1、 第 1 页 共 45 页内置式电容压力传感器设计摘要本文联系火炮膛压测试技术的发展，综合分析了现有的电测法测量膛压技术，在中北大学现有的放入式测压器的基础上，直接利用测压器外壳的特性设计了一种圆筒（柱）式电容压力传感器，代替了压电式压力传感器用于火炮膛压测试。文章从电容式传感器的原理特性、壳体力学分析、适配电路等方面进行分析设计。第一部分，详细探讨了内置式电容压力传感器的壳体设计，最后的 ANSYA 软件仿真表明，该外壳设计的原理方案正确、可行，并已达到了课题的要求。第二部分对传感器的适配电路进行设计，重点进行了测量电路，A/D 转换等模块的设计。所设计的测压器能被放置于被测体中，承受高压，
2、能实时实况地测取动态数据并且将其存储。同时论文提出了一些可能影响传感器测试精度的因素及解决方法。这种新型电容压力传感器把外壳与测压器一体化，大大减小了传感器的体积，解决了小体积与高精度之间的矛盾。关键词：膛压测试，电容压力传感器，力学分析，适配电路 第 2 页 共 45 页Design of Capacitive Electronic Jn-bore Pressure GaugesAbstractThis article relates the artillery gun pressure test technology the development, the generalized ana
3、lysis existing electrical method survey gun pressure technology, In pressure gauges foundation which the north university already studied, has designed one kind of cylinder directly using the pressure gauge outer coverings characteristic (column) the formula electric capacity pressure transmitter, r
4、eplaced the piezoelectricity type pressure transmitter to use in the artillery gun pressure test. Articles from the principle of capacitive sensors properties, Shell mechanical analysis, adaptation, and other aspects to circuit design. The first part, has discussed the electric capacity pressure tra
5、nsmitters shell design in detail. The final ANSYA software simulation indicated that this outer covering designs principle plan is correct, is feasible, and has met the topic requirements. The second part carries on the design to sensors adaptive electric circuit, Has carried on the Measurement circ
6、uit with emphasis, A/D transformation designs module and so on .Designs the pressure gauge can lay aside in is measured in the body, the withstanding high pressure, can the real-time live surveying take the dynamic data, and its memory. Simultaneously the paper proposed some possible to affect the s
7、ensor test precision the factor and the solution. This kind of new electric capacity pressure transmitter the outer covering and the pressure gauge integration, reduced greatly sensors volume, has solved between the small volume and the high accuracy contradiction.Key words: Chamber pressure measure
