总压传感器原理及校准方法综述
摘要
爆炸冲击波能够毁伤人员、设施、装备等军事目标和民用建筑，作用范围大，破坏性强 [1],因而爆炸冲击波压力大小是衡量各类炸药及战斗部毁伤威力的一项重要技术指标。所以对各类炸药的爆炸冲击波的测量具有很重要的意义[2]。随着云爆弹、巨型弹、温压弹等新型高能弹药的不断研制，动压毁伤作用越发突出，使得只考虑超压毁伤的战斗部或弹药的毁伤威力评估与真实毁伤威力相差很大[3]。所以冲击波动压的测试成为了一项不可避免的工作。爆炸冲击波动压测试的最常用的方法之一静压总压法，其中总压的测量需要用到总压传感器。本文简要介绍了总压测量传感器的结构以及测试的方法。并详细介绍了总压传感器设计中需要处理的一些问题以及解决方法。最后简要介绍了现有的几种针对动态压力传感器的校准方法。
总压传感器以及测量系统
总压又称驻点压力是流动受到滞止、速度降为零的压力。总压测量系统用冲击波压力传感器、信号调理器或电荷放大器、数据采集器构成的冲击波压力测量系统直接对被测信号进行测量。由于电测法能反映压力随时问变化的全过程，数据实时性强，含有的信息量大，通过对冲击波压力信号深入分析，可获得冲击波载荷的频率特性等优点。电测法在爆炸冲击波超压测试领域使用广泛，并己取得了一定的研究成果[2]。压电传感器作为压力传感器的一种，具有稳定性好、上升时间短、固有频率高、温度特性好等特点，常用于动态测量等领域。压电传感器的工作原理是利用一些材料的压电效应将压力转换为电荷或者电压，从而实现压力的电测。压电效应压电性是非中心对称晶体所表现出的一种现象，即在施加应力时在材料中电荷产生电极化的一种现象。相常见的敏感元件有压电晶体，压电陶瓷（Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O3,PZT），压电薄膜(polyvinylidene difluoride,PVDF)等[4]。压电薄膜不适用与高温高压环境下测量，所以爆炸冲击波测量多用压电晶体或压电陶瓷，而不用压电薄膜。2015年季旭颖，孔德仁，王 芳，苏健军研究了一种基于皮托管测动压原理的动压传感器，其由总压传感器和静压传感器组成，发现在总压传感器的传压管道中填充硅脂可以提高总压传感器的固有频率[3]。
寄生输出的补偿
由于冲击波压力的测量环境恶劣，所以在测量的过程中总压传感器会对测量过程中的振动，光热等变化产生寄生输出。通过合理地添加补偿质量块和补偿压电晶体组，可以基本消除传感器的加速度灵敏度[6]。2020年研究了一种具有加速度补偿的压电式压力传感器，通过仿真计算以及标定实验证明了加速度补偿方案的可行性[7]。2018年南京理工大学的杨帆、孔德仁等人研究一种机械结构和硅膜相结合的加速度以及温度补偿方法，并提出了一种动态补偿方法以弥补因为加速度和温度补偿而对传感器的输出特性造成的影响。[11]。
传感器校准方法
传感器校准一般可分为动态校准，静态校准，准静态校准。
动态标定的激励信号常用的有正弦波、阶跃信号等，正弦波作为激励信号标定传感器。由于可以产生的正弦波的频率范围较低，正弦波压力信号不适用与频带范围较宽的冲击波压力传感器的标定。阶跃信号频率范围丰富，可以作为传感器标定的激励信号。为产生阶跃信号一般采用快开阀[8]或激波管[9][10]装置。快开阀通过快速打开阀门联通高压区与低压区来产生阶跃的压力信号相对于激波管来说，快开阀产生的压力平台时间比激波管长的多，所以产生的激励信号的低频带信号分量较好，适用于压力传感器的低频特性的校准试验。但是其信号的上升时间也比激波管的上升时间长的多，校准时不能够获得传感器的高频特性。相反的激波管相对于快开阀来说具有更短的上升时间但是其压力平台的持续时间要比快开阀的时间要短。所以在使用激波管进行对压力传感器的校准试验的时候，不能够获得传感器的低频特性[11]。2017年南京理工大学杨帆等人研究了一种基于激波管实验的试验数据处理方法，利用微分法来实现对冲击波压力传感器幅频特性的求取[12]。
静态校准是通过将被标定传感器与标准传感器或者是标准压力源相比较从而实现压力传感器输入输出特性的方法。但是由于电荷泄露等原因使得压电传感器的低频特性并不理想，所以这种方法并不适用于压电传感器的校准。
准静态校准是一种介于动态校准与静态校准之间的校准方法, 所谓压力准静态校准其实是用半正弦型的压力脉冲对压力测量系统进行动态校准[13]。然而压力脉冲的宽度必须足够宽, 以保证其频谱的有效带宽完全处于被校准系统幅频特性的平直段内, 这样校准的结果与静态校准是相当的, 所以称为准静态校准[14]。使用准静态校准可以减轻因为压电传感器静态特性不理想而导致的误差，南京理工大学尝试通过落锤装置来实现准静态校准，并取得了较好的成果[15]。
结语
随着一些武器的出现，爆炸冲击波静压难以准确地表征炸药爆炸的毁伤威力，总压的测量越来越重要。冲击波总压传感器的设计制造以及校准虽然有了较多的成果，但仍有较多的不足。由于传感器的恶劣的工作环境而产生的各种寄生效应使得加速度补偿和温度补偿成为不可缺少的步骤，主要的问题在于如何在保证传感器的频响特性以及灵敏度的同时实现加速度和温度补偿。二是基于皮托管原理的总压测量传感器的传压管道会影响整个系统的频响特性。如何减小或者补偿这种影响是需要解决的问题。
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