CN101358894A - 大压力传感器动态特性的溯源校准方法与校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明的大压力传感器动态特性的溯源校准方法与校准装置属压力传感器技术领域，其方法是：先给校准的大压力传感器施加一静态予压力，实现频率域0频溯源校准基础上，再施加极窄脉冲激励压力，通过测试或计量仪器，测得该大压力传感器的频率响应特性，此方法优点是：它用常规的液压校准方法实现大压力传感器动态特性的溯源校准，由于采用了预加静压力的处理方法，降低了被测传感器受到的反向动压，能有效地保护昂贵的传感器，校准方法频带覆盖范围为0～1MHz；压力幅值高达800MPa，本发明的校准方法先进，是创新性思维，值得借鉴和推广；采用的校准装置结构简单，成本低廉，校准操作过程安全，不会损坏传感器，校准压力值高，频带覆盖范围宽，可覆盖零频进行溯源校准，这种校准装置值得采用和推广。

Description

大压力传感器动态特性的溯源校准方法与校准装置

一.技术领域

本发明公开的大压力传感器动态特性的溯源校准方法与校准装置属压力传感器技术领域，具体涉及一种大压力传感器动态特性的溯源性校准方法及校准装置，该方法与装置可以对大量程宽频带的压力传感器进行校准，在校准过程中可有效地保护压力传感器。

二.背景技术

目前压力传感器的校准方法很多，但校准压力幅值高而且频带覆盖范围宽的校准技术，在国际上一直没有取得突破性的进展。目前常用的几种高压动态校准装置所能覆盖的压力和频率范围的情况如下：一种是气体激波管的校准装置，其频带覆盖范围从100Hz到800kHz左右，但是压力幅值很低。另一种是落锤液压动标的校准装置，虽然压力幅值可达1000MPa，但是频带覆盖范围太窄，只有1kHz左右。其它一些校准装置，如用于高压动态校准的快开阀装置，产生的压力信号幅值可达1000MPa，但是脉宽只能达到毫秒级。正弦信号类校准装置，校准的压力幅值一般不超过50MPa，且校准的频率上限多在20kHz左右。南京理工大学研制的水激波管校准装置，压力上限达到700MPa，频率覆盖上限接近1MHz。华北工学院曾经研制的动压传感器准δ脉冲校准***，可产生500MPa幅值的压力，频率范围为0～20kHz。该方法由于压力脉宽幅值很高、持续时间极窄，传感器的敏感元件和传力部件会发生强烈的应力振荡，在实际校准中，会导致压电传感器的膜片，锰铜压阻传感器锰铜线圈被负应力拉出等现象发生。这是在校准中所不希望发生的。如何在校准过程中有效的保护传感器，显然是一个亟待解决的问题。为克服其它校准方法不能同时兼顾高幅值压力和宽频带的缺陷，并且在高压校准时不损坏传感器，我们研究了本发明所涉及的校准方法并设计了本发明的校准装置。

三.发明内容

本发明的目的是：向社会提供一种大压力传感器动态特性的溯源校准方法与校准装置，本发明的校准方法与校准装置的频带覆盖范围宽，压力幅值高，这种装置的校准压力幅值高达800Mpa，频带覆盖范围为0～1MHz，还可以对被校传感器进行溯源，在校准时施加的静态预压力就是零频时的压力，该压力是通过活塞式压力计施加的，可以将零频时的压力溯源到质量基准和长度基准。由于采用了预加一定幅值的静压力的处理方法，降低了传感器实际受到的反方向的动压，可以有效地保护了昂贵的被测传感器。

本发明的技术方案包括大压力传感器动态特性的溯源校准方法与校准装置两部分。

本发明关于大压力传感器动特性的溯源校准方法的技术方案是这样的：这种大压力传感器动态特性的溯源校准方法，技术特点在于：首先给校准的大压力传感器施加一个静态予压力，如采用液压校准机给油腔加一个静态的预压力，在对校准的大压力传感器实现频率域的0频溯源性校准的基础上，再采用极窄脉冲激励校准的大压力传感器，如通过应力波杆(Hopkinson杆)给该油腔施加窄脉冲激励压力，通过测试或计量仪器，测得该大压力传感器的动态特性，即该大压力传感器的频率响应特性，实现其动态特性的溯源校准。