8、ment, Capacitive pressure sensors, Mechanical analysis, The adapter circuit第 3 页 共 45 页1 引言1.1 课题研究背景各种不同型号口径的火炮，在工厂完成总体部件装配和全火炮系统静态动能调试后，在出厂前必须进行射击试验，即动态检验。以考核火炮的精度、强度等各项性能指标是否符合设计要求火炮强度的检验。就要通过火炮射击后测得的最大膛压来完成的。膛压是指火炮发射时火药气体在炮膛内单位面积上的作用力。测量膛压的原理是以力学定律为基础的，测量的方法所依据的力学定律分为静力法和动力法两大类。以静力学定律(F=R)为基础的测压
9、方法称为静力法。这种方法是使力作用到一个不动的物体上，并使它变形，依据变形量的大小来确定作用力的大小。以动力学定律(F=mdv/dt) 为基础的测压方法称为动力法。这种方法是使力作用到一个物体上，使物体产生运动，记录下物体的运动诸元(如行程、速度和加速度)及随时间的变化，以确定力的大小。目前应用较多的是静力法，以其中的塑性变形法、弹性变形法、压电法和电阻法等应用得最广。长期以来我国膛压测试多采用塑性变形法中的铅柱铜柱（球）测量法，铜柱（球）测量法采用静标体制。塑性变形法的本质在于使所测压力直接作用于变形物体，使该物体产生残余变形，然后量出物体的变形量，根据变形量的大小即可确定压力的大小。测压铜
10、柱的压力并不是真实的膛压峰值，早在 40 年代，英国内弹道学权威 J.corner 就指出，铜柱测得的压力比真正最大压力低 20，50 年代苏联的什克瓦尔尼可夫进一步指出，根据火药的种类和装填不同，压力值低 12-21， 这个现象俗称为铜柱测压器的动静差。同时铜柱测压法不能反映膛内不同位置上压力随时间的变化规律 1。另一种前景比较看好的方法是电测法。电测法测试的优点是精度高、可重复使用，目前得到广泛发展。膛压电测法属于弹性变形法，它通过各种传感元件的不同的物理原理，将弹性变形量转变为电量，建立电量与产生变形量的作用之间的确定关系，从而能够通过直接测量这些电量来确定膛内燃气压力。 大量测试表明，
11、在承压过程中测压器的壳体有较大的弹性变形，例如通过测量测压器内置铅块的塑性变形等.为了解决测压器的小体积和高精度之间的矛盾，第 4 页 共 45 页传感器与壳体的一体化设计是一个重要的探索方向。1.2 课题领域研究的现状随着微电子技术的发展，国外报道了利用存储器芯片作为信息载体的数字存储测试仪。20 世纪 90 年代传感器与微型电子记录仪组为一体的存储测试产品在国际上出现，如奥地利 AVL 公司于 1992 年推出了存储式电子测压器。放入式电子测压器是火炮膛压测试的专用仪器，在国内，有关科技人员也及时意识到了以数字存储为特征的新型测试方法的发展前景。中北大学（原华北工学院）采用自行设计的存储测
12、试专用厚膜集成电路，研制成功了用于火炮膛压测试的“放入式电子测压器” 。该放入式电子测压器由传感器、电路模块、电池、倒置开关、测压器壳体（包含前、后端盖、壳体及护膛环）及缓冲垫组成。图 1.1 内置式电子测压器实物图该放入式电子测压器壳体及前后盖采用超高强度钢制造，经过预热处理后达到额定强度，以保护传感器及电路模块在高温高压环境下不受损坏。压力传感器采用压电式压力传感器，其测量范围与工作频带满足要求。电路模块主要由电荷放大器、控制电路、模数转换电路、存储器等组成，用来对传感器输出的电荷的变化进行变换、放大及存储。电池为可充电聚合物锂电池。倒置开关为测压器的关键部件，采用双球式结构，可有效降低测
13、压器保温过程的损耗。在 GJB2870-97放入式电子测压器规范中从两个方面对放入式电子测压器进行了分类。按适应的压力范围分为 0MPa-400MPa 和 0MPa-800MPa 两类。随着科学技术的不断发展，放入式电子测压器的技术也在不断更新，近几年新研制的放入式电子测压器量程有所增加，体积有所减小。原来压力范围为0MPa-400MPa 的放入式电子测压器量程已增加到 0MPa-600MPa，体积减小到小第 5 页 共 45 页于 。而 0MPa-800MPa 的放入式电子测压器体积减小到小于 。新型放380cm 3102cm入式电子测压器操作规范的国军标正在制定中。放入式电子测压器的主要技
14、术指标如下：系统静态误差（ ）：2FS；2电荷放大器工作带宽：0.03Hz-100KHz；电荷放大器准确度：1.1FS；分辨率：12bit；采样频率：500KHz ，200KHz，100KHz（可编程设置） ；存储容量：128K；负延时点数：8K；触发方式：内触发；通信接口：并行打印口、USB 接口；工作温度：-40-55 ；耐瞬时高温：3000（40ms） ；上电方式：不保温时可手动上电，保温时倒置上电。利用放入式电子测压系统测压的方法兼具铜柱测压法和引线电测法（应变测压法，压电测压法，压阻测压法）的优点。放入式电子测压器既有与铜柱测压器相当的体积小，无引出线，使用方便的特点，又有与引线电测
15、法相当的测试精度高和可记录膛压- 时间曲线的能力，并可重复使用。它是一种理想的火炮膛内燃气压力测量装备 2。1.3 本论文所作的工作目前普遍应用的压电式传感器，其存在的问题是改造后的国产压电式高压传感器的性能不够稳定，进口传感器体积较大;并且压电式传感器零点漂移的问题严重影响测量精度。压电式压力传感器与壳体的一体化虽然可行，但在制造工艺上比普通的压电传感器更为困难，需要投入大量的人力物力进行研究，风险较大。(1) 研究方法本设计考虑到测压器壳体本身就是很好的弹性元件，如果把它作为压力敏感元件，通过测量壳体内壁的应变就可以实现压力的测试，即直接利用测压器的外第 6 页 共 45 页壳来作为应变式
