CN110793715A - 一种微型超高压力传感器动态标定装置 - Google Patents

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刘元
赵玉龙
韦学勇
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李慧
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Abstract

一种微型超高压力传感器动态标定装置，包括靶板装置，靶板装置上固定有微型超高压力传感器，微型超高压力传感器上方设置有飞片驱动装置，飞片驱动装置的飞片输出口与微型超高压力传感器的敏感元件对准，飞片驱动装置与靶板装置通过螺栓连接；飞片驱动装置包括壳体，壳体通过限位孔结构从上到下依次固定有微***、飞片和加速膛；靶板装置包括底座，底座上通过限位孔结构固定有承压块；本发明采用MEMS工艺实现飞片的微型化与薄膜化，从而满足飞片尺寸与微型超高压力传感器敏感元件尺寸相近的要求，提高了微型超高压力传感器动态标定曲线的精度，且标定装置的成本低，适用于微型超高压力传感器的动态标定。

Description

一种微型超高压力传感器动态标定装置
技术领域
本发明属于压力传感器测试技术领域，具体涉及一种微型超高压力传感器动态标定装置。
背景技术
随着MEMS火工品、微纳米含能材料等的不断发展，微型超高压力传感器在微尺度装药输出性能表征中得到了广泛应用。为了保证一定的测试精度，微型超高压力传感器的动态标定已成为一项亟待解决的关键问题。
在现有的超高压力传感器标定方法中，轻气炮加载是最常用的一种标定手段，它的基本原理是：轻气炮中的飞片在发射管中加速后撞击到靶板上，导致靶板中产生冲击波，从而使得一个压力作用在传感器上，同时，利用恒流源和示波器组成的测试***测量超高压力传感器的输出电压相对变化值。通过改变飞片速度可以获得一系列压力值与其对应的电压相对变化值，经过数据处理即可获得传感器的动态标定曲线。但是该方法应用于微型超高压力传感器时存在一些缺点：第一，每批次超高压力传感器都应该进行抽样动态标定，而轻气炮的单批次标定成本是非常高的，这无疑增加了传感器的使用成本，进而限制了传感器的推广应用；第二，轻气炮的炮径(飞片直径、靶板尺寸与炮径相近)远大于微型超高压力传感器的敏感元件尺寸，这将使得传感器承受的压力近似于靶板某点处的压力。然而在实际中很难保证靶板上的冲击载荷处处相等，故传感器承受的压力与根据飞片速度计算的压力并不相等，从而导致标定曲线产生一定的误差。
因此，为了获得较准确的微型超高压力传感器动态标定曲线并降低标定成本，就必须同时解决上述两个缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种微型超高压力传感器动态标定装置，采用MEMS工艺实现飞片的微型化与薄膜化，提高了微型超高压力传感器动态标定曲线的精度，且标定装置的成本低，适用于微型超高压力传感器的动态标定。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种微型超高压力传感器动态标定装置，包括靶板装置4，靶板装置4上固定有微型超高压力传感器3，微型超高压力传感器3上方设置有飞片驱动装置2，飞片驱动装置2的飞片输出口与微型超高压力传感器3的敏感元件对准，飞片驱动装置2与靶板装置4通过螺栓1连接。
所述的飞片驱动装置2包括壳体2-2，壳体2-2通过限位孔结构从上到下依次固定有微***2-4、飞片2-5和加速膛2-3，微***引线2-1从引线口引出。
所述的壳体2-2上设有第一螺栓孔2-2a、引线口2-2b、微***限位孔2-2c和飞片限位孔2-2d，微***限位孔2-2c中固定有微***2-4，飞片限位孔2-2d中从上到下依次固定有飞片2-5和加速膛2-3。
所述的加速膛2-3采用硅材料通过MEMS工艺制成，或采用陶瓷材料通过激光加工制成，加速膛2-3直径为微型超高压力传感器3敏感元件最大尺寸的1.1倍。
所述的微***2-4包括***2-4a、装药腔体2-4b、换能元2-4c和绝缘基片2-4e，绝缘基片2-4e上设有两个引线孔2-4d，***2-4a直径在0.5～5mm之间；装药腔体2-4b采用硅材料通过MEMS工艺加工制作。
所述的飞片2-5采用有机玻璃材料通过MEMS工艺加工制作，厚度在亚毫米量级，具体数值视所需飞片速度而定。
所述的靶板装置4包括底座4-1，底座4-1上通过限位孔结构固定有承压块4-2。
所述的底座4-1中心设有一个承压块限位孔4-1b，承压块限位孔4-1b周边设有四个第二螺栓孔4-1a。
所述的承压块4-2包括有机玻璃载体4-2b，有机玻璃载体4-2b表面上设有对准标记4-2a，对准标记4-2a厚度在100nm左右。
所述的螺栓1通过第一螺栓孔2-2a和第二螺栓孔4-1a将飞片驱动装置2与靶板装置4连接。
所述的微型超高压力传感器3粘贴在靶板装置4上，厚度为150μm左右。
本发明的有益效果为：
