测压铜球温度修正方法研究

　　1　引　　言

　　以塑性变形原理工作的铜球测压器具有价格低、使用方便、一致性好等优点,因而至今仍为世界各国作为兵器验收的主要手段。随着我国兵器工业的发展,特别是引进兵器项目的日益增加,这些引进的兵器大多是采用美国的铜球及铜球测压器进行膛压测量,对我国来讲用引进铜球测压是不具备溯源性的。为使铜球测压像其他测量仪器一样具备可溯源性,多年来我国开展了铜球及铜球测压器的研制工作。铜球测压的敏感元件——铜球的固体力学特性和温度有关,材料的动力实验表明,他们的瞬时应力随温度升高而降低。温度高,材料变软,在受同样压力作用下产生的塑性变形将偏大;反之,材料变硬,产生的塑性变形将偏小〔1〕。若测压时的环境温度与标定时的环境温度不一样,就会引入系统误差,这种误差可能高达8%～10%,因此必须对铜球测得的压力值进行温度修正。

　　测压铜球标定采用的是准动态标定〔2〕,即用经过标定的标准压电测压系统和铜球测压系统同时承受某个给定波形的瞬态压力脉冲作用,用压电测压系统测得的压力峰值对铜球的压后高进行标定,以使铜球压力反映真实的压力。目前国内外均在落锤液压动标装置上进行〔5〕,该装置产生的压力信号类似于半正弦波。

　　标定时,在该装置的压力发生器的油缸四周安装4只标准电测压力传感器及4只铜球测压器,可同时测出四只压力传感器的压力峰值及相应四个铜球的压后高。在编表时,为使查表压力的误差控制在2%以内,要求四只电测传感器的峰值压力相对偏差小于0.7%;为研究铜球温度影响,在压力发生器四周加装了保温箱,以形成恒温环境,同时保温箱内温度在温控设备的控制下可制造高温环境及低温环境。在铜球的测压量程中大致均匀地设定若干个压力,分别在+50℃,常温及-20℃的环境下对铜球进行准动态标定。根据得到的压力和铜球压后高数据对,运用多项式回归技术,可得到3种不同工作温度下的铜球压后高h对应压力p的回归方程,此方程是不同温度下压力与压后高的编表依据。

　　2　变形量修正及压力修正的无量纲相似比

　　铜球测压器的动态力学模型涉及到大变形弹性力学问题,要建立完善的力学——数学模型具有一定的难度。为探讨环境温度对铜球压力的修正关系,这里采用量纲分析及相似理论试图找出在铜球塑性测压过程中各物理量的影响关系。在铜球测压过程中涉及到以下物理量,测压器结构参量:活塞及铜球等效质量mk、活塞面积Sh;铜球的几何参量:铜球直径dc;铜球的力学参量;弹性模量E、反映铜球变形时的内耗阻尼系数C等;压力脉冲参数:峰压pm、压力上升时间τm;铜球在不同环境温度下,由于pm作用的压后高为hb,则其对应的变形量为dc-hb;环境温度θ。对于变形量修正应引入温度影响系数Kh,其单位为mm/℃,对于压力修正引入温度影响系数Kp,其单位为MPa/℃。上述相关物理量中,E表征了铜球弹性变形的特征量,这里实质是研究铜球的塑性变形,可不考虑E的影响;内耗阻尼系数C据相关资料介绍是一常值可不考虑。以变形量修正为例,描述铜球因环境温度变化的关系方程式中应有pm、τm、Sh、dc、dc-hb、mh、θ、Kh八个物理量,即有: