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首页火炮瞬态压力测试与数据修正技术研究
"瞬态大量值压力测试及数据修正研究,主要涉及火炮发射过程中弹丸承受的压力和加速度测量,采用CPLD控制的测试仪器,35CrMnSi材质的壳体保护,以及对压电式传感器数据的修正方法,包括递推最小二乘法(RLS)在Matlab Simulink中的应用。" 火炮作为战场上的关键武器,其性能直接影响到战争的走势。在火炮发射时,弹丸会经历极短时间内的巨大压力,这些压力数据的获取对于优化火炮设计至关重要。本文聚焦于瞬态大量值压力测试技术,旨在提高测量的准确性和可靠性。 设计了一款测试仪器,核心是采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)作为主控芯片,该设备体积小巧且抗冲击性强,能在火药燃烧的恶劣环境中稳定工作。选用35CrMnSi材料作为保护壳体,确保内部电路不受高压环境影响。此外,通过分析和改进壳体中的传压管道结构,降低了测试信号的误差,提高了测量精度。 然而,由于采用了压电式传感器,数据采集过程中不可避免地受到加速度效应的干扰,导致数据失真。对此,文章深入研究了压电传感器的电荷泄漏问题,并运用系统辨识的递推最小二乘法(RLS)对加速度效应造成的误差进行建模。通过Matlab Simulink平台,实现了对瞬态大量值压力测试数据的修正,验证了RLS模型能有效校正耦合的压力信号,从而提高数据的准确性。 本研究的关键点在于创新的压力测试技术和数据修正方法,这不仅有助于提高火炮性能的评估精度,也为未来类似领域的测试技术提供了理论基础和技术参考。关键词涵盖了压力测试技术、管道效应的考量、电荷泄漏问题的解决、加速度效应的修正以及数据处理的Matlab Simulink方法,这些都是瞬态大量值压力测试及数据修正研究的核心内容。
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源管理芯片 LP5996 给模拟电路部分供电并且初始化系统,擦除铁电存储器里面的数据,
整个测试系统进入到循环采样的状态,此时采集到的数据一直被存储到铁电存储器中,
假如铁电存储器的空间被存满,新数据则会不断覆盖原有数据。当采集的信号数据达
到预设的触发条件时会触发,此时系统将会保存数据触发时的地址。当存储器的空间
被写满,测试已完成顺序采样时,整个系统进入低功耗状态,供电仅给 CPLD 和铁电
存储器供电,这样做能够延长等待时间,最后通过连接 PC 端读取信号完成整个测试工
作。
2.5 模拟电路设计
2.5.1 压力传感器选型及信号调理电路设计
压电式传感器是利用特定物质的压电效应原理制作而成的传感器件,具有高固有
频率,高灵敏度和高信噪比等优点
[20]
。本次设计采用了由瑞士 Kistler 公司生产的
6215B 型压力传感器,其相关参数如表 2-2 所示。当压电型传感器中的石英晶体受到被
测量的力的作用时,在两个极板表面会产生具有相同电荷量的相反电荷
[21]
。
表 2-2 Kistler6215B 压电式压力传感器参数表
Table2-2 Kistler 6215B piezoelectric pressure sensor data sheet
指标名称
参数范围
量程(
MPa
)
0
~
600
过载(
MPa
)
660
固有频率(
kHz
)
>
240
灵敏度(
pC/MPa
)
-15.26
线性度(
%FSO
)
±
1
上升时间(
μs
)
1
轴向加速度灵敏度(
MPa/g
)
<
0.0002
径向加速度灵敏度(
MPa/g
)
<
0.0005
温度范围(
℃
)
-50
~
200
绝缘电阻(
Ω
)
>
10
13
拧紧扭矩(
N⋅m
)
20
质量(
g
)
12
电容(
F
)
≈
8
根据表 2-2 中的相关参数来看,该传感器的量程、固有频率、温度等参数满足测试
的技术指标,图 2-4 为压电传感器等效原理图:
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电极
压电
晶体
q
C
图 2-4 压电传感器等效原理图
Figure2-4 Piezoelectric sensor equivalent schematic
如图 2-5 的结构图所示,该压力传感器通过壳体将基座、导电片、石英晶体、垂链
膜片进行固定。被测压力首先作用在传感器的垂链膜片上,接着垂链膜片将压力传递