根据以上所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法，技术特点还有：所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法是：采用极窄脉冲作用到该大压力传感器的传压面，激励该大压力传感器，通过测试或计量仪器，测试预压力与动态激励脉冲压力合成的激励信号，处理激励信号和大压力传感器的输出信号，得到该大压力传感器的频率响应特性，通过其频率响应特性表征并实现其动态溯源校准。

根据以上所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法，技术特点还有：所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法是：所述的给大压力传感器施加的极窄脉冲激励源是采用等离子加速器加速的飞片撞击应力波杆--Hopkinson杆产生的宽频带窄脉冲的激励源并作为应力波杆--Hopkinson杆的应力波源。所述的等离子加速器可将厚300μm直径5mm的聚酯飞片加速到1km/s。这种等离子加速器产生的加速飞片撞击应力波杆--Hopkinson杆而形成宽频带窄脉冲的激励源，形成的极窄脉冲宽为1～5μs，其频带范围为0～1MHz，可覆盖被测大压力传感器的固有频率。

根据以上所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法，技术特点还有：所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法是：采用超动态应变仪通过粘贴在应力波杆-Hopkinson杆上的应变片测量应力波信号。所述的超动态应变仪采用公知公用的超动态应变仪即可，如采用超动态电阻应变仪等。

根据以上所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法，技术特点还有：所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法是：采用粘贴在该大压力传感器端面的压阻传感器测得的压力波信号和应力波杆-Hopkinson杆上应变片输出的应力波信号的相互关系，建立油压腔传递介质对Hopkinson杆端面输出的应力波的弥散特性，通过对该弥散特性的计算，得到该大压力传感器的激励信号，进而得到该大压力传感器的频率响应特性。这已经把该大压力传感器的频率响应特性测试、计量办法与过程阐述清楚了。

根据以上所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法，详细技术特点还有：a.所述的粘贴在该大压力传感器端面的压阻传感器是锰铜压阻传感器，它是一种频率响应极高的压阻传感器。b.所述的粘贴在应力波杆-Hopkinson杆上的应变片是测量应力波信号的应变计，如其型号为KTH-05-120-DZS-11。

根据以上所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法，技术特点还有：所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法是：改变校准条件可实现不同脉宽、不同压力值下的校准，便得到该大压力传感器在不同脉宽、不同压力下的频率响应特性。如在该大压力传感器上施加级次预压力(施加系列不同数值的预压力)、施加不同脉宽的窄脉冲的激励源，便得到该大压力传感器在不同脉宽、不同压力下校准的频率响应特性。

关于大压力传感器动特性的溯源校准装置的技术方案是这样的：这种大压力传感器动态特性的溯源校准装置，包括有校准装置的壳体、静态予压力源—如采用1000MPa活塞压力计给被测传感器加预加压力(其幅值可通过改变活塞式压力计的砝码来调节)，压力传递介质、Hopkinson杆、应变片、与测试或计量仪器联接的采样端或/和联接端及其缆线，这些缆线及其采样端、联接端等将联接超动态电阻应变仪、锰铜传感器应力仪、宽频带适配放大器、瞬态波形记录仪、计算机等。技术特点在于：所述的大压力传感器动态特性的溯源校准装置还包括有：被校准的大压力传感器，以及给该被校准的大压力传感器再施加激励压力的极窄脉冲激励源，还有测试或计量被校准的大压力传感器端面输出信号的压阻传感器等。

根据以上所述的大压力传感器动态特性的溯源校准装置，技术特点还有：所述的极窄脉冲激励源是等离子加速器加速的飞片撞击应力波杆--Hopkinson杆产生的宽频带窄脉冲的激励源。所述的等离子加速器可将厚300μm直径5mm的聚酯飞片加速到1km/s。该等离子加速器产生的加速飞片撞击应力波杆--Hopkinson杆可形成宽频带窄脉冲的激励源，形成的极窄脉冲宽为1～5μs，其频带范围为0～1MHz，可覆盖被测大压力传感器的固有频率。

