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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页1 绪 论1.1 本课题的研究背景及其意义 在武器的研制和生产中，有许多研究对象需要测量的是随时间快速变化的瞬态温度，如枪炮膛内火药气体的温度，身管内外壁的瞬态温度，膛内气流温度，自动武器导气室内气体温度，火箭及导弹燃气射流温度，高能燃烧剂及静态破裂剂的燃烧温度，爆炸与爆轰温度，温压弹爆炸瞬间温度场，钻地弹侵彻过程弹头温度等等。这些瞬态温度的共同特点是温度高，变化快测量条件恶劣，常伴有高压或高速气流流动，多为不可重复一次性过程。因此，测量条件非常困难，技术难度很高。随着科学技术的发展和新技术的应用，特别是国防尖端科
2、学技术的发展。我国以传统的静态计量测试技术为主的情况，已远远不能满足当代技术发展的需求了。近年来，动态参数测试技术的迅速发展，已成为国外计量测试技术发展的最新动向之一，特别令人瞩目。为了确保动态参数测试准确可靠与统一，就要求在积极发展动态参数测试技术的同时，大力开展动态校准技术的研究。现代高技术战争中，精确制导武器的当量提高和大量使用，对国防工程、人防工程构成了严重威胁。为此，国内都在大力开展常规武器侵扯爆炸效应、岩土介质中爆炸地冲击、结构的抗爆性能等方面的研究。在这些研究中，压力是经常需要测试的力学参数之一29。压力的测试离不开传感器技术，传感器广泛应用于各个领域。利用传感器要获得准确的测量
3、结果，就必须对传感器进行校准。 随着被测信号如枪、炮膛压信号幅值的增大，高动压测试技术的发展遇到了一个突出的课题，就是解决高动压传感器与测试系统传输特性的校准和高动压下灵敏度的测定。由于此方面的问题没有得到较为满意的解决，使得高动压传感器研制和已有的高压传感器性能的评定以及测试结果的分析均受限 。对于压力传感器的频率响应特性，校准的幅度超过100MPa的技术，在国际上一直没有取得突破性的进展。由于高压传感器在其工作压力下的频率响应特性是研究高动压测试的关键，所以在高压下对传感器频率响应特性的校准成为国际上传感器研究的关键。 动态校准的目的是为了获得传感器的动态特性，包括动态数学模型和动态性能指
4、标等，其首要问题是产生频带宽、幅值高的动态激励信号。量程为100MPa至1000MPa的高压传感器在工程技术上有着广泛而重要的应用前景。压力传感器动态校准的测试方法很多，如激波管校准法、落锤式液压动态标定装置等。1.2 本课题的国内外研究现状及发展1.2.1国外研究现状 美国从50年代开始研究压力动态测试和校准的理论和方法，并取得了很大的成就。其落锤式校准装置的导轨高2.44m，锤重2.72kg29.48kg,用于校准液压压力传感器，峰值压力为(351406)10Pa，脉冲宽度为1ms12ms;AVL公司研制的B620落锤法动态压力标定系统，其标定范围是1000bar8000bar(1MPa=
5、10bar),持续时间2.5ms。俄罗斯建立了完整的动态压力量传体系，拥有多种动态压力校准设备。法国也建立了动态压力国家标准。美国从六十年代起开展了广泛的研究，颁布了ANSI B88.1-1972A Guide for the Dynamic Calibration of Pressure Transducers。图1.1德国PTB实验室的振动台力源示意图，它为一种典型的正弦激振力源。该力源的特点是输出稳态正弦激励信号，可通过扫频的方法得出力传感器的动态特性。 计算机 加速度计 电荷放大器 负载质量块 二次仪表 信号 分析仪 力传感器 电磁振动台 电荷放大器 功率 放大器 图1.1 德国PTB
6、实验室稳态正炫激振力源装置示意图1.2.2国内研究现状我国从二十世纪七十年代开始进行压力动态校准理论的研究，八十年代开始了高压动态校准理论的研究。航空部一院计量站于1979年建立了完整的激波管动压校准系统。八十年代初，洛阳工程兵研究所探讨了用炸药爆炸的高压激波管原理。八十年代初南京理工大学研制了落锤动压发生器，压力高达700Mpa,脉宽几毫秒。北京航空航天大学八十年代研制了水下爆炸产生准函数脉冲压力的装置，促进了动态压力校准技术的发展。中国气动中心于八十年代中建立了名义值为100MPa的高压激波管。1992年兵器工业部204所研制的100Mpa的高压激波管通过鉴定，它将成为兵器测试领域重要的动
7、压校准装置。华北工学院对准校准理论进行了研究并建立了校准装置。1989年太原机械学院对动态传感器准脉冲校准系统做了沉入研究。路宏年、刘仓理写的1GPa压力脉冲发生器的研究及锰铜压阻技术在低压宽脉冲测量中的应用一文中概述了已成功实现塔里500MPa，脉宽10微秒的动压发生器及用锰铜压阻传感器作为参考传感器的原理。 由中国计量科学研究院等单位研制的“100吨冲击力校准装置系统”，即基于脉冲式力源。脉冲式力源有各种脉冲类力信号，最典型的有半正弦信号、矩形信号等。其校准力传感器动态特性的原理是利用脉冲信号宽的幅频特性激发出力传感器的动态特性，从而达到校准力传感器的目的。1.2.3国内外研究发展 压力动
