基于環(huán)境因子的火炮膛壓測試儀校準裝置

張 瑜，祖 靜，張紅艷，馬鐵華

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

放入式電子測壓器（以下簡稱測壓器）用于火炮膛壓測試，使用時放在藥筒底部或藥室內(nèi)［1］，自動測量射擊時火炮的膛底壓力，射擊試驗后回收讀取測試數(shù)據(jù)。它主要由壓電式壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集存儲電路、電池及高強度殼體組成。

目前，動態(tài)壓力測試系統(tǒng)的標定都是在實驗室條件下實施的。先用油壓標定機標定傳感器，得到傳感器的靈敏度系數(shù)（單位pC／MPa）；用電荷校準儀標定數(shù)據(jù)采集與存儲電路，得到電路靈敏度系數(shù)（單位pC／b）；再用電路靈敏度除以傳感器靈敏度，得到系統(tǒng)靈敏度（單位 MPa／b）。壓力傳感器的動態(tài)標定可以采用激波管校準法或落錘法［2］，激波管和落錘動壓發(fā)生器被美國軍方推薦為主要校準設(shè)備?，F(xiàn)有的動態(tài)壓力校準裝置只能對壓力傳感器進行校準，不能對測試系統(tǒng)整體進行校準，不考慮測試環(huán)境的影響。

用靜態(tài)標定的測壓器測量火炮膛壓，在彈重和裝藥量等條件相同的情況下測得的壓力峰值散布很大，根據(jù)彈丸初速以及銅柱測壓器所測壓力峰值數(shù)據(jù)可知實際火炮膛內(nèi)壓力不會有如此大的散布。分析其原因，主要是在實測過程中測壓器受到高溫、高壓、高沖擊和腐蝕等環(huán)境力的作用，其系統(tǒng)特性發(fā)生了改變，具體表現(xiàn)為傳感器底座的變形、熱沖擊等引起的傳感器特性改變，電路特性的改變等。為了提高膛壓測量精度，采用環(huán)境因子校準方法，對現(xiàn)有模擬膛壓發(fā)生器校準裝置進行了改進，建立了校準系統(tǒng)。

1 原校準裝置與環(huán)境因子校準思想

測壓器的校準原來使用模擬膛壓發(fā)生器校準裝置［3］，該裝置用來產(chǎn)生火炮發(fā)射時膛內(nèi)的高溫和高壓環(huán)境，產(chǎn)生的單次性壓力信號幅值在150～400 MPa，脈寬在10～50ms，上升時間小于2ms。現(xiàn)有的校準裝置操作復(fù)雜，產(chǎn)生的壓力幅值不能滿足800MPa量程測壓器的校準需要。該量程測壓器用于高膛壓火炮膛壓測試，高膛壓火炮的膛壓可達750MPa。因此急需改進模擬膛壓發(fā)生器校準裝置。

在動態(tài)參量的測試過程中，要求測試用的傳感器或測試儀器放置到被測體中或被測環(huán)境中，在被測體或被測環(huán)境實際運動的過程中實時實況地測取其動態(tài)參數(shù)［3］。測試系統(tǒng)將受到與被測對象相同的極端惡劣的環(huán)境力的作用。測試系統(tǒng)對測試環(huán)境激勵的響應(yīng)定義為環(huán)境因子。

測試精度是動態(tài)參量測試的關(guān)鍵問題，為了確保測試結(jié)果的準確、可靠，減小測試環(huán)境對測試系統(tǒng)精度的影響，文獻［4］最早提出了環(huán)境因子校準的概念，研究了壓電晶體壓力傳感器靈敏度在低溫環(huán)境下的變化規(guī)律。文獻［5］提出了在模擬應(yīng)用環(huán)境下校準測試系統(tǒng)的理念：通過研制環(huán)境模擬裝置，模擬實際測試環(huán)境，使測試系統(tǒng)在與其工作環(huán)境相同或相近的環(huán)境中進行校準，獲得其在實測環(huán)境下的工作特性。

