引壓方式動態(tài)壓力傳感器研制

宮占江， 李起棟， 桂永雷

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所 黑龍江 哈爾濱 150001)

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引壓方式動態(tài)壓力傳感器研制

宮占江， 李起棟， 桂永雷

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所 黑龍江 哈爾濱 150001)

介紹了一種通過引壓方式探測動態(tài)壓力信號的傳感器。由于受到被測介質(zhì)溫度高和被測環(huán)境空間尺寸小限制，傳感器需要通過引壓管傳遞動態(tài)工作壓力。為了保證引壓管在傳遞動態(tài)壓力過程中不影響傳感器的頻響特性，設(shè)計了一種阻抗匹配結(jié)構(gòu)，減小了引壓結(jié)構(gòu)對傳感器動態(tài)響應(yīng)特性的影響，保證了動壓傳感器的頻響特性，該傳感器的檢測單元包括一個引壓管、一個敏感元件、一個電路組件、一個阻抗匹配管。測試結(jié)果表明:動壓傳感器具有(31.5～8 000 Hz)頻響范圍。

動態(tài)壓力； 引壓管； 阻抗匹配管； 頻率響應(yīng)

0 引 言

動態(tài)壓力傳感器主要應(yīng)用在航空發(fā)動機、導(dǎo)彈沖擊波、飛機模型等動態(tài)壓力流場分布的測量中[1,2]。在實際應(yīng)用中，由于受到被測環(huán)境空間尺寸小和被測介質(zhì)高溫等限制，傳感器無法直接通過接觸方式對動壓信號進行測量，需要通過引壓傳遞的方式進行測量。在使用過程中，由于動態(tài)信號中往往摻雜著低頻和高頻的各種諧波，為保障信號不失真，必須保證傳感器具有良好的頻響特性。而引壓管在動壓傳遞過程中對動壓信號頻率響會應(yīng)產(chǎn)生較大影響，致使傳感器測量頻響范圍大幅下降[3～5]。

為了解決上述問題，本文設(shè)計了一種阻抗匹配結(jié)構(gòu)，將被測動壓經(jīng)由引壓管、駐極體繼續(xù)傳播至阻抗匹配管中，減小了引壓結(jié)構(gòu)對傳感器動態(tài)響應(yīng)特性的影響，保證了動壓傳感器的頻響特性，同時通過電路組件將敏感元件感知的動壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，形成了一種具有高靈敏寬頻響范圍的傳感器設(shè)計方案，對提升我國航空、航天動壓測試系統(tǒng)能力而言具有實際意義。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)實際使用環(huán)境要求，傳感器在結(jié)構(gòu)上采用引壓管引壓方式測量動態(tài)壓力，傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of sensor

動壓波動經(jīng)由引壓管、敏感元件繼續(xù)傳播至阻抗匹配管中。該匹配管纏繞在傳感器的前置放大器上，阻抗匹配管內(nèi)徑尺寸與引壓管內(nèi)徑尺寸一致，而且匹配管末端是一個小的開放式結(jié)構(gòu)，這樣可以保證傳感器內(nèi)部的靜態(tài)壓力和傳感器前端的壓力一致，有效減小了聲波的反射，從而使傳感器具有良好的頻率響應(yīng)，保證了傳感器具有較寬的頻率響應(yīng)范圍。

引壓管直徑的設(shè)計直接影響傳感器的頻率特性，依據(jù)聲學(xué)理論基礎(chǔ)，波在剛性圓柱形波導(dǎo)管中傳播，上限截止頻率為

fc=3.832c0/2πa

(1)

式中fc為截止頻率；c0為波導(dǎo)管中聲傳播速度；a為波導(dǎo)管的半徑。

根據(jù)動態(tài)壓力在剛性圓柱形波導(dǎo)管中的上限截止頻率，通過工藝加工制作8 cm長的引壓管(內(nèi)徑0.8 mm)，保證動態(tài)壓力的頻率響應(yīng)。

2 電路組件設(shè)計

基于系統(tǒng)對傳感器體積和頻響的要求，選用敏感元件，其具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、頻響特性好的特點。敏感元件工作時必須施加外加偏壓，由于其參數(shù)離散性，通過電源串聯(lián)電阻的偏置電路，需要針對每一個敏感元件進行參數(shù)調(diào)整。本文采用一種自舉反饋式前置放大電路，不需要調(diào)整電路參數(shù)，而是使電路自適應(yīng)敏感元件參數(shù)變化，這種方法降低傳感器電路調(diào)試的復(fù)雜度。前置放大電路如圖2所示，其由Rb，Re，C1，C2和Q1組成一個典型的共集電極放大電路。設(shè)電源電壓Vcc=12 V，R1+R2=1 022 Ω，當(dāng)通過敏感元件的電流IC在0.1～1mA 的范圍變化時，Vcc為11.9～11 V，電路中R1，R2取較小阻值，保證電源Vcc的偏壓充分施加于敏感元件上。當(dāng)敏感元件的參數(shù)變化時，電路仍能很好地適應(yīng)這一變化，使敏感元件能夠有足夠的偏置電壓，從而發(fā)揮出優(yōu)異的性能。但由于R1+R2的阻值取得很小，不能滿足敏感元件的輸出阻抗匹配要求，故需要引入自舉電容器C3形成自舉電路。由于電阻器Re的負反饋作用，三極管的發(fā)射極電位通過自舉電容器C3的耦合至電阻器R1的下端，使電阻器R1的兩端交流電位差減小，實現(xiàn)對電阻器R1的自舉，提高了放大偏置電路的交流阻抗，實現(xiàn)電路的最佳匹配。射極跟隨電路的輸出阻抗很低，幾乎能滿足任何后續(xù)放大電路的要求。同時由于電阻器Re的阻值較小，等于在輸出連接線上接了個低阻的負載，根據(jù)干擾源的內(nèi)阻大的特點，使其形成回路，極大地降低了噪音電平，提升電路的降噪水平。

圖2 電路原理圖Fig 2 Principle diagram of circuit

根據(jù)傳感器的頻響范圍為31.5～8 kHz，在自舉反饋式前置放大電路放大后，設(shè)計了一個截止頻率為8 kHz的八階巴特沃茲低通濾波電路，進一步提升頻響范圍內(nèi)的電路降噪水平。八階巴特沃茲低通濾波電路是由4個壓控源二階低通濾波器構(gòu)成，運算放大器為同相接法，濾波器輸入阻抗高，而輸出阻抗低，具有電路性能穩(wěn)定，增益調(diào)節(jié)簡單的特點。采用巴特沃茲濾波器，可保證在通頻帶的頻響曲線最大限度平坦，而在阻頻帶則逐漸衰減為零。一階巴特沃茲濾波器的的倍頻衰減率為6 dB,八階濾波的倍頻衰減率可達到48 dB。

3 設(shè)計傳感器樣品的性能測試

依據(jù)以上設(shè)計，通過工藝加工制作8 cm長的引壓管(內(nèi)徑0.8 mm)，阻抗匹配管內(nèi)徑尺寸與引壓管內(nèi)徑尺寸一致，然后與敏感元件、電路組件形成檢測單元。工藝調(diào)整后組裝傳感器樣品。傳感器外形如圖3所示。

圖3 傳感器的外形圖Fig 3 Shape diagram of sensor

在計量院對傳感器樣品進行頻率響應(yīng)測試，(31.5～1 000 Hz)在94 dB耦合腔測試(1 000～8 000 Hz)在90 dB自由場測試，其主要測數(shù)據(jù)見表1。

表1 31.5～8 000 Hz測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

測試結(jié)果證明了基于引壓管引壓技術(shù)的動態(tài)壓力傳感器設(shè)計方案的可行性，所設(shè)計的阻抗匹配管結(jié)構(gòu)，減小了引壓結(jié)構(gòu)對傳感器動態(tài)響應(yīng)特性的影響，可以保證動壓傳感器具有(31.5～8 000 Hz)頻響范圍。由于制造技術(shù)采用的都是通用工藝，因此加工制作方便，尤其適合批量制作，從而提高了傳感器的一致性，為今后引壓管的設(shè)計研制工作提供了重要的技術(shù)積累和參考依據(jù)。

[1] Sieverding C H,Artst T,Denos R,et al.Measurement techniques for unsteady flows in turbomachines[J].Experiments in Fluids,2000，28(4):285-321.

[2] Van Zante D E,Suder K L,Strazisar A J,et al.An improved as-pirating probe for total temperature and total pressure measurements in compressor flow[J].Journal of Turbomachinery,1995,117(4):642-649.

[3] 勞力云，陳 珙，張宏建.引壓管路對動態(tài)差壓檢測影響的分析[J].計量學(xué)報，1999，20(4):286-291.

[4] 李繼超，王偲臣，林 峰.一種容腔效應(yīng)標定技術(shù)及其在高頻響動態(tài)探針中的應(yīng)用[J].航空動力學(xué)報，2011，26(12):2749-2756.

[5] 王維新，謝壯寧.測壓傳壓管路系統(tǒng)動態(tài)特性的試驗分析[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，35(4):392-396.

Research and fabrication of pressure conduct mode dynamic pressure sensor

GONG Zhan-jiang， LI Qi-dong， GUI Yong-lei

(The 49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation，Harbin 150001，China)

A sensor detecting dynamic pressure signal by means of pressure conduct mode is introduced,which needs to conduct dynamic working pressure signal with pressure conduct tube since restriction of high temperature of the measured medium and small size of measured environment space,an impedance matching structure is designed.In order to ensure the immunity of the sensor frequency response characteristics during dynamic pressure transfer of pressure conduct tube,which reduces the influence on sensor frequency response imposed by pressure conduct tube and ensures frequency response characteristics of dynamic pressure sensor.The detection unit of sensor includes a pressure conduct tube,a sensitive element,a circuit component and an impedance matching tube.Test results show that the dynamic pressure sensor has frequency response range of 31.5 Hz～8 kHz.

dynamic pressure; pressure conduct pipe; impedance matching tube; frequency response

2016—06—14

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0103—02

TN 212

A

1000—9787(2012)10—0103—02

宮占江(1983-)，男，黑龍江海倫人，工程師，主要從事傳感器技術(shù)方向的研究工作。