CN101887080A

CN101887080A - 一种镱计动态压阻的测试方法

Info

Publication number: CN101887080A
Application number: CN 201010208478
Authority: CN
Inventors: 杜晓松; 蒋亚东; 肖华; 胡佳; 曾贵
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2010-11-17

Abstract

本发明公开了一种镱计动态压阻的测试方法，其测试线路包括脉冲恒流源、镱计R_g、固定电阻R₂和高速示波器，镱计R_g与固定电阻R₂并联后再用同轴电缆接入示波器，由示波器读出压力到达前后的平台电位，并根据镱计和固定电阻R₂的初始值，计算得到压力作用下镱计电阻的改变；R₂的取值原则是在压力作用下，并联后的电阻值不应超过电缆反射的临界值；R₂应尽量大，以保留信号的有效幅度；并且R₂的取值还与压力有关，压力越高，R₂的最佳取值越小。本发明的高阻镱计动态压阻的测试方法，线路和计算都很简单，避免了阻抗不匹配而导致的电缆反射，解决了高阻镱计不能测试较高压力的问题。

Description

一种镱计动态压阻的测试方法

技术领域

本发明涉及动态超高压力传感器技术领域，具体涉及一种镱计动态压阻的测试方法。

背景技术

锰铜计和镱计同属于压阻式压力传感器，主要用于测试***、冲击等条件下冲击波的瞬态高压。锰铜计按初始电阻值大致分为两种：一种是静态电阻为50Ω左右的双引线压力计，与之配合工作的是脉冲恒压源供电的桥式测量电路；另一种是静态电阻为0.05-0.5Ω的低阻四引线压力计，配合工作的是脉冲恒流源。锰铜计的低阻化主要是为了减弱高压力作用下传感器封装材料绝缘性能退化导致的旁路效应，使得低阻锰铜计可以测试更高的压力(＞20GPa)。而镱计由于高压相变的因素，其量程限于4GPa以下。在该压力段，聚合物封装材料没有明显的高压旁路效应。因此，更适合于采用高阻值的压力计，以增大信号，降低干扰。

但对于镱计(无论高阻还是低阻)来说，当采用电桥法测量时输出的电压信号(U～ΔR/R的关系)会出现严重的非线性。这是由于镱的灵敏度很高(约为锰铜计的30多倍)，ΔR/R可以高达400％，远远超过电桥的测试范围。电桥法测量还存在着计算公式复杂，调试麻烦等缺点。

而如果不采用电桥，而直接用示波器读取镱计两端的电压(测试方法如图1所示)，对于低阻镱计是没有问题的，见文献：滕林，杨邦朝，杜晓松等，磁控溅射镱薄膜的制备及压阻特性，真空科学与技术学报，2004，24(6)：472。但对于高阻镱计，却存在问题。由于测量对象是瞬态脉冲信号，要求测试电路各部分阻抗匹配。尽管高阻镱计的静态电阻是50Ω，与同轴电缆是阻抗匹配的，但在压力作用下，其电阻远大于50Ω，阻抗不再匹配，从而出现电缆反射现象，如图2所示。而对于低阻镱计，由于电阻的绝对变化量只有数欧姆，不会导致阻抗失配的情况。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种镱计动态压阻的测试方法，以解决阻抗匹配的问题，并且能较大限度地保留传感器的信号幅度。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

①搭建测试线路：将镱计R_g和固定电阻R₂并联后，一端用同轴电缆接入示波器，一端通过另一同轴电缆连接脉冲恒流源，并将镱计R_g置于动态压力测试装置中；

②压力加载前，测试镱计R_g的静态电阻R_g0以及固定电阻R₂，则并联电阻的初始值

③动态压力加载后，由示波器读出压力到达之前的平台电位V₀以及压力到达之后的平台电位V_p，受力后的并联电阻R_p由(1)式求出

\frac{R_{p}}{R_{0}} = \frac{V_{P}}{V_{0}} - - - (1)

再根据(2)式由R_p求出受力后镱计R_g的电阻R_gp

\frac{1}{R_{p}} = \frac{1}{R_{gp}} + \frac{1}{R_{2}} - - - (2);

④在不同的动态压力下，选取不同阻值的固定电阻R₂：在压力加载前根据压力的大小预估R_gp，再改变R₂由(2)式求出R_p并使得R_p略小于阻抗失配的临界值R_反射。

