地面反射壓測量傳感器安裝結(jié)構(gòu)模擬實驗研究

李　琛，孔德仁，商　飛，李麗萍，趙傳榮

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

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地面反射壓測量傳感器安裝結(jié)構(gòu)模擬實驗研究

李琛，孔德仁，商飛，李麗萍，趙傳榮

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

爆炸場試驗中，強(qiáng)烈的高溫場、機(jī)械沖擊和振動等會使沖擊波超壓傳感器產(chǎn)生寄生輸出.本文基于沖擊和振動對沖擊波壓力傳感器測量的影響，設(shè)計了一種用于地面反射壓測量的傳感器安裝結(jié)構(gòu)，并開展了相關(guān)的模擬實驗研究.通過力錘敲擊傳感器安裝平板，同時得到有該安裝結(jié)構(gòu)的傳感器和無該安裝結(jié)構(gòu)的傳感器所測量的數(shù)據(jù).對測量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行時域信號和頻率信號比對分析，分析結(jié)果表明：該傳感器安裝結(jié)構(gòu)能有效抑制機(jī)械沖擊對壓力傳感器測量的影響，適用于爆炸場沖擊波超壓測量.

寄生輸出；沖擊和振動；地面反射壓；時域和頻域

0　引　言

沖擊波準(zhǔn)則是評定戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波毀傷效果的有效手段.目前，沖擊波測量主要采用電測法，然而在爆炸場試驗中，常伴隨有強(qiáng)機(jī)械沖擊、振動、熱沖擊、電磁干擾等寄生效應(yīng)，這些寄生效應(yīng)會導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生寄生輸出[1]，從而嚴(yán)重影響沖擊波的超壓、持續(xù)時間和比沖量的判讀.

實驗證明壓電式?jīng)_擊波壓力傳感器對機(jī)械沖擊及地震波特別敏感，若不采取相應(yīng)的防沖擊及隔振措施必然會導(dǎo)致測得的沖擊波壓力信號嚴(yán)重畸變[2-4].一些學(xué)者對降低沖擊與振動的方法進(jìn)行了相關(guān)的研究.李艷杰[5]分析了在沖擊載荷作用下傳感器振動噪聲產(chǎn)生的原因，并設(shè)計了橡膠振動隔離器.王幸[6]設(shè)計了橡膠和金屬件結(jié)合的隔振結(jié)構(gòu)，可以在不降低傳感器頻響的同時隔離振動.任懷宇[7]將粘彈性阻尼材料應(yīng)用于隔沖擊結(jié)構(gòu)中，達(dá)到了減振、降噪的作用.

本文分析了爆炸場沖擊波超壓測量時機(jī)械沖擊和振動產(chǎn)生的原因，設(shè)計了一種地面反射壓測量時傳感器的安裝結(jié)構(gòu).并針對該傳感器安裝結(jié)構(gòu)，開展了相關(guān)模擬實驗.通過對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，驗證了該安裝結(jié)構(gòu)具有抗沖擊的效果，適用于毀傷工況下沖擊波超壓測量.

1　壓電式壓力傳感器測量影響因素分析及安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1爆炸場沖擊和振動對壓電式壓力傳感器測量的影響

爆炸場沖擊波壓力測量按測試環(huán)境不同主要分為地面反射壓力測量和壁面反射壓力測量.在地面反射壓測量時，將沖擊波壓力傳感器裝入安裝平板中心的小孔內(nèi)，通過螺母將兩者緊密連接，測量導(dǎo)線從安裝平板下部壁面上的孔引出，如圖1所示.

戰(zhàn)斗部爆炸后，沖擊波作用到安裝平板上，對安裝平板產(chǎn)生沖擊，如圖2途徑B，安裝平板產(chǎn)生應(yīng)力波，對傳感器產(chǎn)生徑向擠壓.同時，沖擊波撞擊地面產(chǎn)生地震波，地震波傳播到傳感器的安裝支座，引起安裝支座振動，如圖2途徑A.由于傳感器與安裝平板通過螺母固定連接，因此地震波與安裝平板沖擊的聯(lián)合作用會影響傳感器的工作性能，導(dǎo)致傳感器輸出附加信號[8-10].

圖1　地面反射壓測量傳感器安裝方式Fig.1　Sensor conformation of groundreflection pressure

圖2　機(jī)械沖擊和地震波產(chǎn)生機(jī)理Fig.2　The generation mechanism of mechanical shock and seismic wave

1.2壓電式壓力傳感器安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于機(jī)械沖擊和振動對壓電式壓力傳感器輸出信號影響較大，本文基于爆炸場沖擊波超壓測試中常用的Kistler211B系列壓力傳感器，設(shè)計了一種該傳感器的安裝結(jié)構(gòu)，如圖3所示.