由于微***2-4、飞片2-5和加速膛2-3采用MEMS工艺加工制作，实现了剪切飞片的微型化与薄膜化，从而满足了飞片尺寸与微型超高压力传感器敏感元件尺寸相近的要求；通过对准标记4-2a及螺栓1连接实现了微型超高压力传感器3敏感元件与加速膛2-3的对准，从而提高了动态标定曲线的精度；由于整个动态标定装置的零件主要采用MEMS工艺或精密机械加工等手段制作而成，从而可实现动态标定装置的小批量生产，进而降低了动态标定成本，促进了微型超高压力传感器3的推广应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，其中图(a)为俯视图，图(b)为图(a)的A-A半剖视图。
图2为飞片驱动装置的结构示意图，其中图(a)为俯视图，图(b)为图(a)的A-A剖视图。
图3为壳体的结构示意图，其中图(a)为俯视图，图(b)为图(a)的A-A剖视图。
图4为加速膛的结构示意图。
图5为微***的结构示意图。
图6为飞片的结构示意图。
图7为靶板装置的结构示意图，其中图(a)为俯视图，图(b)为图(a)的A-A剖视图。
图8为底座的结构示意图，其中图(a)为俯视图，图(b)为图(a)的A-A剖视图。
图9为承压块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
参照图1，一种微型超高压力传感器动态标定装置，包括靶板装置4，靶板装置4上固定有微型超高压力传感器3，微型超高压力传感器3上方设置有飞片驱动装置2，飞片驱动装置2的飞片输出口与微型超高压力传感器3的敏感元件对准，飞片驱动装置2与靶板装置4通过螺栓1连接。
参照图2和图3，所述的飞片驱动装置2包括壳体2-2，壳体2-2上设有引线口2-2b、微***限位孔2-2c和飞片限位孔2-2d，微***限位孔2-2c和飞片限位孔2-2d通过精密机械加工制作，这样可以实现微***2-4、飞片2-5以及加速膛2-3之间的精确对准；微***限位孔2-2c内通过胶水固定有微***2-4，微***引线2-1从引线口2-2b引出，飞片限位孔2-2d内从上至下通过胶水依次固定有飞片2-5和加速膛2-3；壳体2-2周边还开有四个第一螺栓孔2-2a，用于螺栓1的连接。
参照图4，所述的加速膛2-3采用硅材料通过MEMS工艺制成，或采用陶瓷材料通过激光加工制成，加速膛2-3直径为微型超高压力传感器3敏感元件最大尺寸的1.1倍，加速膛2-3主要用于将受压的飞片2-5沿内径边缘剪切成与其内径相等的圆飞片，并使圆飞片在膛内加速前进。
参照图5，所述的微***2-4包括***2-4a、装药腔体2-4b、换能元2-4c和绝缘基片2-4e；绝缘基片2-4e上设有两个引线孔2-4d，微***引线2-1从引线孔2-4d垂直引出，这样有利于微***2-4的垂直装配；***2-4a直径在0.5～5mm之间；装药腔体2-4b采用硅材料通过MEMS工艺加工制作；换能元2-4c采用多晶硅、Pt、Ti或Ni-Cr合金材料制成。
参照图6，所述的飞片2-5采用有机玻璃材料通过MEMS工艺加工制作，厚度在亚毫米量级，具体数值视所需飞片速度而定。
参照图7和图8，所述的靶板装置4包括底座4-1，底座4-1中心处设有承压块限位孔4-1b，承压块限位孔4-1b通过精密机械加工制作，这样可以保证承压块4-2的精确定位；承压块限位孔4-1b内通过胶水固定有承压块4-2；承压块4-2上设有对准标记4-2a，通过对准标记4-2a将微型超高压力传感器3敏感元件与有机玻璃载体4-2b中心对准，并利用胶水固定。
底座4-1周边还设有四个第二螺栓孔4-1a，用于螺栓1的连接。
参照图9，所述的承压块4-2包括有机玻璃载体4-2b，有机玻璃载体4-2b表面上设有对准标记4-2a，有利于将微型超高压力传感器3敏感元件与有机玻璃载体4-2b中心对准，对准标记4-2a厚度在100nm左右。
所述的微型超高压力传感器3粘贴在靶板装置4上，厚度为150μm左右。
本发明测试***的工作原理为：
进行测试实验时，通过微***引线2-1起爆微***2-4，***产生的能量作用于飞片2-5上，飞片2-5被沿着加速膛2-3内径边缘剪切成圆飞片，同时被加速到一定速度后撞击到微型超高压力传感器3的敏感元件上。由于微型超高压力传感器3的厚度较薄，且飞片2-5与承压块4-2均采用有机玻璃材料制成，故满足对称碰撞条件；在对称碰撞条件下，微型超高压力传感器3被撞击后承受的冲击压力P可用下式计算：
式中，ρ0为飞片2-5的密度；C和λ是承压块4-2材料的雨贡纽参数；W是飞片2-5撞击微型超高压力传感器3时的速度。
由式(1)可以看出，冲击压力P主要与飞片速度W有关，而该速度可以利用光子多普勒测速***(PDV)测得。飞片速度受微***2-4的装药密度、装药尺寸以及飞片2-5的尺寸、材料等因素的影响。当这些因素不变时，微***2-4驱动飞片2-5以一个稳定的速度撞击到微型超高压力传感器3上，微型超高压力传感器3受到冲击压力P作用后会在电路中产生变化的电流，这时可以获得一个标定数据点(P1,I1)；若通过改变微***2-4的装药密度、装药尺寸或飞片2-5的尺寸、材料来改变飞片速度，电路电流也会发生相应变化，这样就可以获得多个标定数据点，通过拟合这些数据点即可得到微型超高压力传感器3的动态标定曲线。