按照本发明所提供的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，阻抗失配的临界值R_反射由静态模拟实验确定：用一个脉冲恒流源给一个50Ω以上的固定电阻供电，然后将该电阻两端的电压信号直接输入示波器读取，人工触发脉冲恒流源，在示波器中观察波形前沿，如波形前沿是一个干净的阶跃信号，则阻抗匹配；如果波形前沿是台阶状的，则阻抗不匹配，出现了电缆反射。

按照本发明所提供的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，镱计的静态电阻R_g0的阻值范围为20-70Ω。

按照本发明所提供的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，脉冲恒流源的内阻R₁大于10kΩ。

按照本发明所提供的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，动态高压力测试装置是一级轻气炮或平面波发生器。

本发明的实质是不再用示波器直接读取镱计上的信号，而是在镱计上并联一个固定电阻后，读取并联后的信号。这样尽管镱计在压力作用下电阻可以增大数倍，但是并联电阻的增大幅度得以大大缩小并限定在一个合适的范围之内，不再出现阻抗失配的情况。

本发明的有益效果：本发明是基于现有低阻镱计测试方法上的改进，该改进简单易行，只需要多增加一个并联电阻即可，从而实现了对高阻镱计动态压阻信号的测量。本发明的镱计动态压阻的测试方法，不仅可用于镱计的标定，对于已经标定好的镱计，也可利用该方法对未知压力进行测试。需要说明的是，当所测压力较低时，镱计的电阻值R_gp没有超过电缆反射的临界值R_反射时，无需采用并联电阻的方法。

附图说明

图1为现有的低阻镱计的测试方法；

图2为当采用低阻镱计的测试方法时，高阻镱计压阻信号的电缆反射现象；

图3为本发明的高阻镱计的测试方法；

图4为当采用本发明的测试方法时，高阻镱计的测试波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

本发明的镱计动态压阻的测试方法，由一个脉冲恒流源，一个镱计R_g，一个固定电阻R₂和一个高速示波器搭建测试线路，镱计R_g的阻值范围为20-70Ω，脉冲恒流源的内阻R₁大于10kΩ，镱计R_g置于动态高压力测试装置中，动态高压力测试装置是一级轻气炮或平面波发生器，测试步骤如下：

①将镱计R_g和固定电阻R₂并联后，再用50Ω同轴电缆接入示波器；

②压力加载前，测试镱计的静态电阻R_g0以及固定电阻R₂，则并联电阻的初始值

动态压力加载后，由高速示波器读出压力到达之前的平台电位V₀以及压力到达之后的平台电位V_p，受力后的并联电阻R_p由(1)式求出

\frac{R_{p}}{R_{0}} = \frac{V_{P}}{V_{0}} - - - (1)

再根据(2)式由R_p求出受力后镱计的电阻R_gp

\frac{1}{R_{p}} = \frac{1}{R_{gp}} + \frac{1}{R_{2}} - - - (2)

③在不同的动态压力下，选取不同阻值的固定电阻R₂，方法是在压力加载前根据压力的大小预估R_gp，再改变R₂由(2)式求出R_p并使得R_p略小于阻抗失配的临界值R_反射，阻抗失配的临界值R_反射可由静态模拟实验确定，方法是用一个脉冲恒流源给一个50Ω以上的固定电阻供电，然后将该电阻两端的电压信号直接输入示波器读取，人工触发脉冲恒流源，在示波器中观察波形前沿，如果前沿是一个干净的阶跃信号，说明阻抗匹配；而如果信号前沿是台阶状的，说明阻抗不匹配，出现了电缆反射。

本发明所提供的测试方法不仅可用于镱计的标定，对于已经标定好的镱计，也可利用该方法对未知压力进行测试。

本发明的实质是不再用示波器直接读取镱计上的信号，而是在镱计上并联一个固定电阻后，读取并联后的信号。这样尽管镱计在压力作用下电阻可以增大数倍，但是并联电阻的增大幅度得以大大缩小并限定在一个合适的范围之内，不再出现阻抗失配的情况。但是，并联电阻法会牺牲镱计的信号幅度。为此，为尽量保持大的信号而又不出现电缆反射，应尽量选取大阻值的并联电阻R₂。R₂的选取还与所测压力的大小有关：在小的压力下，可选择的R₂相对较大；而在较高的压力下，可选择的R₂相对较小。下面用简单的数学计算来说明这个问题：

