CN116242523B - 一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获方法及其装置 - Google Patents
一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获方法及其装置Info
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Abstract
本发明公开了一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获方法及其装置，由传感器封装本体、信号放大模块、信号处理模块及电源模块组成。所述传感器封装壳体内布置两组由压敏电阻、硅膜片组成的冲击波捕获装置，所述其中一侧内完全填充硬度材料，另一侧内为空腔。关键在于一组压敏电阻桥路电极接线需要正接，另一组电极需反接，由于电磁波传播速度远快于冲击波传播速度，因此其在启爆的同时就到达了传感器的安装点，并在传感器传输电缆上通过电磁感应途径在传感器的信号输出线上直接叠加上它的信号。基于此，压敏电阻阻值微变化引起的输出电压经信号处理模块处理后正反相抵，从而达到消除因输出压力曲线震荡而影响最终实测压力值准确性的目的。
Description
技术领域
本发明属于冲击波压力测试领域，具体涉及一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获方法及其装置。
背景技术
冲击波超压是防护工程结构抗爆实验的一项重要测量内容。目前在冲击波压力测试时，常用的压力传感器分为两种，分别为压电式压力传感器和压阻式压力传感器。但在测压过程中两种传感器受爆炸产生的光辐射、电磁辐射影响等较大，最终影响冲击波超压值的可靠性。
压阻式传感器具有灵敏度非常高、分辨率高、频响高且受爆炸时产生的震动影响不明显等优点，特别是其很高的固有频率以及很宽的动态响应范围，使其具有压电式式传感器不可比拟的优点，逐渐成为爆炸场冲击波超压测量的重要技术手段。与压电式传感器不同，常用压阻式传感器的敏感零件多为硅膜片，对红外到可见光范围的光辐射、电磁辐射和热冲击具有很强的敏感性，很容易受到爆炸产生的电磁辐射、光辐射和热冲击的干扰。
炸药爆炸、气体爆炸等过程中除产生冲击波以外，还在起爆过程中产生电磁辐射、光辐射、震动冲击等干扰因素。爆炸产生的光辐射和电磁辐射随距离的增大迅速衰减，故传感器在防护充分的中远场布置安装时，电磁波和光辐射可以得到很大程度的衰减，一般不会对冲击波测量信号产生影响。但在压力传感器近场布置的情况下，电磁波和光辐射信号会叠加到冲击波信号上，从而对冲击波压力的测量产生严重干扰，特别是作用时间较长的燃气等化学爆炸冲击波超压测量时，光、热等辐射影响更大，因此传感器输出的初始信号发生高频振荡，引起最终实测压力值产生误差甚至失真，极大地限制了压阻式压力传感器的使用场景。
中国发明专利200510037982.2公开了一种压阻式高频动态高压传感器的装置组成及原理，主要由压阻敏感组件、传感器基座、转接电路和引出电缆组成，解决了压力敏感膜片受力面直接齐平封装的问题，实现了动态高压测量时，对传感器具有高动态频响及极小的上升时间的要求。中国专利200510038458.7压阻式高频动态低压传感器的装置组成及原理，由压阻敏感组件、传感器基座、转接电路和引出电缆组成，是一种基于MEMS(MicroElectro Mechanical System)硅体微机械加工技术的高频动态压阻低压传感器，特别适用于空气动力学试验(俗称风洞试验)、水利工程、航空航天、兵器试验、船舶等的动态压力测量，具有良好的动态频响性能。
以上两种装置及方法从一定程度上削弱电磁波及光辐射等效应的干扰及影响，但仍然无法消除近场布置传感器的情况下，在爆炸冲击波超压到达压阻敏感元件之前这一干扰对电压信号带来的影响(如图1方框内曲线)，对于此，一般情况下采取的方法是把负脉冲残余引起的基线下降改变的超压波起点，考虑进超压波的计算，显然，该方法存在一定的误差。压力传感器实测冲击波压力曲线如图1所示。
当前为了削弱电磁波等对传感器输出信号的影响，主流做法大致分为两种：一种是对传感器加防护膜，该方法会造成传感器的频响损失、动态性能的降低；另一种方法是在传感器力敏区表面涂抹凡士林、硅油等，但该方法会影响传感器的测量精度。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获方法及其装置。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置，包括传感器封装壳体、信号放大模块、信号处理模块及电源模块，其中传感器封装壳体表面设有冲击波捕获装置，冲击捕获装置的输出端穿过传感器封装壳体与信号放大模块的输入端连接，所述冲击捕获装置采集电磁波信号、光辐射信号、热冲击信号和冲击波信号并分别传输给信号放大模块，其中冲击波捕获装置通过与信号放大模块正接反接的方式抵消收集的电磁波信号、光辐射信号以及热冲击信号，所述冲击波捕获装置的输出端穿过传感器封装壳体内部的部分通过填充硬度材料遏制部分冲击波信号的输出，所述信号放大模块的输出端接入所述信号处理模块的输入端，将冲击波信号放大后经过信号处理模块处理输出实际冲击波压力曲线，所述电源模块为信号放大模块和信号处理及输出模块供电。
优选地，所述压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置还包括硅膜片，硅膜片固定于传感器封装壳体表面，所述冲击波捕获装置嵌入在硅膜片中，冲击捕获装置两极的引线穿过传感器封装壳体与信号放大模块连接。