Claims (10)

1.一种微型超高压力传感器动态标定装置，包括靶板装置(4)，其特征在于：靶板装置(4)上固定有微型超高压力传感器(3)，微型超高压力传感器(3)上方设置有飞片驱动装置(2)，飞片驱动装置(2)的飞片输出口与微型超高压力传感器(3)的敏感元件对准，飞片驱动装置(2)与靶板装置(4)通过螺栓(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种微型超高压力传感器动态标定装置，其特征在于：所述的飞片驱动装置(2)包括壳体(2-2)，壳体(2-2)通过限位孔结构从上到下依次固定有微***(2-4)、飞片(2-5)和加速膛(2-3)，微***引线(2-1)从引线口引出。
3.根据权利要求2所述的一种微型超高压力传感器动态标定装置，其特征在于：所述的壳体(2-2)上设有第一螺栓孔(2-2a)、引线口(2-2b)、微***限位孔(2-2c)和飞片限位孔(2-2d)，微***限位孔(2-2c)中固定有微***(2-4)，飞片限位孔(2-2d)中从上到下依次固定有飞片(2-5)和加速膛(2-3)。
4.根据权利要求2所述的一种微型超高压力传感器动态标定装置，其特征在于：所述的加速膛(2-3)采用硅材料通过MEMS工艺制成，或采用陶瓷材料通过激光加工制成，加速膛(2-3)直径为微型超高压力传感器(3)敏感元件最大尺寸的1.1倍。
5.根据权利要求2所述的一种微型超高压力传感器动态标定装置，其特征在于：所述的微***(2-4)包括***(2-4a)、装药腔体(2-4b)、换能元(2-4c)和绝缘基片(2-4e)，绝缘基片(2-4e)上设有两个引线孔(2-4d)，***(2-4a)直径在0.5～5mm之间；装药腔体(2-4b)采用硅材料通过MEMS工艺加工制作。
6.根据权利要求2所述的一种微型超高压力传感器动态标定装置，其特征在于：所述的飞片(2-5)采用有机玻璃材料通过MEMS工艺加工制作，厚度在亚毫米量级，具体数值视所需飞片速度而定。
7.根据权利要求1所述的一种微型超高压力传感器动态标定装置，其特征在于：所述的靶板装置(4)包括底座(4-1)，底座(4-1)上通过限位孔结构固定有承压块(4-2)。
8.根据权利要求7所述的一种微型超高压力传感器动态标定装置，其特征在于：所述的底座(4-1)中心设有一个承压块限位孔(4-1b)，承压块限位孔(4-1b)周边设有四个第二螺栓孔(4-1a)。
9.根据权利要求7所述的一种微型超高压力传感器动态标定装置，其特征在于：所述的承压块(4-2)包括有机玻璃载体(4-2b)，有机玻璃载体(4-2b)表面上设有对准标记(4-2a)，对准标记(4-2a)厚度为100nm左右。
10.根据权利要求1所述的一种微型超高压力传感器动态标定装置，其特征在于：所述的微型超高压力传感器(3)粘贴在靶板装置(4)上，厚度为150μm左右。
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