圖3　傳感器安裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　The diagram of sensor installation structure

圖4　安裝平板裝配圖Fig.4　The assembly drawing of installationflat

其中部件1是傳感器安裝組件本體，部件2是Z向減振墊1，部件3是傳感器安裝定位環(huán)，部件4是X，Y向減振墊，部件5是Z向減振墊2，部件6是固定活塞.安裝定位環(huán)的作用主要是固定傳感器，不讓傳感器掉落，Z向減振墊1和2的重要作用是抑制傳感器沿Z軸方向沖擊與振動，X，Y向減振墊的作用是抑制傳感器沿徑向方向(X，Y方向)的沖擊與振動，如圖3坐標(biāo)系所示.將該安裝結(jié)構(gòu)安裝到平板后的測試裝置如圖4所示.其中1表示傳感器安裝結(jié)構(gòu)，2表示安裝平板.

2　模擬實驗研究

為了驗證所設(shè)計的安裝結(jié)構(gòu)能否有效抑制機(jī)械沖擊對傳感器輸出的影響，以力錘敲擊平板作為沖擊源，進(jìn)行模擬實驗.通過對有無該安裝結(jié)構(gòu)的傳感器實測結(jié)果進(jìn)行比對分析，評價該安裝結(jié)構(gòu)的可靠性，以期能將該安裝結(jié)構(gòu)運(yùn)用到爆炸場沖擊波超壓測試.

2.1模擬實驗設(shè)計

模擬實驗設(shè)備選用2個Kistler211B系列沖擊波壓力傳感器，1個Kistler8772A50系列加速度傳感器，江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司LC系列沖擊錘，Kistler5148信號調(diào)理器和PXI數(shù)據(jù)采集設(shè)備.測試系統(tǒng)組成如圖5所示.

圖5　測試系統(tǒng)組成圖Fig.5　The compositionof measuring system

模擬實驗設(shè)計及現(xiàn)場如圖6，圖7所示.選用一塊安裝平板，在平板中心位置放入帶有安裝結(jié)構(gòu)的傳感器，緊靠其旁邊放入未安裝該結(jié)構(gòu)的傳感器，傳感器的敏感面與安裝平板外表面齊平.同時在平板上安裝一個加速度傳感器，測量安裝平板垂直地面方向振動的加速度.以平板中心為圓心，做兩個不同半徑的圓，將每個圓的周長分別8等分，將小圓的8個等分點(diǎn)依次標(biāo)注序號1～8，將大圓的8個等分點(diǎn)依次標(biāo)注序號9～16.如圖8所示(平板中心的圓表示加安裝結(jié)構(gòu)的傳感器，旁邊的小圓表示未加安裝結(jié)構(gòu)的傳感器).用力錘按1～16的順序依次敲擊每一個序號點(diǎn)，每敲擊一次，可以得到兩個壓力輸出信號和一個加速度信號.

圖6　模擬實驗現(xiàn)場布局Fig.6　The site layout of simulation test

圖7　傳感器安裝正面Fig.7　The front of sensor installation

圖8　敲擊點(diǎn)分布示意圖Fig.8　The distribution sketch of tapping points

2.2模擬實驗數(shù)據(jù)分析

爆炸場試驗中，對沖擊波壓力信號進(jìn)行時域分析和頻域分析，是常用的處理方法.通過對時域和頻域信號的分析，能得到壓力峰值和相關(guān)頻域范圍的有用信息.因此以下選取16個敲擊點(diǎn)中標(biāo)號為3,5,6,7,8、14這6個典型敲擊點(diǎn)進(jìn)行時域信號和頻域信號分析.

2.2.1時域信號分析

選取的6個敲擊點(diǎn)每個點(diǎn)處兩個壓力傳感器所測得壓力的波形如圖9～圖14所示.其中，敲擊點(diǎn)3傳感器所測壓力的波形如圖9所示.

圖9　敲擊點(diǎn)3所測壓力的波形圖Fig.9　The pressure waveform of tapping point 3

敲擊點(diǎn)5傳感器所測壓力的波形如圖10所示.

圖10　敲擊點(diǎn)5所測壓力的波形圖Fig.10　The pressure waveform of tapping point 5

敲擊點(diǎn)6傳感器所測壓力的波形如圖11所示.

圖11　敲擊點(diǎn)6所測壓力的波形圖Fig.11　The pressure waveform of tapping point 6

敲擊點(diǎn)7傳感器所測壓力的波形如圖12所示.

圖12　敲擊點(diǎn)7所測壓力的波形圖Fig.12　The pressure waveform of tapping point 7

敲擊點(diǎn) 8 傳感器所測壓力的波形如圖13所示.

圖13　敲擊點(diǎn)8所測壓力的波形圖Fig.13　The pressure waveform of tapping point 8

敲擊點(diǎn)14傳感器所測壓力的波形如圖14所示.

圖14　敲擊點(diǎn)14所測壓力的波形圖Fig.14　The pressure waveform of tapping point 14

從壓力的波形圖并結(jié)合表1對比可以發(fā)現(xiàn)，有安裝結(jié)構(gòu)的傳感器所測得的壓力峰值要小于沒有安裝結(jié)構(gòu)的傳感器所測得的壓力峰值，說明使用該安裝結(jié)構(gòu)可以降低安裝平板對傳感器的徑向擠壓.同時安裝該結(jié)構(gòu)的傳感器壓力變化頻率變高，這是由于該安裝結(jié)構(gòu)隔離了一定低頻率的振動.

表1　有安裝結(jié)構(gòu)與無安裝結(jié)構(gòu)傳感器壓力信號峰值對比

2.2.2頻域信號分析

6個典型點(diǎn)的壓力信號幅頻曲線如圖15～圖20所示，由壓力信號幅頻曲線對比圖可以發(fā)現(xiàn)，無安裝結(jié)構(gòu)的傳感器在2 000～3 000 Hz之間振幅較大，在2 500 Hz左右處達(dá)到最大值.而有安裝結(jié)構(gòu)的傳感器在該頻率段振幅很小，說明該安裝結(jié)構(gòu)有效抑制了該頻段的信號.

圖15　敲擊點(diǎn)3壓力信號幅頻曲線Fig.15　The frequency-amplitude curve of pressure signal in tapping point 3

圖16　敲擊點(diǎn)5壓力信號幅頻曲線Fig.16　The frequency-amplitude curve of pressure signal in tapping point 5

圖17　敲擊點(diǎn)6壓力信號幅頻曲線Fig.17　The frequency-amplitude curve of pressure signal in tapping point 6

圖18　敲擊點(diǎn)7壓力信號幅頻曲線Fig.18　The frequency-amplitude curve of pressure signal in tapping point 7

圖19　敲擊點(diǎn)8壓力信號幅頻曲線Fig.19　The frequency-amplitude curve of pressure signal in tapping point 8

圖20　敲擊點(diǎn)14壓力信號幅頻曲線Fig.20　The frequency-amplitude curve of pressure signal in tapping point 14

進(jìn)一步分析力錘對平板沖擊造成平板振動的加速度幅值譜密度波形圖，如圖21(a)～(f)所示.可以發(fā)現(xiàn)，安裝平板振動的主頻率在2 500 Hz左右，與沒有安裝結(jié)構(gòu)的傳感器所測壓力信號幅頻曲線的峰值大致吻合.并且安裝平板在2 000～3 000 Hz之間振動幅值較大，與沒有安裝結(jié)構(gòu)的壓力信號有效頻率信號帶寬相似.說明該安裝結(jié)構(gòu)有效抑制了因沖擊造成平板振動給傳感器輸出造成的影響.

圖21　平板振動的加速度幅值譜密度波形圖Fig.21　Amplitude spectral density waveform of plate vibratory accelerated velocity

3　結(jié)　論

基于振動和沖擊對沖擊波超壓測量的影響，本文設(shè)計了一種地面反射壓測量時傳感器的安裝結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了力錘敲擊模擬實驗，通過對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，得到了如下結(jié)論：

1) 通過對同一個敲擊點(diǎn)兩組壓力信號波形圖進(jìn)行比對，說明了該壓力傳感器安裝結(jié)構(gòu)能有效抑制機(jī)械沖擊對傳感器徑向擠壓造成的寄生輸出.

2) 通過對同一個敲擊點(diǎn)壓力傳感器頻域信號波形圖進(jìn)行比對，并結(jié)合該點(diǎn)處安裝平板加速度幅值譜密度波形圖進(jìn)行分析，驗證了該壓力傳感器安裝結(jié)構(gòu)能有效隔離因機(jī)械沖擊造成平板振動使傳感器產(chǎn)生的寄生輸出.

本模擬實驗僅驗證了所設(shè)計的傳感器安裝結(jié)構(gòu)能有效抑制機(jī)械沖擊對壓力傳感器輸出的影響，對于能否抑制地震波造成傳感器輸出的影響，需要在實際工況條件下加以驗證.

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Simulation Test Study on Sensor Installation Structure of Ground Reflection Pressure Measurement

LI Chen，KONG Deren，SHANG Fei，LI Liping，ZHAO Chuanrong

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094,China)

In blast field test,blast over-pressure sensors produce spurious output because of the strong high temperature field,mechanical shock and vibration.In this study,based on the impacts of the measurements of blast over-pressure sensors due to shock and vibration,a pressure sensor installation structure was designed for the measurements of ground reflection pressure and relevant simulation test study was proceeded.By tapping the plate,the measurement data of installation structure and non-installation structure sensors were gained.The measurement data was analyzed by using time and frequency domain analysis,the results show that this sensor installation structure can effectively restrain the impacts from mechanical shock on the measurements of pressure sensors,and it is suitable for the measurements of shock wave over-pressure in blast field test.

spurious output；shock and vibration；ground reflection pressure；time domain and frequency domain

1671-7449(2016)05-0442-08

2015-12-11

李琛(1991-)，男，碩士生，主要從事爆炸場沖擊波壓力傳感器寄生效應(yīng)抑制方法研究.

TP391.3

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.014