优选地，所述冲击波捕获装置包括两个镜像分布的压敏电阻，第一压敏电阻与信号放大模块反向连接，第二压敏电阻与信号放大模块正向连接，第一信号放大器和第二信号放大器的输出端分别接入信号处理模块的输入端。
进一步地，所述压敏电阻包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4按菱形连接连接方式连接为惠斯通电桥，其中，电源模块正极接入第一电阻R1和第四电阻R4的公共端，电源模块负极接入第二电阻R2和第三电阻R3的公共端，第一电阻R1和第二电阻R2的公共端与第三电阻R3和第四电阻R4的公共端作为输出端接入信号放大器放大模块的输入端。
进一步地，传感器封装壳体内部被信号放大模块连接的第一压敏电阻的输出端引线穿过的部分填充有硬度材料。
一种基于压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置的冲击波压力捕获方法，包括以下步骤
S1、压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置采集爆炸产生的电磁波、光辐射、热冲击正向电压信号和反向电压信号以及冲击波的正向电压信号；
S2、压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置将采集的电磁波、光辐射和热冲击信号的正向电压信号和反向电压信号放大，并将放大后的电磁波、光辐射以及热冲击的电压信号相互抵消；
S3、压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置将冲击波的正向电压信号放大并输出。
优选地，压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置中的第一压敏电阻内部填充有硬度材料，在采集正压冲击波的电压信号时无信号输出。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明通过巧妙设计两组压敏电阻同时使用，重点在于其中一个传感器内侧完全填充硬度材料防止压敏电阻接触冲击波后向下变形而引起电阻阻值变化，但不影响电磁波及负压导致的压敏电阻向上变形而引起的电阻阻值的变化；另一侧传感器内测为空腔设置，正常接收冲击波信号。关键在于一组压敏电阻桥路电极接线需要正接，另一组电极需反接，由于电磁波传播速度远快于冲击波波阵面传播速度，因此它在几乎启爆的同时就到达了传感器的安装点，并在传感器传输电缆上通过电磁感应途径在传感器的信号输出线上直接叠加上它的信号。基于此，压敏电阻阻值微变化引起的输出电压经信号处理模块处理后正反相抵，从而达到消除因输出压力曲线震荡而影响最终实测压力值准确性的目的。
附图说明
图1是普通压力传感器实测冲击波压力信号图；
图2是压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置分装壳体内部构造示意图；
图3是压敏电阻电路示意图；
图4是压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置模块划分示意图；
图5是压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置实测冲击波压力信号图；
图6是压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置信号处理流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明公开了一种一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获方法及其装置。
以2kg TNT爆炸，使用压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置测量距离起爆点3m处地面冲击波压力为例进行说明，传感器参数如表1所示。
1、炸药自起爆点起爆；
2、炸药起爆产生初始电磁波、光辐射及热冲击等作用于传感器力敏区域，其中，力敏区域如图2所示压敏电阻1和压敏电阻2，压敏电阻1。在无外力作用的情况下，压敏电阻1和压敏电阻2的惠斯通桥路处于平衡状态，如图3所示，此时无电压信号输出，当爆炸产生的电磁波等信号作用到该压敏电阻上后，组成惠斯通桥路的电阻阻值发生变化，压敏电阻1和压敏电阻2桥路失去平衡，输出电压信号；
3、信号放大器将接收到的步骤2中正、反向电压信号进行放大，如图4所示，信号放大器与传感器封装壳体的引出线连接，传感器封装壳体内部如图2所示，压敏电阻1内部填充有硬度材料，在接受正压的情况下不会产生应变，因此当压敏电阻1在接受负压的情况下才会产生应变，此时该桥路失去平衡输出电压信号；压敏电阻2在接受正压和负压的情况下均会产生应变，输出电压信号；
4、由爆炸产生的电磁波、光辐射及热冲击等引起的负压作用在压敏电阻1和压敏电阻2上后，使得两个电阻产生相同的阻值变化，但又因输出电压信号一正一反，故经步骤3放大后的正反向电压信号经过处理器处理抵消强负压信号，因此该阶段将只输出微震荡曲线，所以在实际冲击波波阵面到达传感器表面前压力曲线表现为无负压信号，如图5所示；
5、爆炸冲击波到达两组传感器力敏区域；