根据以上所述的大压力传感器动态特性的溯源校准装置，技术特点还有：a.所述的压阻传感器是锰铜压阻片。b.所述的粘贴在应力波杆-Hopkinson杆上的应变片是测量应力波信号的应变计。c.所述的压力传递介质是甘油，如高压甘油。

本发明的大压力传感器动态特性的溯源校准方法优点有：1.该方法特点是用常规的液压校准方法实现大压力传感器动态特性的溯源校准，这种溯源是通过在频率域的0频下施加的静态预压力实现的；2.在此溯源基础上，用极窄脉冲激励传感器，求得传感器的频率响应特性，如果被校传感器的频率响应特性从0频起到某个最高频率足够平直，则认为该传感器的动态特性是经过溯源校准的；3.由于采用了预加静压力的处理方法，降低了被测传感器实际受到的反方向的动压，可以有效地保护了昂贵的传感器；4.校准方法频带覆盖范围宽，压力幅值高，其校准压力幅值高达800Mpa，频带覆盖范围为0～1MHz；5.本发明的大压力传感器动态特性的溯源校准方法先进，是创新性思维的发明，值得借鉴和推广。

本发明的大压力传感器动态特性的溯源校准装置的优点有：1.可校准压力值高，频带覆盖范围宽；2.校准频率可覆盖零频，能够对被校准大压力传感器进行溯源；3校准装置结构简单，成本低廉；4.校准操作简单，校准过程安全，不会损坏传感器。这种大压力传感器动态特性的溯源校准装置值得采用和推广。

四.附图说明

本发明的说明书附图共有2幅：

图1为大压力传感器动态特性的溯源校准装置示意图；

图2为大压力传感器动态特性的溯源校准装置的测试信号流程图。

在两图中：1.等离子加速器；2.加速飞片；3.Hopkinson杆；4.与6.与10.电缆；5.与7.应变计；8.高压甘油；9.被校准的压力传感器(或贴锰铜传感器的铝块)；11.输油管；12.1000MPa活塞式压力计；13.装置的支架；14.锰铜压阻片；15.超动态电阻应变仪；16.锰铜传感器应力仪；17.宽频带适配放大器；18.瞬态波形记录仪；19.计算机。

五.具体实施方案

本发明的非限定实施例如下：

实施例一.大压力传感器动态特性的溯源校准方法与校准装置

该实施例的大压力传感器动态特性的溯源校准方法与校准装置分为两部分，其一是大压力传感器动态特性的溯源校准装置；其二是大压力传感器动态特性的溯源校准方法。

1.大压力传感器动态特性的溯源校准装置

该例的大压力传感器动态特性的溯源校准装置的具体结构由图1示出，图2则示出与该例校准装置联接或联系的一些测试仪器的情况。该校准装置包括有装置的壳体及装置的支架13，该例采用的静态予压力源是1000MPa活塞压力计12，用以给被测传感器9加预加压力(其幅值可通过改变活塞式压力计12的砝码来调节)，压力传递介质--如是高压甘油8，Hopkinson杆3和粘贴在应力波杆-Hopkinson杆上的应变片，应变片是测量应力波信号的应变计5、7，如采用的型号为KTH-05-120-DZS-11。以及测试或计量仪器联接的采样端或/和联接端及其缆线，如电缆4、6、10，这些缆线及其采样端、联接端等将联接超动态电阻应变仪15、锰铜传感器应力仪16、宽频带适配放大器17、瞬态波形记录仪18、计算机19等。所述的大压力传感器动态特性的溯源校准装置还包括有：被测大压力传感器9，以及给该被测大压力传感器9再施加激励压力的极窄脉冲激励源，等离子加速器1，还有测试或计量被测大压力传感器9端面输出信号的压阻传感器--锰铜压阻片14等。锰铜压阻传感器是一种频率响应极高的压阻传感器。所述的极窄脉冲激励源是等离子加速器1加速的飞片2撞击应力波杆--Hopkinson杆3产生的宽频带窄脉冲的激励源。该例的等离子加速器1是一种采用起爆或激光等方法产生并加速等离子、能将厚300μm直径5mm的附着在薄膜上的聚酯飞片2加速到1km/s的等离子加速器，这种等离子加速器1可以按其功能设计制做或委托定做。该例的等离子加速器1能出射加速到1km/s的飞片2，去撞击应力波杆--Hopkinson杆3。该例的等离子加速器1产生的加速飞片2撞击应力波杆--Hopkinson杆3而形成宽频带窄脉冲，形成的极窄脉冲宽为为1μs、或2.5μs、或5μs，其频带宽度范围为0～1MHz，可覆盖被测大压力传感器9的固有频率。