给石英晶体,最后石英晶体的压电效应
[22]
将产生的电荷量通过导线传递给调理电路。
Kistler6215B 产生的是负电荷,因此在之后的调理电路中,应当采用能够放大负电荷的
放大电路。该型号的传感器在安装的过程中,要求严格按照说明采用 20N·m 力矩的扭
力扳手,避免因为安装不当产生振动造成额外的误差,影响到输出信号的准确性与稳
定性。
压力作用
垂链膜片
石英
压电晶体
导电片
基座
壳体
引线
图 2-5 压电传感器结构原理图
Figure2-5 Piezoelectric sensor structure schematic
两个极板间汇聚了一定电荷量时会有电压产生:
a
a
q
U
C
=
(
2-1
)
0
a
C
r
A
A
h h
εε
ε
= =
(
2-2
)
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其中,U
a
——极板间产生的电压量;
q——两个极板间汇聚的电荷量;
C
a
——两个极板间的等效电容;
A——极板的面积;
h——极板厚度;
ε——压电晶体的介电常数;
ε
r
——压电晶体的相对介电常数;
ε
0
——真空介电常数。
压电传感器在和测量仪器电路连接时,连接的导线会有寄生电容 C
c
的存在,并且
运算放大器本身存在的输入电阻 R
i
,输入电容 C
i
会对电路产生一定的影响。压电传感
器能等效的视为电压源和电容的串联电路或者电荷源和电容的并联电路
[23]
(如图 2-6)。
Q
-A
Ca Cc Ci
Ra
Ri
图 2-6 压电传感器等效电路
Figure2-6 Piezoelectric sensor equivalent circuit
等效电阻为:
a i
a i
R R
R
R R
=
+
(
2-3
)
等效电容为:
c i a
C C C C= ++
(
2-4
)
其中,C
c
——电缆电容;
C
i
——前置输入电容;
C
a
——传感器内部电容;
R
a
——传感器绝缘电阻;
R
i
——前置输入电阻。
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压电传感器的调理电路有两种,一种是电压放大器,另一种是电荷放大器。电压
放大器需匹配极大的阻抗,并且在连接传感器时需要匹配合适的电缆电容,造成更换
电缆导线的不便,不仅如此,电压放大器的带宽受到传感器线路影响很大,需要对引
线屏蔽,很难减小占据的空间
[24]
。与之相比,电荷放大器电缆的长度和电容大小并不
会影响其输出,输出电压仅仅取决于反馈电路的电容参数及输入电荷量,并且拥有更
宽的频带和更高的灵敏度,在许多方面都有良好的应用。在本次试验中,为了避免因
导线的长度而导致等效电容产生变化,防止屏蔽线占用空间过大,选择了电荷放大器
作为压电传感器的调理电路(图 2-7)。
图 2-7 压电传感器调理电路
Figure2-7 Piezoelectric sensor conditioning circuitry
传感器受压产生的电荷量十分的微弱,为了保证这些电荷量能够成功地被采集,
尽可能的减少信号失真,采用 CMOS 晶体管作为运算放大器对电荷信号进行放大。同
时由于 CMOS 具有高阻抗,高集成度,低功耗的特点,能够带来较宽的工作频带和较
大的放大倍数,是理想的放大器选择。为了减小测试仪器的体积,本次电荷放大电路
采用 TI 公司生产的 OPA2340(EA)作为运放,实现电荷放大以及电压跟随器的功能,
其输入阻抗大于 10
13
Ω,开环增益为 120dB,符合设计要求。
反馈电容的选择和传感器有关,本次设计所使用的压电式压力传感器是 6215B,
如图 2-9 所示,其灵敏度为 1.526pC/bar,即 15.26pC/MPa。
Kistler6215B 压力传感器(图 2-8)受压产生的是负电荷,所以选用负反馈放大电
路,目的是使得输出电压为正。本次设计采用亚德诺公司(ADI)的 AD7492,其适用
输入电压范围为 0 到 2.5V,设计基线电压为 0.54V。
6215B_GND
Pressure_Signal
C3
0.1uF
R2
10K
VCC_3.3V
VCC_3.3V
-
+
N1A
OPA2340
2
3
1
84
R3
51K
C1
4700pF
-
+
N1B
OPA2340
5
6
7
R7
1G
R1
10K
6215B_SIG
C5
0.1uF
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