16、压力传感器，代替压电式压力传感器。在测压器的内部固定一个小圆柱腔，令测压器外圆柱腔接地，内部小圆柱腔带上正电荷，则两者构成一个电容器。本文分析了这种传感器的静态特性、动态特性，选用 ETC 公司推出的一款微小电容测量芯片 XE2003 作为电容性传感器的接口电路，灵敏度高达200mVPF，对于差分的电容有线性响应，低漂移，低噪声，增益和失调可调。(2) 研究目标查阅资料利用已掌握的数据设计出内置式电容压力传感器的结构及该传感器的适配电路。(3) 研究内容本文结合内置式电子测压器的机构拟出电容压力传感器的具体方案。并对内置式电容压力传感器的壳体进行特性分析，通过计算相关参数，设计出内置式电容压力
17、传感器的结构。最后通过设计该传感器的适配电路，绘制出电路原理图。第 7 页 共 45 页2 电容式传感器的原理及特性2.1 传感器的工作原理内置式电容压力传感器测压系统原理框图如图 2.1 所示：电池倒置开关 控制电路模数转换器接口电路存储器传感器测量放大电路图 2.1 内置式电容压力传感器测压系统原理框图射击前，将电子测压器放于药筒底部。射击过程中，火药燃气压力作用在电容式压力传感器上。压力传感器测量电路将压力的变化转变为电容的变化，同时将电容变化转换为电压变化。再进行放大和滤波。放大电路的输出信号为模拟信号，该信号由模数转换器转换为数字信号后存入存储器中。射击结束后，将内置式电子测压器连接
18、到计算机上，通过计算机将内置式电子测压器存储器中的信号读出，根据电容式压力传感器和电荷放大器的灵敏度即可确定出被测压力的大小。2.2 壳体的力学分析本论文所设计内置式电容压力传感器将被用于测量火炮膛压，因此面临瞬态高温（3000） 、高压（800MPa）的恶劣环境。综合性能、价格等条件，壳体材料选用了l8镍马氏体时效钢，它的弹性模量 MPa，抗拉强度可达51086.E1000MPa，密度为 。满足壳体所需性能。3/10.8mkg弹性力学就是研究可变性固体在外力、温度变化和约束变动等作用下的弹性变形与应力状态的科学，所谓弹性就是指物体的应力和应变之间的对应关系，然而当外力未超过某一限度时，大多数
19、固体材料都具有弹性属性，都可以作为弹性敏感元件 3。该结构可以分为三部分：上端盖、下端盖和圆柱筒体。炮弹发射时产生的膛压使测压器的外部受到挤压产生形变，测压器壳体受力计算机第 8 页 共 45 页情况如图2.3所示。测压器壳体中部可以近似看作是厚壁圆筒。设a和b为其内半径和外半径，壳体在内部承受的压强p ，外部承受压强p = p的情况下，根据弹012性力学公式，计算壳体内壁的应力。图 2.2 圆柱筒体机械图对厚壁圆筒的横截面如图2.3所示，建立一个极坐标，则圆筒内壁在沿极径 图 2.3 承受外压力的测压器壳体示意图方向上所受的应力可用下式表示：2122 abprpabr （2.1） 而圆筒内壁
20、在沿极角方向上所受的应力可用下式表示：2122 abprpab（2.2） 第 9 页 共 45 页将假设条件p =0， ，r=a代入(2.l)、(2.2) 两式可得式(2.3)、(2.4)1p20ar（2.3） 21bapr（2.4） 又因为我们的测压器在其轴向上并非是无限长的。事实上，将测压器的体积做到很小是我们的目的。所以，测压器的内壁沿轴向方向上是有应力存在的且内壁沿轴向上也必有应变的。根据应力的定义式:AF（2.5） 其中F为圆筒外的作用力，A为作用力部分的面积。设圆筒轴向为Z 方向，则有圆筒内壁沿Z方向所受的应力为:221)(bapbarz （2.6） (2.4)、(2.6)式中的负
21、号表示应力为压力。再讨论应力引起的厚壁圆筒内壁的应变，)1(2baEpzlar （2.7） )1(2baEplzarz 第 10 页 共 45 页（2.8） 其中E表示弹性模量，它与厚壁圆筒的材料有关； 表示泊松比 4。根据现用的测压器壳体尺寸及相应的压力进行估算，可得到壳体内壁的环向应变接近5000 和轴向应变接近2000 。因为其环向应变较轴向应变大，有利于测量。通过比较我们决定利用其环向应变，设计一圆筒式电容传感器来测量膛压。本设计用弹性力学公式算出壳体内壁的应力，此外还讨论应力引起厚壁圆筒内壁的应变。然后根据测压器壳体尺寸及相应的压力进行估算，得到壳体内壁的环向应变和轴向应变。通过比较我们决定选择利用其环向应变还是轴向应变以设计传感器壳体。根据外部壳体产生的形变致使内外两壳体间的相对距离d改变，引入了电容传感器。2.3 电容式传感器的原理电容式传感器是将被测物理量的变化转换成电容变化的一类传感器。电容传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行极板组成，并且以空气为介质，如图 2.4 所示为平板电容器的结构。图 2.4 平板电容器两个金属板之间若忽略边缘效应，其电容为:scr0（2.9） 式中 S两平行极板覆盖的面积；两极板之间的距离；极板间介质的介电常数；