2.大压力传感器动态特性的溯源校准方法

该例的大压力传感器9动态特性的溯源校准方法的具体技术方案由图1和图2联合示出，图1示出的是该例大压力传感器9动态特性的溯源校准方法实施所用校准装置的具体结构图，图2则示出该例校准方法的测试信号流程方框图。这种大压力传感器9动态特性的溯源校准方法如下：首先给被校准的大压力传感器施加一个静态予压力，如是通过活塞式压力计12施加的。在校准时施加的静态预压力就是零频时的压力，可以将零频时的压力溯源到质量基准和长度基准，所以该方法是溯源校准方法。在对校准的大压力传感器9实现频率域的0频溯源校准的基础上，再采用极窄脉冲激励校准的大压力传感器9，如通过应力波杆(Hopkinson杆3)给该油腔施加极窄脉冲激励压力，再由油腔通过高压甘油8传递并施加给该大压力传感器9，通过测试或计量仪器，测得该大压力传感器9的动态特性，即该大压力传感器9的频率响应特性，实现其动态特性的溯源校准。在图2中示出所述的测试或计量仪器有：超动态电阻应变仪15、锰铜传感器应力仪16、宽频带适配放大器17、瞬态波形记录仪18和计算机19等。所述的采用极窄脉冲作用到该大压力传感器9的传压面，就是给被校准的大压力传感器9施加极窄脉冲激励源，这个极窄脉冲激励源是采用等离子加速器1加速的飞片2撞击应力波杆--Hopkinson杆3形成的应力波源。所述的等离子加速器1可将厚300μm直径5mm的聚酯飞片2加速到1km/s。应力波杆--Hopkinson杆3被等离子加速器1产生的加速飞片2撞击而形成宽频带窄脉冲的激励源，形成的极窄脉冲宽为1μs、或2.5μs、或5μs，其频带宽度范围为0～1MHz，可覆盖被测大压力传感器的固有频率。这个极窄脉冲激励源最终将激励该大压力传感器响应并自激振动，通过测试或计量仪器，得到该大压力传感器的频率响应特性，通过其频率响应特性表徵并实现其动态溯源校准。采用超动态应变仪15通过粘贴在应力波杆-Hopkinson杆3上的应变片--应变计5、7测量应力波信号。所述的超动态应变仪15采用公知公用的超动态应变仪即可，如采用超动态电阻应变仪等。通过粘贴在该大压力传感器9(或贴锰铜传感器14的铝块9代替大压力传感器9)端面的压阻传感器14测得的压力波信号和应力波杆-Hopkinson杆3上应变片5与7输出的应力波信号的相互关系，建立油压腔传递介质--甘油8对Hopkinson杆3端面输出的应力波的弥散特性，通过对该弥散特性的计算或计量，得到该大压力传感器的频率响应特性。所述的设置在该大压力传感器9端面的压阻传感器14是锰铜压阻传感器，它是一种频率响应极高的压阻传感器。所述的粘贴在应力波杆-Hopkinson杆3上的应变片是测量应力波信号的应变计5、7，其型号为KTH-05-120-DZS-11。再通过该例的大压力传感器动态特性的溯源校准装置测试大压力传感器9的预压力与动态激励脉冲压力合成的激励信号(即输入信号)，处理激励信号和大压力传感器的输出信号，测得该大压力传感器的动态特性，即该大压力传感器的频率响应特性，实现其动态特性的溯源校准。这已经把该大压力传感器的频率响应特性测试、计量办法与过程阐述清楚了。

