自由场"铅笔式"爆炸动态压力传感器

一、产品概述

该传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的传感器，具有加速度补偿功能。石英敏感元件集成微电子电路用于长电缆驱动，同时具有良好的一致性和热稳定性。频率范围宽、动态响应快、温度特性好，适合于动态压力测试。

二、产品特点

①频率响应足够大，能可靠地反映压力的所有细微变化；

②尺寸无限小，对爆炸冲击波的瞬变流场不产生扰动；

③只对所要测的压力特性敏感，对无关的信号如加速度、电磁、光等环境因子不敏感；

④对被测量有大的灵敏度系数；

⑤对极小或极大的输入信号都有线性响应；

⑥极好的稳定性。

三、空旷场地爆炸实验时冲击波测试系统布局

▲地面爆炸冲击波测试系统布局

空旷场地爆炸时的冲击波测试有两种情况，空中冲击波测试和地面冲击波测试。空中近地爆炸由于马赫波的波阵面并不是一平面，空中测点高度和安装角的不同会引起较大的误差，因此空中冲击波场测试时传感器的高度应在三波点之上。

1、要求测取重构爆炸冲击波场的压强时(掠入式)，传感器的敏感面指向要与冲击波的运动方向一致，与波阵面垂直，要求传感单元尽可能减小对冲击波场的扰动，智能传感单元的构架要能够根据冲击波的传播方向调整传感器敏感面的指向，以便测试入射冲击波超压。

2、要求测取冲击波反射压时，传感器敏感面应与冲击波运动方向垂直(与波振面平行)。地面测试时传感器敏感面与地面平齐，布设位置在马赫波区域最好。正反射冲击波测试时传感器要在爆炸源的正下方，一般来说正下方会铺设钢板或预制板，将智能传感单元牢固固定，否则，爆炸时正下方的智能传感单元会被炸飞。具体布局图如图所示。

四、项目实景

五、传感器技术指标

IEPE型

动态指标		物理参数
量程	1/2/5/10/100MPa（可选）	上升时间	<2us
灵敏度	5000/2500/1000/500/50mV/MPa	工作温度	-40℃～+120℃
非线性	≤1%F.S.	外形尺寸	Φ22.3×400 mm
输出阻抗	≤100Ω	壳体材料	LC4
工作电压	24~28V DC（恒流源）	重量	~400 g
工作电流	2~10mA（典型值4mA）	压电材料	石英晶体
自振频率	＞250 kHz	接口要求	传感器接口为BNC或L5输出
		安装方式	夹具

PE型

动态指标		物理参数
量程	0.5/10/100/300MPa（可选）	上升时间	<2us
灵敏度	6/0.1/0.1pC/KPa	工作温度	-40℃～+120℃
非线性	≤1%F.S.	外形尺寸	Φ22.3×400 mm
输出阻抗	≤100Ω	壳体材料	LC4
工作电压	24~28V DC （恒流源）	重量	~400 g
工作电流	2~10mA（典型值4mA）	压电材料	石英晶体
自振频率	＞250 kHz	接口要求	传感器接口为BNC或L5输出
		安装方式	夹具

六、传感器的选型

1、IEPE型与电荷型传感器的选择

压电压力传感器分IEPE型和电荷型二种，IEPE型内置放大电路，使用方便，性价比高，但其缺点是较电荷型传感器而言易损坏，另一不足之处是因其受输出电压限制，测试量程（动态范围）不灵活。电荷型与电荷放大器相配合，具有较大的动态范围，可靠性也高，用户可根据以上情况，结合自己的需要进行选择。

2、压电与压阻的选择

压电式压力传感器由于其快速的时间响应、温度特性好、线性好、低漂移、密封性好、长期可靠性好、适应恶劣环境而被广泛使用。压阻传感器由于对光、温度较为敏感，这类传感器如若应用在爆炸测试工况，光、温度会改变传感器的灵敏度（指常态环境的标定灵敏度）。

3、 选择合适谐振频率的传感器

爆炸压力测试的频率较高，这就要求传感器自身谐振频率要足够高，以避免传感器产生谐振，使用时，所选传感器的谐振频率应高于测试的爆炸频率，如果传感器的谐振频率不够，有用信号会被谐振放大，无法读取真实的爆炸波的幅值，影响测试信号的准确。如下图左是标准爆炸波形，右图是传感器谐振频率不够产生的波形谐振现象。 

七、安装使用、配套仪器、自检维护

1、安装

安装支架材料：钢，钢管，表面镀锌，喷漆；传感器与夹持工装之间带缓冲层；支架高度至少需保证1.2m-2m高度可调，钢管支架固定部分外径30mm+5mm之间，伸缩部分钢管外径与固定钢管匹配，但外径需不小于20mm，保证伸缩部分钢管不晃动；支架底部带可收缩三脚架支撑，以保证整个支架稳定。

2、系统一点接地

压力传感器可作为反射波超压测试，许多产品自带螺纹可方便安装，安装时，传感器敏感面应与安装构件齐平。该传感器也可以采用夹持方法安装，夹持部位采用绝缘材料，如橡胶皮，有利于提高波形质量，同时达到一点接地。有的用户会通过安装块转接，我们建议，在爆炸当量不大时可采用绝缘材料，即可抗振又可绝缘。

我公司自由场传感器安装架在夹持部位采用绝缘材料做衬垫并用螺丝紧固，同样可实现一点接地。由于自由场传感器安装支撑杆具有一定高度，从地插到各连接部分应具有一定强度，避免晃动等因素带来的干扰。

上述所谈的安装与测试波形的改善是有相互关联的，要靠用户不断摸索，提高安装技巧

3、配套仪器

⑴、在爆炸领域，放大器是用来连接传感器和信号分析仪，选择频率合适的放大器至关重要，否则，会极大地影响测试精度。要注意，仪器频响最好是测试频率的二倍左右（因为仪器的标称频率是±3dB），这样，才能最真实的还原整个爆炸波形的状态。电荷型传感器接电荷放大器，IEPE传感器接宽频恒流适配器，使用与计算可参考相关使用说明书，压力值计算主要参照后续仪器说明书。

⑵、数据采集器（信号分析仪）

采集器主要用于高频压力传感器对爆炸、爆破冲击波进行测试和分析。可组成分布式爆炸测试系统，可用于大范围爆炸测试。多通道组合，每通道20M采样率。为确保测试准确，推荐数据采集器的采样频率应＞测试频率10倍以上。

4、传感器检测

压电式压力传感器的校准分为动态校准和准静态校准，准静态校准测试了传感器的低频的幅值线性度和灵敏度，动态校准是给被校传感器施加高频的激励信号，通过高速数采得到被测传感器的响应曲线，与标准传感器比较，得到传感器的动态灵敏度还有传感器的动态响应曲线。动态压力传感器理论上应该动静态灵敏度要一致，实际上因为传感器结构、装配工艺、压电材料、安装等各方面的原因，会造成传感器的动静态灵敏度不一致，所以传感器在出厂时应尽量给出传感器动静态灵敏度，以减小用户在不同使用情况下的测试误差。