)強(qiáng)[33]對(duì)爆炸沖擊波測(cè)試的干擾問(wèn)題進(jìn)行了研究，介紹了干擾信號(hào)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響，并給出了消除干擾后測(cè)量到的沖擊波壓力曲線(xiàn)。邱艷宇等[34]對(duì)壓電傳感器在爆炸場(chǎng)內(nèi)受瞬變溫度的影響進(jìn)行了分析和對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)的熱輻射對(duì)傳感器的輸出響應(yīng)影響特別大，通過(guò)敏感面前端添加隔熱材料能有效減小熱寄生響應(yīng)。李燕杰等[35]從裝置受力與壓力傳感器性能兩方面分析了在沖擊載荷作用下振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原因，并提出了使用隔振器和小波分析濾波兩種消減振動(dòng)噪聲的方法。李永超[36]分別對(duì)沖擊波壓力測(cè)量用壓電傳感器和存儲(chǔ)測(cè)試裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了熱沖擊及沖擊載荷下的響應(yīng)。李琛等[37]通過(guò)設(shè)計(jì)傳感器安裝結(jié)構(gòu)來(lái)消除外界振動(dòng)作用于傳感器的寄生輸出。魏巍等[38]在激波管中同時(shí)加載沖擊波壓力與瞬態(tài)高沖擊，研究沖擊寄生響應(yīng)脈寬與結(jié)構(gòu)固有頻率的關(guān)系，提出設(shè)計(jì)剛度不同的安裝結(jié)構(gòu)以降低高沖擊寄生輸出；Wang等[27]總結(jié)了反射壓傳感器內(nèi)的加速度補(bǔ)償方式并仿真分析了補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)。

傳感器的加速度補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償一直是傳感器研制工作中的重點(diǎn)，也是目前國(guó)內(nèi)與國(guó)外傳感器的差距所在。研究方向上，除了研究寄生機(jī)理，添加外部的一些補(bǔ)償措施外，可考慮從傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)改善傳感器的溫度靈敏度和加速度靈敏度。

2.2.2 傳感器工藝參數(shù)控制

傳感器工藝參數(shù)控制主要包括傳感器敏感晶片加工、元件尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)、元件表面處理以及預(yù)緊力控制。這些工藝決定了傳感器自身的絕緣阻抗、靈敏度、量程、工作帶寬、固有頻率等重要特性，如若得不到控制，將導(dǎo)致傳感器的性能不可控，嚴(yán)重影響壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性。目前在傳感器工藝參數(shù)控制方向的研究成果極少，需進(jìn)行更深入的研究。

2.2.3 新原理、新方法下的沖擊波壓力傳感器

除了壓阻式、壓電式外的沖擊波壓力傳感器，可探討研究更適宜高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的沖擊波壓力傳感器研制的可行性與適用性。

光纖傳感器是20世紀(jì)70年代起高速發(fā)展的新型傳感器，受外界環(huán)境干擾影響小，非常適合爆炸場(chǎng)的極端惡劣條件。光纖F-P腔式壓力傳感器是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一[39]，其測(cè)量原理是壓力作用膜片導(dǎo)致變形，使得光纖F-P腔的腔長(zhǎng)發(fā)生改變。光纖F-P腔是由入射光纖和反射光纖兩個(gè)平行端面組成的空氣腔，兩端面反射光束形成干涉，返回光強(qiáng)呈余弦變化，近似為

I=kI0(1+Vcosφ)

(1)

式中:I為返回光強(qiáng)；k為F-P腔平均反射率；I0為輸入光強(qiáng)；V為F-P腔干涉可見(jiàn)度；φ為F-P腔的相位。由式(1)可知，相位正比于腔長(zhǎng)，對(duì)此，通過(guò)解調(diào)技術(shù)解調(diào)相位變化，可反算腔長(zhǎng)變化，進(jìn)而獲得壓力變化。MacPherson等[40-42]研制了用于檢測(cè)空爆突變壓力的高頻響光纖F-P腔式壓力傳感器，并與傳統(tǒng)壓力傳感器進(jìn)行對(duì)比，得出光纖F-P腔式壓力傳感器優(yōu)于傳統(tǒng)沖擊波壓力傳感器的結(jié)論。國(guó)內(nèi)總參工程兵科研三所周會(huì)娟[43]、陳顯[44]等研制了光纖法布里-珀羅 (F-P) 腔式壓力傳感器，采用三波長(zhǎng)解調(diào)法[45]解調(diào)相位。光纖F-P壓力傳感器已經(jīng)通過(guò)常規(guī)化爆試驗(yàn)以及水下沖擊波壓力測(cè)量試驗(yàn)[43-44,46-47]，取得了較好的測(cè)量結(jié)果，有一定的應(yīng)用前景。