8、态校准的目的是采用实验方法获得压力测量系统的动态性能指标，主要是系统的频率特性或固有频率n，上升时间tr等动态性能指标。 目前用于压力传感器及测量系统的动态校准设备很多，根据产生压力波形的不同，校准设备可分为两大类:一类是正弦压力信号发生器，另一类是瞬变压力信号发生器。正弦压力信号发生器产生的压力信号呈周期变化。根据工作原理的不同一般分为四类:谐振空腔式、非谐振空腔式、阀门装置和喇叭式。谐振空腔式是设法使空腔内的气体产生谐振从而得到周期变化的压力，非谐振空腔的工作原理是压缩容器内的气体，得到周期变化的压力；阀门装置一般产生低频方波压力信号；喇叭式压力发生器通过正弦变化的电流产生同频率变化的磁场
9、力从而带动空腔内的压力做正弦变化。四类装置产生的信号有个共同特点，即只有在压力峰值小且频率低的情况下信号才能保持为良好的呈周期变换的正弦波或方波，当峰值较大、频率较高时，波形往往会产生畸变且变化不均匀。因此正弦压力信号发生器一般只能用于小压力或低频范围的标定。对于压力高达1OOMPa 1OOOMPa的动态压力，上述在中、低压下应用的动态校准方法是不适用的。利用压力较低的动态校准装置对高压测量系统进行动态特性的测定时存在严重问题:中、低压校准装置产生的激励信号，其压力值达不到高压系统压力量程的要求，激发不出系统在高压状态下存在的问题，得到的数据不能真实的反映系统在高压下的动态特性。高压测量系统必
10、须要有相应的高压动态校准系统和校准方法。高压测量系统常采用瞬变压力信号发生器。如高压气体激波管、准函数发生装置、落锤液压式半正弦压力信号发生器等，它们产生的是随时间变化的非周期压力信号。这些装置对高压系统的动态校准各有特色，适合于不同的情况、不同的场合。1.3本课题主要研究内容 本课题主要研究高压传感器的动态溯源性校准，压力传感器的动态溯源性校准指的是采用一个已知特性的压力激励源对被校传感器进行激励，得到被测传感器从零频至所要求的频率范围的频率响应特性，对零频进行溯源，即静态溯源，从而实现动态溯源。 溯源亦称溯源性，是通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或测量标准的值能够与规定
11、的参考标准，通常是以国家计量标准或国际计量标准联系起来的特性。计量法及有关法规、计量检定系统表、计量检定规程、计量技术规范等为量值传递和量值溯源提供了法制保障和技术文件支持。这里所说的溯源性就是量值溯源。量值溯源是对测量设备最基本得要求。利用测量设备进行测量必须是能够与国家测量基准直至国际测量基准建立量值溯源关系。量值溯源是量值传递的逆过程。量值传递是通过对计量器具体检定或校准，将国家基准所复现的计量单位量值通过各等级计量标准传递到工作计量器具，以保证对被测对象量值的准确和一致。 许多力学和热学量的溯源校准采用时域静态校准方法，例如压力校准，运用帕斯卡原理，活塞直径经过长度计量校准，砝码的质量
12、经过质量计量校准，由该砝码和活塞在密闭液压容器中产生的压强就溯源到国家计量基准，用这个经过溯源的压强来对压力计进行静态校准。 从频率域来研究，静态特性是指频率为零频时的特性，国家力学、热学量的计量基准都是静态的基准，如果某仪器系统其频率响应特性从零频至所需要的频率范围是平直的(在一定范围内)，则可通过静态校准的量值传递，得到该仪器系统的动态测量精度。这就是频域动态校准，准校准就是在频域进行的。因此，动态测量精度的溯源性校准问题可归结为对被校仪器进行溯源性静态校准和求得其频率响应特性两个问题。动态校准技术的首要问题是要有频带能充分覆盖被校传感器和测试系统模态的动态激励信号发生器，才能将被校传感器
13、和测试系统的主要模态激发出来。2 动态校准的相关理论2.1 动态校准的基本概念 动态测试是指待测参量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，也就是被测量为变量的连续测量过程。在国防及许多工业领域，需要进行各种动态参数的测量，如瞬变的压力、温度、应力波等，测试精度是动态测试的关键问题，它的深入研究与发展对新概念动态测试技术发展起着至关重要的作用。参量的校准是动态测试系统保证测试精度的有力措施之一，是进一步提高动态测试系统的精度的依据。系统的性能指标包括静态性能指标和动态性能指标。静态性能指标反映了系统的静态特性，包括线性度、重复性、迟滞等指标参数;动态性能指标通过时间域指标，如时间常数T、响应时间
14、ts、上升时间tr等参数及频率域指标，如工作频带等来反映系统的动态特性。在对测试系统进行特性分析时，只考虑静态性能指标是不行的。因为即使是两个静态性能相当的测试系统同时测量同一点的压力变化曲线时，得到的两条记录曲线通常也会相差非常悬殊。假设一单位阶跃压力信号同时通过两个二阶系统A,B。系统A和B的固有频率、阻尼比及静态灵敏度分别为nA=100Hz、A,=0.2，nB=1KHz、B=0.4， KA=KB=1，得到两系统的频响函数分别为: 其幅频特性和相频特性分别为: 通过仿真计算，可以得到两系统的阶跃响应曲线。如图2.1和2.2虽然两系统具有相同的静态灵敏度，但由于其动态性能指标不一样，产生的阶跃响应相差很大。 YA(j)=X(j)*HA(j)*HA(j)X(j) X(t) XA(t)YB(j)=X(j)*HB(j)HB(j)
