压电传感器受爆炸瞬变温度影响的试验研究.pdf

第2 7 卷第4 期 爆破 V 0 1 ．2 7N o ．4 2 0 1 0 年1 2 月B L A S T I N GD e e ．2 0 1 0 ●●■■■●■■●●■●■●■●■■■●■■■■●■■●●■■■■■■●■●■●■■●●■■●■●●■■■■■●●■■●■■■■●一I 一■●●■●●■●●■●■■●■■■■●●●●●■●■■■●■●■■■●■■■■●■■●一 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 0 ．0 4 ．0 0 8 压电传感器受爆炸瞬 开K0 日 又皿度影响的试验研究 邱艳宇1 ，卢红标’，蔡立艮1 ，张虹2 1 ．解放军理工大学工程兵工程学院，南京2 1 0 0 0 7 ；2 ．解放军7 3 8 3 3 部队，福州3 5 0 0 0 2 摘要为了研究压电式压力传感器在爆炸冲击波压力测试中受瞬变温度的影响，首先对瞬变温度对压电 式压力传感器的影响因素进行了讨论，然后利用C Y Y D - 2 0 5 型压电式压力传感器在爆炸试验坑中进行了冲 击波压力测试。对该传感器采用无热防护措施、涂抹凡士林热防护和覆盖玻璃纤维布热防护3 种措施同时进 行对比试验。基于爆炸冲击波压力实测数据的分析，阐述了爆炸产生的热辐射时压电传感器的实际影响，并 验证了传统热防护措施的有效性。 关键词 爆炸冲击波压力；压电传感器；瞬变温度； 热防护 中图分类号T M 9 3 0 ．1文献标识码A文章编号1 0 0 l 一4 8 7 X 2 0 1 0 0 4 0 0 3 1 0 4 E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho nE f f e c to fE x p l o s i o nT r a n s i e n t T e m p e r a t u r eo nP i e z o e l e c t r i cS e n s o r s Q I UY a n - y u l ，L Ul l o n g ．b i a 0 1 ，C A IL i - g e n l ，Z H A N Gt t o n 9 2 1 ．E n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gC o r p s ，P L AU n i vo fS c i T e e h ，N a n j i n g2 1 0 0 0 7 ，C h i n a ； 2 ．T r o o p7 3 8 3 3o ft h eP L A ，F u z h o u3 5 0 0 0 2 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h ee f f e c t o ft h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r eo nt h ep i e z o e l e c t r i cp r e s s u r es e n s o ri nt h ee x - p l o s i o ns h o c kw a v ep r e s s u r et e s t ，t h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ee f f e c t i v ef a c t o r so nt h ep i e z o e l e c t r i cp r e s s u r es e n s o rw a f w s f l yd i s c u s s e d ，t h e nu s i n gt h eC Y Y D - 2 0 5p i e z o e l e c t r i cp r e s s u r es e n o o rt od ot h es h o c kw a v ep r e s s u r et e s ti ne x p l o - s i o nt r i a lp i tw i t l lt h r e ed i f f e r e n tm a t e r i a l so fn o n - t h e r m a lp r o t e e t i o nm e a s u r e s ．