此外，其他的沖擊波壓力傳感器，如北京理工大學(xué)李旭等[48]利用光子多普勒測(cè)速測(cè)量技術(shù)(PDV)設(shè)計(jì)了爆炸近場(chǎng)壓力測(cè)試的飛片式PDV壓力傳感器，從理論上確定了沖擊波壓力與飛片運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系，有待進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 沖擊波壓力傳感器校準(zhǔn)方法發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)校準(zhǔn)時(shí)采用的壓力激勵(lì)源的頻率特性，沖擊波壓力傳感器的校準(zhǔn)方法可歸結(jié)為靜態(tài)校準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)。

3.1 靜態(tài)校準(zhǔn)方法

靜態(tài)校準(zhǔn)主要用于零低頻特性良好的壓力傳感器校準(zhǔn)，用以獲得靜態(tài)靈敏度、線(xiàn)性度、重復(fù)性、遲滯性等靜態(tài)特性指標(biāo)。少數(shù)靜態(tài)特性極其優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)壓電式傳感器(非IEPE型)在加載時(shí)間較短的前提下也可適用此校準(zhǔn)方法。根據(jù)JJG 860—94，靜態(tài)校準(zhǔn)的壓力標(biāo)準(zhǔn)器可選用標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)、杠桿式測(cè)力計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)浮球式壓力計(jì)和數(shù)字式壓力計(jì)等。在壓力計(jì)量和量值傳遞中,活塞式壓力計(jì)由于測(cè)量范圍寬、量值準(zhǔn)確可靠 (最高可達(dá)0.002%)、穩(wěn)定性好 (合理保養(yǎng)可以使用30年以上)和溯源方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各計(jì)量院以及高校,并在壓力計(jì)量技術(shù)中占有很重要的地位[49]。作為國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，關(guān)于活塞式壓力計(jì)的技術(shù)發(fā)展至今已十分成熟，近幾年對(duì)活塞式壓力計(jì)的研究主要集中于誤差分析以及不確定度評(píng)定方向[49-51]。

靜態(tài)校準(zhǔn)的局限性在于不適用于低頻特性較差的沖擊波壓力傳感器，如壓電式壓力傳感器,且校準(zhǔn)時(shí)傳感器加載時(shí)間長(zhǎng)，影響傳感器使用壽命。

3.2 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法

沖擊波壓力傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法按激勵(lì)源可分為周期信號(hào)校準(zhǔn)法與非周期信號(hào)校準(zhǔn)法，其中最具代表性的為正弦壓力校準(zhǔn)法和激波管校準(zhǔn)法。

典型的正弦壓力校準(zhǔn)法是利用正弦壓力發(fā)生器完成被校傳感器系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)傳感器系統(tǒng)的比對(duì)式校準(zhǔn)法，其校準(zhǔn)的是單一頻率點(diǎn)(輸入的正弦壓力的頻率)下的動(dòng)態(tài)靈敏度。為獲得傳感器系統(tǒng)的幅頻特性，需要借助掃頻技術(shù)。由文獻(xiàn)[52]和文獻(xiàn)[53]可知，正弦壓力發(fā)生器的技術(shù)指標(biāo)為：頻率范圍0.001 Hz～10 kHz；最高峰值壓力為10 MPa。邰寒松[53]就正弦壓力發(fā)生器的掃頻速率引入的測(cè)量誤差進(jìn)行分析，初步給出了掃頻速率上限。鞏歲平[54]、倪立斌[55]等分別利用正弦壓力發(fā)生器對(duì)不同安裝方式和不同引壓管腔下的傳感器進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)。