实施例二.大压力传感器动态特性的溯源校准方法与校准装置

该实施例的大压力传感器动态特性的溯源校准方法与校准装置为两部分：

1.大压力传感器动态特性的溯源校准装置

该例的大压力传感器动态特性的溯源校准装置的具体结构由图1示出，图2则示出与该例校准装置联接或联系的一些测试仪器的情况。该例的大压力传感器动态特性的溯源校准装置与实施例一.1.中不同点有：1.如采用液压校准机通过油腔给校准的大压力传感器施加一个静态的预压力；2.所述的极窄脉冲激励源仍是采用等离子加速器1加速的飞片2撞击应力波杆--Hopkinson杆3作为应力波源，通过压力传递介质高压甘油8再施加给被校准的大压力传感器9，但加速的飞片2形成的是不同脉宽(如选择为1.1μs、或1.5μs、或2μs、或2.6μs、或3μs、或3.5μs、或4μs、或4.5μs、或5μs等)、不同频率、不同能量或不同动态压力的窄脉冲激励压力源；3.在1.与2.的条件下，可得到该大压力传感器9在不同脉宽、不同压力下校准的频率响应特性。该例的大压力传感器动态特性的溯源校准装置其余未述的，全同于实施例一.1.中所述的，不再重述。

2.大压力传感器动态特性的溯源校准方法

该例的大压力传感器9动态特性的溯源校准方法的具体技术方案由图1和图2联合示出，图1示出的是该例大压力传感器9动态特性的溯源校准方法实施所用校准装置的具体结构图，图2则示出该例校准方法的测试信号流程方框图。该例的大压力传感器动态特性的溯源校准方法与实施例一.2.中不同点有：改变校准条件可实现不同脉宽、不同压力值下的校准，便得到该大压力传感器9在不同脉宽、不同压力下的频率响应特性。如在该大压力传感器9上施加级次预压力(施加系列不同数值的预压力)、施加不同脉宽(如选择为1.1μs、或1.5μs、或2μs、或2.6μs、或3μs、或3.5μs、或4μs、或4.5μs、或5μs等)、不同能量或不同动态压力的极窄脉冲的激励源，便得到该大压力传感器在不同脉宽、不同压力下校准的频率响应特性。该例的大压力传感器动态特性的溯源校准方法其余未述的，全同于实施例一.2.中所述的，不再重述。

实施例三.大压力传感器动态特性的溯源校准方法与校准装置

该实施例的大压力传感器动态特性的溯源校准方法与校准装置为两部分：

1.大压力传感器动态特性的溯源校准装置

该例的大压力传感器动态特性的溯源校准装置的具体结构由图1示出，图2则示出与该例校准装置联接或联系的一些测试仪器的情况。该例的大压力传感器动态特性的溯源校准装置与实施例一.1.、或实施例二.1.中不同点有：1.该例的大压力传感器动态特性的溯源校准装置，以及采用的静态予压力源、极窄脉冲激励源、压阻传感器、压力传递介质、Hopkinson杆、应变片、与测试或计量仪器联接的采样端或/和联接端及其缆线等，均可用公知公用的技术进行设计和制做，还可使用公知、公用、市售的商品替代，只要它们能完成其功能的均可采用；2.该例中与大压力传感器动态特性的溯源校准装置联接的超动态电阻应变仪、锰铜传感器应力仪、宽频带适配放大器、瞬态波形记录仪、计算机等测试或计量仪器，均可用公知公用的技术进行设计，还可使用公知、公用、市售的商品替代，只要它们能完成其功能的均可采用。该例的大压力传感器动态特性的溯源校准装置其余未述的，全同于实施例一.1.中、实施例二.1.中所述的，不再重述。