v a s e l i n et h e r m a lp r o t e c t i o na n dt h e r - m a lp r o t e c t i o nc o v e r e dt h eg l a s sf i b e rc l o t ha n dc o m p a r e di t s ．B a s e do nt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t ao fe x p l o s i o n s h o c kw a v ep r e s s u r e ，t h ea c t u a li n f l u e n c eo ft h e r m a lr a d i a t i o nb ye x p l o s i o no nt h ep i e z o e l e c t r i cf l e l l S O r si se x p l a i n e d a n dv e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s so ft r a d i t i o n a lt h e r m a lp r o t e c t i o nm e a s u r e s ． K e yw o r d s e x p l o s i o ns h o c k w a v ep r e s s u u r e ；p i e z o e l e t r i et r a n s d u c e r ；t r a n s i e n tt e m p e r a t u r e ；t h e r m a lp r o t e c t i o n 0 引言 压电式压力传感器由于灵敏度高、高频响应好、 线性运用范围宽、易于小型化等特点，在爆炸冲击波 压力测量中得到了广泛应用。但是，由炸药爆炸所 产生的热辐射直接作用在压力传感器上将会出现瞬 变温度效应‘3 ，为研究爆炸产生的瞬变热辐射对压 收稿日期2 0 1 0 0 7 一1 0 作者简介邱艳字 1 9 7 8 一 ，女，硕士、讲师，从事结构抗爆性能测试 方面的教学和科研工作。E - m a i l r a i n y _ m a y 1 2 6 ．c o m 。 电式压力传感器测量结果的影响，试验采用压缩型 结构，压电材料为石英晶体的压电式压力传感器进 行了爆炸冲击波压力试验研究。 1 瞬变温度对压电式压力传感器影响 原理分析 压电式压力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。常用的压电式压力传感 器是膜片型结构，即感压膜片作为压电式压力传感 器的敏感元件，将输入压力转化为垂直力作用在压 万方数据 爆破2 0 1 0 年1 2 月 电元件上，使得压电晶片产生电荷。常用的压电材 料有石英晶体和压电陶瓷，其中，又以石英晶体性能 非常稳定、自振频率高、动态响应好、机械强度高且 无热释电效应等优点而广泛采用。为了减小膜片和 压电元件之间的初始间隙，提高传感器的线性性能， 传感器一般采用预紧压缩的安装方式，即无外荷载 时压电晶体还承受一定的压力J 。选用的C Y ．Y D ． 2 0 5 压电式压力传感器正是采用膜片为敏感元件、 石英晶体为压电材料的压缩型传感器，其主要参数 见表1 ，传感器结构见图1 。 表1 传感器的主要技术参数 T a b l e 1P a r a m e t e r so ft r a n s d u c e r 封 圈 图1C Y - Y D - 2 0 5 传感器外型结构 单位咖 隐．1C o n f i g u r a t i o nI I l a p sa n dp h o t o s0 ft r a n s d u c e r u n i t n u n 尽管石英晶体对缓变温度并不敏感，但是瞬变 温度对压电式压力传感器的影响却比较大，主要来 源于2 个方面引1 压电材料自身的热电效应； 2 前端膜片被加热引起晶体片预载荷卸载产生，并 且认为这2 种干扰信号具有不同的极性，膜片受热 相当于减载，晶体片受热相当于加载，正负相反。 基于上述分析，对传感器进行了验证性实验。 实验设备为C Y - Y D - 2 0 5 压力传感器、K i s f l e r S 0 0 7 电 荷放大器和D H 5 9 3 9 N 数据采集仪。将压电式压力 传感器沿灵敏轴方向浸入8 0 ℃热水中并迅速取出， 得到如图2 所示的曲线。可以看到，当压电式压力 传感器短暂接触热水后，首先出现正跃变信号 本 传感器受压的输出为负值 ，传感器离开热水后，信 号迅速减小为负值，而后逐渐回到零点，这就说明了 瞬变温度在压电式压力传感器的壳体和基座等部件 内产生了温度梯度，由此引起的热应力首先对膜片 与基座之间的预紧力进行卸载，导致传感器的输出 首先变现为卸载信号，然后热量才通过膜片进入压 电晶体，产生热电输出，表现为加载信号。