正弦壓力校準(zhǔn)法的主要問(wèn)題在于：① 校準(zhǔn)幅頻特性的步驟煩瑣，需要通過(guò)掃頻的方法獲得多個(gè)頻率點(diǎn)下的動(dòng)態(tài)靈敏度并進(jìn)行擬合;② 頻率上限不高，無(wú)法激發(fā)出沖擊波壓力傳感器，尤其是壓電式壓力傳感器的固有頻率;③ 壓力上限不高，目前市面上用于測(cè)近場(chǎng)壓力和總壓的反射壓傳感器量程可達(dá)69 MPa，超過(guò)正弦壓力發(fā)生器10 MPa。

激波管校準(zhǔn)是目前最常用的非周期信號(hào)校準(zhǔn)方法，于1942年被用作壓電傳感器的標(biāo)定方法。激波管能產(chǎn)生非常接近階躍信號(hào)的“標(biāo)準(zhǔn)”壓力，平臺(tái)持續(xù)時(shí)間為5～10 ms，壓力幅度范圍寬，頻率范圍廣(1 kHz～2.5 MHz)。激波管可獲得可靠的傳感器系統(tǒng)的上升時(shí)間、固有頻率、動(dòng)態(tài)靈敏度等動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，其壓力溯源是測(cè)量激波速度，由蘭基涅-胡果尼方程計(jì)算壓力幅值[56-57]。此外，南京理工大學(xué)楊凡等[58]通過(guò)理想階躍分解法、低階模型分解法和微分法獲得沖擊波壓力測(cè)量系統(tǒng)中高頻段傳遞特性非參數(shù)模型。

激波管校準(zhǔn)法的主要問(wèn)題在于激波管的平臺(tái)時(shí)間短，激勵(lì)源信號(hào)下限頻率在1 kHz以上，導(dǎo)致1 kHz以下的校準(zhǔn)結(jié)果不可信。

3.3 準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)方法

所謂壓力準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)其實(shí)是用半正弦型的壓力脈沖對(duì)壓力測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，然而壓力脈沖的寬度必須足夠?qū)?，以保證其頻譜的有效帶寬完全處于被校準(zhǔn)系統(tǒng)幅頻特性的平直段內(nèi)，這樣校準(zhǔn)的結(jié)果與靜態(tài)校準(zhǔn)是相當(dāng)?shù)?，所以稱(chēng)為準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)[59-60]。準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)的提出是為了解決壓電式壓力傳感器由于“電荷泄露”的現(xiàn)象產(chǎn)生的零、低頻特性不佳導(dǎo)致靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果不可信的問(wèn)題。當(dāng)然，其他類(lèi)型的壓力傳感器也可以通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)獲取其特性指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)基于落錘法的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)方法研究開(kāi)始于2001年，主要由南京理工大學(xué)提出。近20年來(lái)，準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)在壓電式壓力傳感器校準(zhǔn)領(lǐng)域的地位逐步攀升，期間一些研究人員就準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)的裝置研發(fā)、系統(tǒng)搭建、狀態(tài)模型構(gòu)建、量值溯源、絕對(duì)式/比對(duì)式校準(zhǔn)方法、工作特性參數(shù)求取方法、不確定度評(píng)定等方面展開(kāi)了相關(guān)研究，衍生出落錘壓力發(fā)生器、擺錘壓力發(fā)生器等多套成熟設(shè)備，并成功應(yīng)用于沖擊波壓力傳感器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)[61-68]。準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)的壓力范圍極寬，可達(dá)1000 MPa以上，頻率范圍可覆蓋0～1 kHz。

準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)也存在諸多不足，以落錘系統(tǒng)為例，由于半正弦峰值壓力受重錘落高、活塞桿面積、傳壓介質(zhì)狀態(tài)和缸內(nèi)初始容積等多因素影響，壓力復(fù)現(xiàn)性能力不高，難以使峰值壓力達(dá)到確定的值，且小壓力校準(zhǔn)時(shí)壓力控制較困難。此外，受限于半正弦壓力激勵(lì)信號(hào)脈寬范圍，可校準(zhǔn)頻率上限不高。