2 校準系統(tǒng)的組成及工作原理

模擬應(yīng)用環(huán)境的校準系統(tǒng)組成如圖1、圖2所示，主要由模擬膛壓發(fā)生器、標準檢測系統(tǒng)及高低溫實驗箱組成。

圖1 模擬應(yīng)用環(huán)境的校準系統(tǒng)組成Fig.1 System composition of environmental factors alibration system for the internal electronic pressure gauge

圖2 標準壓力傳感器與被校準測壓器的安裝位置示意圖Fig.2 Installation diagram of standards pressure sensors and linternal electronic pressure gauge

改進后的模擬膛壓發(fā)生器產(chǎn)生的壓力信號幅值在80～800MPa，脈寬在10～20ms，上升時間小于2ms。

標準測壓系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、3個Kistler6215型電荷放大器、3個Kistler6213BK型標準壓力傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。3個標準壓力傳感器和3個電荷放大器一一配套后經(jīng)國防高壓計量一級站進行溯源性校準。標準測壓系統(tǒng)的基本誤差小于滿量程的0.05%。

高低溫實驗箱用來對被校準的測壓器進行保溫。在校準試驗前測壓器要按照火炮內(nèi)彈道試驗方法國軍標保高溫、低溫或常溫48h［6］。

測壓器的校準采用環(huán)境因子校準方法，模擬膛壓發(fā)生器是環(huán)境模擬裝置，實現(xiàn)對火炮膛壓測試時高溫高壓環(huán)境的模擬，能承受800MPa高壓和2 000℃瞬時高溫，在模擬膛壓發(fā)生器端部與測壓器相對的端蓋上安裝3個標準壓力傳感器，校準時預(yù)先將測壓器保溫48h，再迅速放入模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)，然后放入含有電點火頭、點火藥和發(fā)射藥的藥包，最后通過點火裝置點燃發(fā)射藥（約100～150g），這樣在模擬膛壓發(fā)生器的腔體內(nèi)產(chǎn)生了與火炮膛內(nèi)相似的高溫高壓環(huán)境，產(chǎn)生的壓力同時作用在標準壓力傳感器和被校準的測壓器上。標準壓力傳感器與測壓器同時采集信號，信號記錄完后，由計算機讀出測壓器數(shù)據(jù)。每個測壓器要在常溫、低溫、高溫條件下各校準8次，把測壓器數(shù)據(jù)和標準系統(tǒng)數(shù)據(jù)一起進行數(shù)據(jù)處理［4－5］，得到被校準測壓器的工作特性方程：y＝b＋k×x，其中：y是該保溫條件下某采樣點的壓力值，單位是MPa；b是該保溫條件下的截距，單位是MPa；k是該保溫條件下的靈敏度，單位是MPa／b；x是測壓器某采樣點的比特值，即AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量值。

表1 實測火炮膛壓信號的特征參數(shù)Tab.1 The character parameters of the real chamber pressure signals

表2 泄壓膜片厚度、裝藥量、最大壓力值對照表Tab.2 Comparison table of diaphragm plate、charge amounts and maximum pressure

3 模擬應(yīng)用環(huán)境校準的合理性分析

3.1 模擬膛壓發(fā)生器火藥燃燒與火炮實射膛壓過程對測壓器的作用具有相似性

表1是實測和調(diào)研獲得的各類炮種的壓力上升時間及壓力脈寬。從表1可以看出膛壓峰值小于600MPa，壓力上升時間最快的是1.3ms，大多數(shù)都在3～4ms內(nèi)。壓力持續(xù)時間在10～30ms內(nèi)。

通過改變泄壓膜片厚度和裝藥量可以使模擬膛壓發(fā)生器產(chǎn)生不同壓力幅值的壓力信號。表2是模擬膛壓發(fā)生器的泄壓膜片厚度、裝藥量與產(chǎn)生的最大壓力值之間的對照表。由表2可知，當裝藥量相同時，模擬膛壓發(fā)生器所產(chǎn)生的最大壓力值隨著膜片厚度的增加而增大。當膜片厚度相同時，最大壓力值隨著裝藥量的增加而增大。