因此，只 要对膜片进行有效的隔热处理，就可以很好地补偿 瞬态温度对压电式压力传感器输出信号的影响。 O ．1 5 0 ．1 0 膏 O 0 5 皇0 。盂一0 。0 5 一O ．1 0 O ．1 5 24681 01 21 4 f ，s 图2 传感器受瞬态温度的测量曲线 n g ．2T 瞄t i n gc u l v e0 fi n g t a r 曲n 嘣l st e m p e r a t u r eO i lu - a m d x x 斌 2 压电式压力传感器瞬态温度误差的 补偿方法 根据以上的分析和试验，瞬变温度对压电式压 力传感器的影响比较大，必须采取热防护措施。现 有的温度补偿方法主要是1 采用具有强制冷却措 施，即在传感器内部注入循环的冷却水，或者向传感 器内部吹气，以降低压电元件和传感器各部件的温 度，使压电元件工作在既定的温度范围内；2 采用 隔热片或温度补偿片，即在膜片与压电元件之间放 置隔热垫片或温度补偿片，从而减小温度对压电元 件预紧力的影响；3 采取外部热隔绝措施，即让压 电式压力传感器的承压端面不直接承受热辐射的作 用，在传感器承压端面上涂抹油脂、凡士林等绝热和 传压介质，或者在传感器承压端面上覆盖隔热材料。 方法1 和方法2 是在传感器内部进行热防护， 即传感器本身具有特殊的高温补偿措施。只有方法 3 是对传感器采用外部热防护措施，适用于一般的 压电式压力传感器。因此采用方法3 的热防护措 施，选用凡士林和玻璃纤维布2 种材料进行了爆炸 冲击波超压测量。 3 爆炸冲击波超压测试 选用3 只同一型号的压电式压力传感器置于同 样的爆炸压力场中同时进行测量，为比较温度补偿 效果，3 只传感器采用的热防护措施各不相同。 3 ．1 传感器安装和试验方法 试验在爆炸试坑中进行，试验采用导爆索网状 平面装药方法，爆炸方式为空中爆炸，爆腔高度 万方数据 第2 7 卷第4 期 邱艳宇，卢红标，蔡立艮，等压电传感器受爆炸瞬变温度影响的试验研究 3 3 8 0c m ，当导爆索爆炸时，在爆腔中将产生一竖直向 下传播的平面波。压电式压力传感器安装于与砂面 平齐的夹具中，其中，1 。传感器在安装时与夹具之间 保留一定间隙，在此空腔中填充凡士林介质层，2 。传 感器与夹具一起外部包玻璃纤维布，3 。传感器受压 面直接裸露于空气中，现场照片见图3 。传感器间 距1 0 0c m ，平面装药加载试验布置如图4 。 a l 镌感器 b 2 锯感器 c 3 ’传感器 图3 传感器安装现场图 F i g ．3 T r a n s d u c e ra s s e m b l y 图4 试验原理图 F i g ．4 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft e s t i n g 3 ．2 量测系统 爆炸冲击波超压作用在传感器上时，压电式压 力传感器输出相应的电荷信号，经程控电荷放大器 D I - L 5 8 6 3 A 将其转换成电压信号，数据采集记录仪 D H 5 9 3 9 N 经同步起爆装置的触发信号触发，对3 只 传感器的电压输入信号进行实时数据采集，并将数 据传输到计算机进行保存和分析处理，其工作原理 见图5 。 压男黥器H 粼H 瓣H 计算机 图5 量测系统工作原理图 F i g ．5S c h e m a t i cd i a g r a mo fm e a s u r e m e n ts y s t e m 3 ．3 试验结果比较 试验共放2 炮，每炮使用同一型号的压电式压 力传感器3 只，爆炸冲击波超压应同时均匀地作用 在各测点上。2 炮试验除传感器热防护层厚度有所 不同外，其余工况均相同。试验波形见图6 ，试验工 况见表2 。 表2 试验工况 T a b l e 2O p e r a t i n gc o n d i t i o no ft e s t i n g - 0 ．3 0 一O ．4 0 O ．1 0 0 皇一o 1 0 气一0 ．2 0 一O ．3 0 0 ．60 ．81 ．01 ．21 ．4 t | m s a 第1 炮冲击波超压波形 洲 r 嘲一写 D ．51 ．0 1 ．5 2 ．0 t ／m s b 第2 炮冲击波超压波形 图6 爆炸冲击波超压波形图 F i g ．6 S h o c k w a v eo v e r p r e s s u r ep a R e r n s 从波形图中可以明显看出，未采取热防护措施 的3 。