6、由于传感器1的内部有硬质材料填充，压敏电阻1接收爆炸冲击波信号后无应变产生，也即无法发生阻值变化，不输出电压信号；与此同时传感器2接收爆炸冲击波信号，压敏电阻2产生应变，阻值发生改变，输出正向电压信号；
7、信号放大器放大步骤6中传感器2输出的电压信号；
8、信号处理器将步骤7中的电压信号进行处理并输出；
9、信号处理器输出爆炸冲击波实际压力曲线，测得该自由场冲击波压力峰值为308KPa，如图5所示，当冲击波峰值作用结束后，输出压力信号值表现为归零趋势。整个作用过程如图6所示；
表1压阻式冲击波压力传感器参数
| 测量范围 | 0～15MPa |
| 准确度等级 | 0.5％FS |
| 信号输出 | 0～5V |
| 供电方式 | ±12VDC |
| 补偿温度范围 | 0℃～60℃ |
| 使用温度范围 | -40℃～120℃ |
| 零位温度系数 | 5×104/℃.FS |
| 灵敏度温度系数 | 5×10—4/℃.FS |
对比实例：
以2kg TNT爆炸，使用未经过并联处理的普通压阻式压力传感器测量距离起爆点3m处地面冲击波压力。传感器参数如表1所示。
1、炸药自起爆点起爆；
2、炸药起爆产生初始电磁波、光辐射及热冲击等作用于传感器力敏区域，使压敏电阻发生变化，并输出电压信号；
3、信号放大器将接收到的步骤2中正、反向电压信号进行放大；
4、步骤3中放大后的电压信号在实际冲击波波阵面到达传感器表面前压力曲线表现为明显负压信号，如图1所示；
5、爆炸冲击波到达两组传感器力敏区域；
6、传感器接收爆炸冲击波信号，压敏电阻产生应变，阻值发生改变，输出电压信号；
7、信号放大器放大步骤6中传感器输出的电压信号；
8、信号处理器将步骤7中的电压信号进行处理并输出；
9、信号处理器输出爆炸冲击波实际压力曲线，测得该自由场冲击波压力峰值为290KPa，如图1所示，当冲击波峰值作用结束后，输出压力信号值仍然表现存在负压。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置，其特征在于，包括传感器封装壳体、信号放大模块、信号处理模块及电源模块，其中传感器封装壳体表面设有冲击波捕获装置，冲击捕获装置的输出端穿过传感器封装壳体与信号放大模块的输入端连接，所述冲击捕获装置采集电磁波信号、光辐射信号、热冲击信号和冲击波信号并分别传输给信号放大模块，其中冲击波捕获装置通过与信号放大模块正接反接的方式抵消收集的电磁波信号、光辐射信号以及热冲击信号，所述冲击波捕获装置的输出端穿过传感器封装壳体内部的部分通过填充硬度材料遏制部分冲击波信号的输出，所述信号放大模块的输出端接入所述信号处理模块的输入端，将冲击波信号放大后经过信号处理模块处理输出实际冲击波压力曲线，所述电源模块为信号放大模块和信号处理及输出模块供电；所述冲击波捕获装置包括两个镜像分布的压敏电阻，第一压敏电阻与信号放大模块反向连接，第二压敏电阻与信号放大模块正向连接，第一信号放大器和第二信号放大器的输出端分别接入信号处理模块的输入端；传感器封装壳体内部被信号放大模块连接的第一压敏电阻的输出端引线穿过的部分填充有硬度材料。
2.根据权利要求1所述一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置，其特征在于，所述压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置还包括硅膜片，硅膜片固定于传感器封装壳体表面，所述冲击波捕获装置嵌入在硅膜片中，冲击捕获装置两极的引线穿过传感器封装壳体与信号放大模块连接。
3.根据权利要求2所述一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置，其特征在于，所述压敏电阻包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4按菱形连接连接方式连接为惠斯通电桥，其中，电源模块正极接入第一电阻R1和第四电阻R4的公共端，电源模块负极接入第二电阻R2和第三电阻R3的公共端，第一电阻R1和第二电阻R2的公共端与第三电阻R3和第四电阻R4的公共端作为输出端接入信号放大器放大模块的输入端。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述的压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置的冲击波压力捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置采集爆炸产生的电磁波、光辐射、热冲击正向电压信号和反向电压信号以及冲击波的正向电压信号；
S2、压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置将采集的电磁波、光辐射和热冲击信号的正向电压信号和反向电压信号放大，并将放大后的电磁波、光辐射以及热冲击的电压信号相互抵消；
S3、压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置将冲击波的正向电压信号放大并输出。
5.根据权利要求4所述的冲击波压力捕获方法，其特征在于，压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置中的第一压敏电阻内部填充有硬度材料，在采集正压冲击波的电压信号时无信号输出。
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