圖3為加農(nóng)炮的實測膛壓曲線及頻譜特性，峰值壓力是288MPa，圖4為模擬膛壓發(fā)生器壓力－時間曲線及頻譜特性，峰值壓力是470MPa，上升時間1.82ms，脈寬14ms。比較模擬膛壓發(fā)生器產(chǎn)生的壓力曲線與實測火炮的膛壓曲線，可以看出兩者產(chǎn)生的壓力信號有效頻率均在5kHz以內(nèi)，壓力上升時間均在2～6ms內(nèi)，壓力信號的持續(xù)時間都在10～30ms之間。

圖3 加農(nóng)炮的膛壓曲線及頻譜特性Fig.3 The chamber pressure curve and spectrum curve of cannon

圖4 模擬膛壓發(fā)生器壓力－時間曲線及頻譜特性Fig.4 The pressure curve and spectrum curve of the simulation chamber pressure generator

模擬膛壓發(fā)生器火藥燃燒瞬態(tài)高溫對測壓器的作用與火炮發(fā)射時的作用相近。根據(jù)火藥氣體的狀態(tài)方程［7］，有

式（1）中，p為火藥燃燒產(chǎn)生的壓強；R為火藥氣體常數(shù)，R＝p0ω1／273；T為火藥燃燒的溫度；ω為火藥氣體的比容；b為火藥氣體的分子容積；p0為標準狀態(tài)一個大氣壓值1.033kg／cm2；ω1為標準狀態(tài)下1kg火藥燃燒生成物的容積。

由式（1）可以看出，火藥燃燒符合氣體狀態(tài)方程，溫度是壓力的線性函數(shù)。在模擬膛壓發(fā)生器中和火炮膛內(nèi)相近火藥示性數(shù)的火藥燃燒的過程中壓力相當時燃氣溫度對電子測壓器的作用也相當。因此，動態(tài)校準的過程能夠比較確切地反映測壓器在炮膛內(nèi)高溫高壓環(huán)境下的動態(tài)特性。

3.2 校準時3個標準系統(tǒng)與被校測壓器測量的是同一個局部環(huán)境的壓力過程

對同一動態(tài)過程進行測量，要求不同測試系統(tǒng)所測波形相似程度高，相對能量誤差小，即所測波形相關(guān)系數(shù)應(yīng)接近1。

1）3個標準系統(tǒng)所測壓力曲線與平均壓力曲線的相關(guān)系數(shù)在0.999以上。

式（2）中，xstmean為3個標準壓力的平均壓力曲線；xsti為3個標準壓力系統(tǒng)的壓力曲線，i＝1，2，3。

相關(guān)系數(shù)可以表示動態(tài)測量時相對誤差的大小，接近1則波形相似程度高，相對誤差?。唤咏?則波形相似程度低，相對誤差大。

從大量動態(tài)校準數(shù)據(jù)分析得出，校準系統(tǒng)中的3套測試系統(tǒng)彼此間的相關(guān)系數(shù)最低為0.999 93，波形相似程度極高，說明測試系統(tǒng)相對動態(tài)誤差很小，3套標準系統(tǒng)受同一壓力源激勵。

2）被校準測壓器所測壓力曲線與標準系統(tǒng)的平均壓力曲線的相關(guān)系數(shù)在0.999以上。

對于測壓器的校準，不僅要求3套標準系統(tǒng)間應(yīng)具有良好的相關(guān)性，而且要求3套標準系統(tǒng)所測壓力值的平均壓力曲線和被校準測壓器所測壓力曲線間具有良好的相關(guān)性。

式（3）中，ycald（t）為被校準測壓器的輸出信號，xcald（t）為解算出的被校準測壓器壓力信號。

從大量動態(tài)校準數(shù)據(jù)分析看出，3套標準系統(tǒng)所測壓力值的平均壓力曲線和被校準測壓器所測壓力曲線相關(guān)系數(shù)最低為0.999 4。