压电式压力传感器在爆炸冲击波超压作用下 输出信号出现了严重失真。外包玻璃纤维布的2 。 传感器与涂抹凡士林的l 。传感器在冲击波的整个 升压时间段内的波形基本重合，也就是2 只传感器 对冲击波上升时间和超压峰值的测量误差很小。但 是在超压下降段尤其是接近回零的时程部分2 只传 感器的测量结果有所不同，采用玻璃纤维布的2 。传 感器测量误差更小，而1 。传感器只有在涂抹较厚凡 士林的情况下测量误差才更小，也就是说同样厚度 的凡士林热防护效果略逊于玻璃纤维布。 3 ．4 高频信号损耗分析 由于采取热防护措施后，冲击波压力并非直接 作用在传感器承压面，而是通过凡士林或玻璃纤维 布，因此对冲击波压力峰值部分的高频损耗情况进 行了分析。截取第1 炮冲击波压力信号 主要为峰 O O 0 O O 2 l l 2 O O O O 一 一 日山警、A 万方数据 2 0 1 0 每1 2 月 ∞0 ． 鼍0 。0 ． 暑 ．三 冒0 蠢 b l 传感器信号幅值谱 ∞0 ． 暑 童0 c 2 ．传感器信号幅值谱 d 3 传感器信号幅值谱 一 图9 量测系统工作原理图．． ～1 “ I t S ．。s 鑫- 础d i 咿锄o f m e 删删町舢．． 。。甓燃然燃曩茹 巍等；耀篇茹■∞。“ 果完全可靠。 下转第3 9 页 万方数据 第2 7 卷第4 期宗琦，刘菁华煤矿岩石巷道中深孔爆破掏槽技术应用研究 3 9 上接第3 0 页 [ 5 ] 于宝新．齐大山铁矿爆破优化试验研究[ J ] ．金属矿 山，2 0 0 7 5 3 5 - 3 7 ． [ 5 ] Y UB a o - x i n ．T e s tr e s e a r c ho nb l a s t i n go p t i m i z a t i o ni nq i c l a s h a ni r o nm i n e [ J ] ．M E T A LM I N E ，2 0 0 7 5 3 5 - 3 7 ． i nC h i n e s e [ 6 ] 夏红兵，徐颖，宗琦，等．深部软岩巷道爆破卸压 技术及工程应用研究[ J ] ．安徽理工大学学报 自然科 学版 ，2 0 0 7 ，2 7 1 1 3 - 1 6 ． [ 6 ] X I AH o n g - b i n g ，X UY i n g ，Z O N GQ i ，e ta 1 ．R e s e a r c hO i l t h et e c h n o l o g yo fu n l o a d i n gb l a s tf o rad e e ps o f tr o c kt u n - n e la n di t se 晒n e e r i n ga p p l i c a t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fA n h n i U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N a t u r a lS c i e n c e ， 2 0 0 7 ，2 7 1 1 3 - 1 6 ． i nC h i n e s e [ 7 ] 王新民，赵彬，张德明，等．基于A H P 的矿岩爆破破 碎性能影响因素分析[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，2 5 4 l 一6 ． [ 7 ] W A N GX i n m i n ，Z H A OB i n ，Z H A N GD e - m i n g ，e ta 1 ．I n - f l u e n c ef a c t o r sa s s a yo fe x p l o s i o na n dc r a s hp r o p e r t i e so n m i n eb a s e do nA H P [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 8 ，2 5 4 1 - 6 ． i n C h i n e s e [ 8 ] 邓建，古德生，李夕兵．可视化自适应神经网络及在 矿业中的应用[ J ] ．中南工业大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 0 ，3 1 3 2 0 5 - 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