假设镱计的静态电阻R_g0是50Ω，电缆反射的临界值是75Ω。在压力P₁时，镱计的电阻增大到R_gp＝100Ω，此时任何小于300Ω的并联电阻R₂都可以避免电缆反射。假设R₂取300Ω，压力作用前的并联电阻初始值R₀为42.86Ω，压力作用下的并联电阻值R_p为75Ω，压阻信号增大了⁷⁵/_42.86-1＝0.75倍，与镱计本身的信号增大幅度1倍相比，并联电阻法保留了75％的有效信号。而当采用50Ω的并联电阻R₂时，只能保留33.3％的有效信号。可见，在同一个压力下，应尽量选择大的并联电阻R₂。

按上述方式可以计算出不同压力下的最佳并联电阻R₂。假设当压力增大到P₂时，镱计的电阻增大到R_gp＝200Ω，则最佳R₂为120Ω，压阻信号增大了⁷⁵/_35.29-1＝1.125倍，与镱计本身的信号增大幅度3倍相比，并联电阻法仅能保留37.5％的有效信号。可见，随着压力的增高，最佳并联电阻R₂的取值变小，有效信号幅度收窄。尽管如此，由于高压力下镱计自身的信号很强，信号的读取完全没有问题。

实施例1

首先需要确定产生电缆反射的临界电阻值R_反射。采用一个脉冲恒流源、一个固定电阻R₂和一个1GHz高速数字示波器搭建如图1所示的调试线路。脉冲恒流源的内阻为10kΩ，脉宽130μs。最初R₂选用100Ω，手动触发恒流源后，在示波器中观察到了与图2类似的台阶信号，说明存在电缆反射。然后R₂换用一个75Ω的固定电阻，人工触发后，在示波器中呈现的是一个完整的方波信号，信号前沿没有台阶，说明此时不会出现电缆反射。因此将R_反射确定为75Ω。

接下来是镱计的压阻信号测试，是对我们所制备的薄膜镱计进行高压标定实验。如图3所示，采用一个脉冲恒流源、一个镱计R_g，一个固定电阻R₂和一个1GHz高速数字示波器搭建测试线路。镱计和固定电阻R₂并联后再用同轴电缆接入示波器。镱计静态电阻为50Ω左右，系首先用溅射然后用光刻法制备的栅型薄膜镱计，基板和封装材料都是聚酰亚胺。动态压阻的测试在一级轻气炮中进行，将镱计夹在两片有机玻璃中间，用铝飞片撞击产生动态压力。

图4所示是其中一次有代表性的实验结果。在该此实验之前，准备给镱计施加的动态压力为2GPa左右，镱计的静态电阻为46.5Ω，预估镱计的电阻将增大约2.5倍。因此最佳的并联电阻R₂应为130Ω左右，实验中选取了一个101Ω的电阻，则并联电阻初始值R₀为31.84Ω。实验后测得真实的压力值为1.87GPa。如图4所示，所测得的波形完整，是一个较为理想的类似于方波的信号，前沿没有出现台阶状的反射信号。压力到达之前的平台电位V₀为-1.03V，压力到达之后的平台电位V_p为-1.89V，则由(1)式计算得到压力作用下并联电阻R_p为58.43Ω，再由(2)式计算得到压力作用下镱计的电阻R_gp为138.6Ω，则镱计在压力作用前后电阻的相对变化为1.98。

Claims

1.一种镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

\frac{R_{p}}{R_{0}} = \frac{V_{P}}{V_{0}} - - - (1)

再根据(2)式由R_p求出受力后镱计R_g的电阻R_gp

\frac{1}{R_{p}} = \frac{1}{R_{gp}} + \frac{1}{R_{2}} - - - (2)

2.根据权利要求1所述的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，阻抗失配的临界值R反射由静态模拟实验确定：用一个脉冲恒流源给一个50Ω以上的固定电阻供电，然后将该电阻两端的电压信号直接输入示波器读取，人工触发脉冲恒流源，在示波器中观察波形前沿，如波形前沿是一个干净的阶跃信号，则阻抗匹配；如果波形前沿是台阶状的，则阻抗不匹配，出现了电缆反射。

3.根据权利要求1所述的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，镱计的静态电阻R_g0的阻值范围为20-70Ω。

4.根据权利要求1所述的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，脉冲恒流源的内阻R₁大于10kΩ。

5.根据权利要求1所述的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，动态高压力测试装置是一级轻气炮或平面波发生器。