引 言

　　為了測量炸藥在水中的爆炸壓力，因測量介質與常規(guī)測量的不同，測量環(huán)境比較惡劣，所以，對傳感器
傳感器

　　凡是利用一定的物性（物理、化學、生物）法則、定理、定律、效應等把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。 [全文]

就要有一些特殊的要求：首先，傳感器要有較高的頻率響應，水下爆炸的壓力是一個高速變化的過程；其次傳感器要有較強的抗干擾能力，以便減小測量誤差，提高測試精度；再者，傳感器要有足夠的強度、良好的密封性能和較強的防腐蝕能力。因此，以電氣石為敏感元件的傳感器則被應用于水中爆炸壓力的測量。由于在水中爆炸壓力的測量中，傳感器的基本性能指標為：測量范圍上限為250MPa；測量精度≤2％FS；上升前沿≤2.5μs。根據(jù)系統(tǒng)性能指標要求，確定了用于水中爆炸壓力測量傳感器的結構，同時，克服了選材和工藝方面的技術難題。

　　1 傳感器的選材及其結構

　　1.1 敏感元件材料的選擇

　　敏感元件是傳感器的關鍵元件，因為它決定著傳感器的原理和特性。因此，是傳感器結構設計時首先要考慮的問題。根據(jù)測試對象，對炸藥在水中爆炸產生的壓力進行測量，故采用壓電式壓力傳感器
壓力傳感器

　　 壓力傳感器是 將壓力轉換為電信號輸出的傳感器，通常把壓力測量儀表中的電測式儀表。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應變計）組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉換為位移或應變，然后由位移敏感元件或應變計轉換為與壓力成一定關系的電信號。有時把這兩種元件的功能集于一體。壓力傳感器廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。 [全文]

。所以，敏感元件選用壓電晶體，壓電晶體種類較多，如，石英、電氣石、鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇等，根據(jù)幾種常用的壓電晶體性能，由于電氣石晶體具有體壓電效應的特點，而且，國內外在對炸藥在水中爆炸產生的壓力進行測試時，均采用電氣石晶體作為壓電式壓力傳感器是能夠感測各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小并轉換為電信號的器件，是力學測量的重要器件。

的敏感元件，所以，敏感元件材料選擇電氣石晶體。

　　1.2 傳感器的結構及工作原理

　　水中爆炸壓力傳感器
壓力傳感器

　　 壓力傳感器是 將壓力轉換為電信號輸出的傳感器，通常把壓力測量儀表中的電測式儀表。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應變計）組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉換為位移或應變，然后由位移敏感元件或應變計轉換為與壓力成一定關系的電信號。有時把這兩種元件的功能集于一體。壓力傳感器廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。

結構如圖1所示。

　　該傳感器以具有壓電效應的電氣石為敏感元件，內部填充硅油，采用高絕緣密封膠
密封膠

　　密封膠(Adhesive Sealant) 用于靜止接合面間的密封。在涂敷前是具有流動性的液狀粘稠物，易于填滿兩個接合面之間的縫隙，起較好的密封作用。包括液態(tài)密封膠、厭氧性密封膠、硅酮密封膠等。 [全文]

進行密封。工作時，將傳感器放入水下離爆炸源一定的距離，當炸藥爆炸后產生的壓力通過水，以沖擊波的形式向各個方向傳播，電氣石晶體將感受到的壓力信號轉換成的電信號，從而實現(xiàn)能量的轉換。

　　2 傳感器的性能檢測

　　2.1 傳感器的靜態(tài)標定

　?。?）標定設備：傳感器的校準設備為JS-2500（250MPa）活塞壓力計；準確度等級為0.02。

　?。?）標定方法：采用加載法，每個傳感器預壓3遍后開始校準，校準3次取平均值，按最小二乘直線法計算得出傳感器的靜態(tài)靈敏度、非線性靜態(tài)標定結果見表1。

　　由表1標定的結果得出：MCRI傳感器的非性為1.36％。靈敏度為26.12pC/MPa。

　　2.2 動態(tài)標定

　　（1）標定設備：美國PCB公司913B02型水動力脈沖標定裝置（含內裝電荷放大器的136A型標準傳感器）。

　?。?）標定方法：采用比較校準落球標定法，將傳感器按照靜態(tài)靈敏度配置模塊式電荷放大器
電荷放大器

　　在使用壓電晶體傳感器的測試系統(tǒng)中，電荷放大器是一種必不可少的信號適調器。它能夠將傳感器輸出的微弱電荷信號轉化為放大的電壓信號，同時又能夠將傳感器的高阻抗輸出轉換成低阻抗輸出。 [全文]

，然后，與標準傳感器同時安裝在標定接頭上，將鋼球從不同的高度自由下落，撞擊高壓液壓裝置中的活塞，產生的半正弦波壓力（也是一種脈沖壓力）經過液壓油傳遞給傳感器，以參考傳感器為基準。將被校傳感器的曲線與標準傳感器的曲線進行幅值和波形一致性的校準，求得傳感器的動態(tài)校準非線和靈敏度。傳感器的動態(tài)標定結果見表2。

　　由表2的結果可以得出：傳感器的非線性為0.17％；平均靈敏度為123.76mV/MPa。

　　由靜態(tài)和動態(tài)標定得到的傳感器的非線性值不一樣，這是因為當傳感器的絕緣電阻
電阻

　　電阻，物質對電流的阻礙作用就叫該物質的電阻。電阻小的物質稱為電導體，簡稱導體。電阻大的物質稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。 不是很高時，在靜態(tài)標定中，由于加載時間較長，傳感器會產生一定的零漂，從而影響傳感器的線性指標；另外，動態(tài)標定使用的設備，由于密封的問題，標定只能到達29MPa的壓力，遠低于量程上限，所以，動態(tài)標定的非線性比靜態(tài)標定的非線性指標高。

　　3 水池試驗

　?。?）試驗條件：水池直徑為85m，深度為15m；爆炸源為RS211，重量為1.01kg；傳感器安裝深度為5m，離爆炸源水平距離為3m。

　?。?）試驗方法：試驗時，將研制的傳感器及測試系統(tǒng)與美國PCB公司的138型激波傳感器和專用的信號采集裝置同時進行測量對比。試驗波形曲線如圖2所示。傳感器的爆炸沖擊波能及氣泡能測試測試數(shù)據(jù)見表3。

　　從傳感器的沖擊波能及氣泡能測試波形曲線，得到MCRI 5#，MCRI 6#的沖擊波形上升前陡峭，抗干擾能力強，與美國PCB公司生產的 PCB138-1傳感器測量結果的比較，獲得的沖擊波波形基本一致。總之，由測試結果可以證時：獲得的沖擊波波形基本一致。

　　4 結束語

　　通過對研制的MCRI型傳感器進行靜態(tài)、動態(tài)壓力的標定及水池試驗，與美國PCB公司同類產品進行比對的結果表明：該水中爆炸壓力傳感器
力傳感器

　　力傳感器是能夠感測各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小并轉換為電信號的器件，是力學測量的重要器件。

的設計方案正確，上升前沿、靈敏度、精度等技術指標均達到使用要求，且使用方便、節(jié)約成本，適合于水中爆炸壓力的測量。