3.4 聯(lián)合校準(zhǔn)方法

對(duì)于沖擊波壓力傳感器，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用力錘敲擊造壓油缸活塞桿的方式校準(zhǔn)，造壓油缸裝置如圖5所示，屬于準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)方法。但沖擊波壓力信號(hào)頻帶極寬，準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)僅反映傳感系統(tǒng)在0～1 kHz下的零低頻工作特性，無(wú)法獲取傳感系統(tǒng)的高頻特性指標(biāo)。對(duì)此，聯(lián)合校準(zhǔn)方法被提出。

圖5 造壓油缸裝置

聯(lián)合校準(zhǔn)方法是指結(jié)合兩個(gè)或兩個(gè)以上校準(zhǔn)方法對(duì)同一測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)獲得的低頻段幅頻特性與高頻段幅頻特性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全頻段校準(zhǔn)[63]。常見(jiàn)沖擊波壓力傳感系統(tǒng)的聯(lián)合校準(zhǔn)方法是基于落/擺錘進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)，獲取系統(tǒng)在0～1 kHz低頻段的傳遞特性以及靈敏度、非線(xiàn)性度、重復(fù)性等工作特性指標(biāo)；基于激波管進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，獲取系統(tǒng)的中高頻傳遞特性及動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)。已知當(dāng)系統(tǒng)的幅頻特性曲線(xiàn)在沖擊波壓力有效頻帶范圍內(nèi)平直時(shí)，系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)靈敏度等效于全頻段的靈敏度，對(duì)此有必要系統(tǒng)地辨識(shí)中高頻傳遞函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，確保幅頻特性平直段滿(mǎn)足需求。聯(lián)合校準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)沖擊波壓力測(cè)量系統(tǒng)的工程無(wú)失真測(cè)量，提高沖擊波壓力測(cè)量精度。沖擊波壓力測(cè)量系統(tǒng)的聯(lián)合校準(zhǔn)流程如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析，可以看出：

① 引線(xiàn)電測(cè)法和無(wú)線(xiàn)存儲(chǔ)測(cè)試法各有優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)指標(biāo)要求構(gòu)建合適的沖擊波壓力測(cè)量系統(tǒng)。為統(tǒng)一沖擊波壓力測(cè)量行為規(guī)范，提高沖擊波壓力測(cè)量精度，需開(kāi)展測(cè)點(diǎn)布設(shè)、傳感器安裝和沖擊波壓力測(cè)量不確定度評(píng)定的相關(guān)研究，并形成通用的行內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，建立沖擊波壓力的不確定度評(píng)定模型。

圖6 沖擊波壓力測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)合校準(zhǔn)流程圖

② 沖擊波壓力傳感器是戰(zhàn)斗部爆炸毀傷能力評(píng)估測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分。目前國(guó)內(nèi)爆炸場(chǎng)沖擊波壓力測(cè)試傳感器仍大量依靠進(jìn)口。與國(guó)外頂尖的壓力傳感器廠(chǎng)家相比，我國(guó)超壓傳感器存在寄生響應(yīng)嚴(yán)重、工藝技術(shù)水平低、可控性可靠性較差的問(wèn)題。在性能、穩(wěn)定性、適應(yīng)性等方面，我國(guó)生產(chǎn)的超壓傳感器與國(guó)際先進(jìn)水平仍存在差距。動(dòng)壓、總壓的測(cè)量不夠得到重視，導(dǎo)致相應(yīng)的傳感器技術(shù)也進(jìn)展緩慢，仍需長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積累與試驗(yàn)支撐。針對(duì)以上問(wèn)題，需在干擾抑制措施研究，傳感器工藝參數(shù)控制，新原理、新方法的沖擊波壓力測(cè)量方法傳感器研制方面進(jìn)一步深入研究。

③ 沖擊波壓力傳感器系統(tǒng)校準(zhǔn)方法分為靜態(tài)校準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)以及準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)，其中動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)以正弦壓力校準(zhǔn)法和激波管校準(zhǔn)法為主。各校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)的頻率范圍、壓力范圍、適用對(duì)象不同，存在或多或少的不足，需進(jìn)一步改進(jìn)。沖擊波壓力傳感器的校準(zhǔn)可通過(guò)多校準(zhǔn)方法聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)及全頻域段校準(zhǔn)，形成具有普適性的、科學(xué)合理的沖擊波壓力傳感器校準(zhǔn)方法。