一种基于应变测量的放入式电子测压器设计

　　20世纪80年代初期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.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[1]. 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.在国内,华北工学院(原太原机械学院)祖静教授采用自行设计的存储测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”[2]. 1997年《放入式电子测压器规范》国军标正式颁布.

　　放入式电子测压器是火炮膛压测试的专用仪器.目前的电子测压器采用的是压电式传感器,压电式传感器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;并且压电式传感器存在着零点漂移的问题.由于放入式电子测压器体积小、结构紧凑,所以与一般的测压环境相比,压力传感器的安装特性有很大的不同.通过测量测压器内置铅块的塑性变形表明,在承压过程中测压器的壳体有较大的弹性变形.在整个外壳承受压力的环境下,压力传感器的安装特性与测压器的体积要求之间存在着矛盾.为了解决测压器的小体积和高精度之间的矛盾,传感器与壳体的一体化设计是一个重要的探索方向.压电式压力传感器与壳体的一体化在理论设计上虽然可行,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.换一个思路,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.这种应变式电子测压器构思的可行性需要考虑多方面的问题,如力学分析、制作工艺研究、静动态压力试验及校准等.本文对这种应变式的电子测压器进行了详细的分析设计.

　　1　理论分析

　　在此我们主要分析壳体受外压时内壁应变的灵敏度、壳体的固有频率以及应变的测量方案.

　　1.1　静态分析

　　测压器壳体受力情况如图1所示.测压器壳体中部可以近似看作是厚壁圆筒,在外部承受压力p的情况下,根据拉美公式[3],壳体内壁的应力为σr r=a= 0,

　　式中:E为材料的弹性模量;μ为泊松比.

　　代入现用的测压器壳体尺寸,估算在800 MPa的压力下,得到的壳体内壁的轴向应变约为2 000με,环向应变接近5 000με.

　　1.2　动态特性分析

　　壳体的轴向固有振动频率按空心圆柱计算,环向振动频率按照薄壁圆筒作最小的估算,计算公式如下