2.大压力传感器动态特性的溯源校准方法

该例的大压力传感器9动态特性的溯源校准方法的具体技术方案由图1和图2联合示出，图1示出的是该例大压力传感器9动态特性的溯源校准方法实施所用校准装置的具体结构图，图2则示出该例校准方法的测试信号流程方框图。该例的大压力传感器动态特性的溯源校准方法与实施例一.2.、实施例二.2.中不同点有：1.该例所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法中采用的校准装置以及静态予压力源、极窄脉冲压力源、压阻传感器、压力传递介质、Hopkinson杆、应变片、与测试或计量仪器联接的采样端或/和联接端及其缆线等，均可用公知公用的技术进行设计和制做，还可使用公知、公用、市售的商品替代，只要它们能完成其功能的均可采用；2.该例所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法中采用的、与校准装置联接的超动态电阻应变仪、锰铜传感器应力仪、宽频带适配放大器、瞬态波形记录仪、计算机等测试或计量仪器，均可用公知公用的技术进行设计，还可使用公知、公用、市售的商品替代，只要它们能完成其功能的均可采用；3.该例所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法中采用的各步骤的具体操作条件及其规程均可用公知公用的现有技术进行设计，只要它们能按规定完成该大压力传感器动态特性的溯源校准方法中各步骤所述的具体操作条件、规程及其功能的均可采用。该例的大压力传感器动态特性的溯源校准方法其余未述的，全同于实施例一.2.中、实施例二.2.中所述的，不再重述。

Claims (10)

1.一种大压力传感器动态特性的溯源校准方法，特征在于：在对被校准的大压力传感器实现频率域的0频溯源性校准的基础上，再采用极窄脉冲激励该大压力传感器，通过测试或计量仪器，测得该大压力传感器的频率响应特性，实现其动态特性的溯源校准。

2.根据权利要求1所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法，特征在于：所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法是：采用极窄脉冲的压力作用到该大压力传感器的传压面，激励该大压力传感器，通过测试或计量仪器，得到该大压力传感器的频率响应特性。

3.根据权利要求1所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法，特征在于：所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法是：所述的给大压力传感器施加极窄脉冲的激励源是由等离子加速器加速的飞片撞击应力波杆--Hopkinson杆产生的宽频带窄脉冲的激励源并作应力波杆--Hopkinson杆的应力波源。

4.根据权利要求1所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法，特征在于：所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法是：采用超动态应变仪通过粘贴在应力波杆-Hopkinson杆上的应变片测量应力波信号。

5.根据权利要求1所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法，特征在于：所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法是：采用粘贴在该大压力传感器端面的压阻传感器测得的压力波信号和应力波杆-Hopkinson杆上应变片输出的应力波信号的相互关系，建立油压腔传递介质对Hopkinson杆端面输出的应力波的弥散特性，通过对该弥散特性的计算，得到该大压力传感器的激励信号。

6.根据权利要求4或5所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法，特征在于：

a.所述的粘贴在该大压力传感器端面的压阻传感器是锰铜压阻传感器；

b.所述的粘贴在应力波杆-Hopkinson杆上的应变片是测量应力波信号的应变计。

7.根据权利要求1所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法，特征在于：所述的大压力传感器动态特性的溯源校准方法是：改变校准条件可实现不同脉宽、不同压力值下的校准，便得到该大压力传感器在不同脉宽、不同压力下的频率响应特性。

8.一种大压力传感器动态特性的溯源校准装置，包括有校准装置的壳体、静态予压力源、压力传递介质、Hopkinson杆、应变片、与测试或计量仪器联接的采样端或/和联接端及其缆线，特征在于：所述的大压力传感器动态特性的溯源校准装置还包括有：极窄脉冲压力源、压阻传感器、被校大压力传感器。

9.根据权利要求8所述的大压力传感器动态特性的溯源校准装置，特征在于：所述的极窄脉冲激励源是等离子加速器加速的飞片撞击应力波杆--Hopkinson杆产生的宽频带窄脉冲的激励源。

10.根据权利要求8所述的大压力传感器动态特性的溯源校准装置，特征在于：

a.所述的压阻传感器是锰铜压阻片；

b.所述的应变片是测量应力波信号的应变计；

c.所述的压力传递介质是甘油。

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