3.3 標準系統(tǒng)的溯源性校準

3套標準測壓系統(tǒng)經(jīng)過到高壓力計量一級站進行靜態(tài)特性的溯源，由于傳感器是整個標準測試系統(tǒng)中動態(tài)特性最差的薄弱環(huán)節(jié)，因此標準測試系統(tǒng)動態(tài)特性溯源校準的關(guān)鍵就是壓力傳感器的動態(tài)溯源校準，傳感器的動態(tài)校準采用準δ校準方法。采用自行研制的準δ校準裝置對標準傳感器的動態(tài)特性進行了測定［8－9］，得到了壓力傳感器的頻率響應(yīng)特性。用這樣經(jīng)過動態(tài)特性溯源性校準的標準系統(tǒng)在模擬火炮膛內(nèi)環(huán)境中來校準測壓器，能夠確保測壓器的測試精度。

3.4 提高測壓器可靠性

測壓器在校準前要在高溫或低溫實驗箱內(nèi)保溫48h，然后再校準其低溫和高溫的系統(tǒng)靈敏度。這樣就避免了環(huán)境溫度變化對測壓器性能的影響。每一個電子測壓器要經(jīng)過24次以上的動態(tài)校準試驗，校準實驗也能夠?qū)ζ淇煽啃赃M行考核，可有效剔除測壓器的早期失效，及時發(fā)現(xiàn)和剔除不合格產(chǎn)品，確保了測壓器在實際使用中不出現(xiàn)可靠性問題。

4 對比試驗

表3中列出了同一個測壓器用靜態(tài)標定方法和模擬應(yīng)用環(huán)境校準方法獲得的靈敏度系數(shù)，靜態(tài)環(huán)境下校準的測壓器常低溫靈敏度系數(shù)與模擬應(yīng)用環(huán)境校準的測壓器常低溫靈敏度系數(shù)不相同，有的甚至相差很大，但總的趨勢是模擬應(yīng)用環(huán)境校準的靈敏度系數(shù)中k值都比在靜態(tài)環(huán)境相同溫度條件下校準的靈敏度系數(shù)的k值小。

經(jīng)過模擬應(yīng)用環(huán)境校準的測壓器在靶場火炮上進行了膛壓測試，測試數(shù)據(jù)見表4。用靜態(tài)標定方法標定的測壓器的測試數(shù)據(jù)散布較大，根據(jù)彈重、彈丸初速以及銅柱測壓器所測壓力峰值分析得出實際火炮膛內(nèi)壓力不會有如此大的散布。經(jīng)模擬應(yīng)用環(huán)境校準的測壓器測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，散布小，置信度高。

表3 靜態(tài)校準和模擬應(yīng)用環(huán)境校準獲得的測壓器靈敏度系數(shù)對比Tab.3 The sensitivity contrast between static calibration method and environmental factors calibration method

表4 實炮測試數(shù)據(jù)Tab.4 Real gun test data

5 結(jié)論

本文提出了改進的模擬膛壓發(fā)生器校準裝置。該校準系統(tǒng)由模擬膛壓校準裝置、標準檢測系統(tǒng)及高低溫實驗箱組成，采用環(huán)境因子校準方法，可對火炮膛壓測試儀實施校準。能夠模擬火炮發(fā)射時炮膛內(nèi)的高溫和高壓環(huán)境，產(chǎn)生單次性壓力信號。利用建立的校準系統(tǒng)對測壓器實施了校準，這種校準是在與實際使用環(huán)境相同的高壓、高溫環(huán)境下進行的動態(tài)校準，校準得到的系統(tǒng)工作特性更能代表其在實測環(huán)境下的工作特性。理論分析與對比試驗結(jié)果表明：測壓器在模擬應(yīng)用環(huán)境下校準的方法是合理的，靜態(tài)標定方法和模擬應(yīng)用環(huán)境校準方法獲得的測壓器靈敏度系數(shù)不同，實炮測試數(shù)據(jù)表明經(jīng)模擬應(yīng)用環(huán)境校準后的測壓器測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，置信度高。能夠為身管武器的設(shè)計、生產(chǎn)和驗收實踐提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。這種校準方法也可以推廣應(yīng)用到其他動態(tài)測量系統(tǒng)。

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