一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获方法及其装置

本发明属于冲击波压力测试领域，具体涉及一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获方法及其装置。

背景技术：

1、冲击波超压是防护工程结构抗爆实验的一项重要测量内容。目前在冲击波压力测试时，常用的压力传感器分为两种，分别为压电式压力传感器和压阻式压力传感器。但在测压过程中两种传感器受爆炸产生的光辐射、电磁辐射影响等较大，最终影响冲击波超压值的可靠性。

2、压阻式传感器具有灵敏度非常高、分辨率高、频响高且受爆炸时产生的震动影响不明显等优点，特别是其很高的固有频率以及很宽的动态响应范围，使其具有压电式式传感器不可比拟的优点，逐渐成为爆炸场冲击波超压测量的重要技术手段。与压电式传感器不同，常用压阻式传感器的敏感零件多为硅膜片，对红外到可见光范围的光辐射、电磁辐射和热冲击具有很强的敏感性，很容易受到爆炸产生的电磁辐射、光辐射和热冲击的干扰。

3、炸药爆炸、气体爆炸等过程中除产生冲击波以外，还在起爆过程中产生电磁辐射、光辐射、震动冲击等干扰因素。爆炸产生的光辐射和电磁辐射随距离的增大迅速衰减，故传感器在防护充分的中远场布置安装时，电磁波和光辐射可以得到很大程度的衰减，一般不会对冲击波测量信号产生影响。但在压力传感器近场布置的情况下，电磁波和光辐射信号会叠加到冲击波信号上，从而对冲击波压力的测量产生严重干扰，特别是作用时间较长的燃气等化学爆炸冲击波超压测量时，光、热等辐射影响更大，因此传感器输出的初始信号发生高频振荡，引起最终实测压力值产生误差甚至失真，极大地限制了压阻式压力传感器的使用场景。

4、中国发明专利200510037982.2公开了一种压阻式高频动态高压传感器的装置组成及原理，主要由压阻敏感组件、传感器基座、转接电路和引出电缆组成，解决了压力敏感膜片受力面直接齐平封装的问题，实现了动态高压测量时，对传感器具有高动态频响及极小的上升时间的要求。中国专利200510038458.7压阻式高频动态低压传感器的装置组成及原理，由压阻敏感组件、传感器基座、转接电路和引出电缆组成，是一种基于mems(microelectro mechanical system)硅体微机械加工技术的高频动态压阻低压传感器，特别适用于空气动力学试验(俗称风洞试验)、水利工程、航空航天、兵器试验、船舶等的动态压力测量，具有良好的动态频响性能。

5、以上两种装置及方法从一定程度上削弱电磁波及光辐射等效应的干扰及影响，但仍然无法消除近场布置传感器的情况下，在爆炸冲击波超压到达压阻敏感元件之前这一干扰对电压信号带来的影响(如图1方框内曲线)，对于此，一般情况下采取的方法是把负脉冲残余引起的基线下降改变的超压波起点，考虑进超压波的计算，显然，该方法存在一定的误差。压力传感器实测冲击波压力曲线如图1所示。

6、当前为了削弱电磁波等对传感器输出信号的影响，主流做法大致分为两种：一种是对传感器加防护膜，该方法会造成传感器的频响损失、动态性能的降低；另一种方法是在传感器力敏区表面涂抹凡士林、硅油等，但该方法会影响传感器的测量精度。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获方法及其装置。

2、为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

3、一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置，包括传感器封装壳体、信号放大模块、信号处理模块及电源模块，其中传感器封装壳体表面设有冲击波捕获装置，冲击捕获装置的输出端穿过传感器封装壳体与信号放大模块的输入端连接，所述冲击捕获装置采集电磁波信号、光辐射信号、热冲击信号和冲击波信号并分别传输给信号放大模块，其中冲击波捕获装置通过与信号放大模块正接反接的方式抵消收集的电磁波信号、光辐射信号以及热冲击信号，所述冲击波捕获装置的输出端穿过传感器封装壳体内部的部分通过填充硬度材料遏制部分冲击波信号的输出，所述信号放大模块的输出端接入所述信号处理模块的输入端，将冲击波信号放大后经过信号处理模块处理输出实际冲击波压力曲线，所述电源模块为信号放大模块和信号处理及输出模块供电。

4、优选地，所述压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置还包括硅膜片，硅膜片固定于传感器封装壳体表面，所述冲击波捕获装置嵌入在硅膜片中，冲击捕获装置两极的引线穿过传感器封装壳体与信号放大模块连接。

5、优选地，所述冲击波捕获装置包括两个镜像分布的压敏电阻，第一压敏电阻与信号放大模块反向连接，第二压敏电阻与信号放大模块正向连接，第一信号放大器和第二信号放大器的输出端分别接入信号处理模块的输入端。

6、进一步地，所述压敏电阻包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4按菱形连接连接方式连接为惠斯通电桥，其中，电源模块正极接入第一电阻r1和第四电阻r4的公共端，电源模块负极接入第二电阻r2和第三电阻r3的公共端，第一电阻r1和第二电阻r2的公共端与第三电阻r3和第四电阻r4的公共端作为输出端接入信号放大器放大模块的输入端。

7、进一步地，传感器封装壳体内部被信号放大模块连接的第一压敏电阻的输出端引线穿过的部分填充有硬度材料。

8、一种基于压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置的冲击波压力捕获方法，包括以下步骤

9、s1、压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置采集爆炸产生的电磁波、光辐射、热冲击正向电压信号和反向电压信号以及冲击波的正向电压信号；

10、s2、压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置将采集的电磁波、光辐射和热冲击信号的正向电压信号和反向电压信号放大，并将放大后的电磁波、光辐射以及热冲击的电压信号相互抵消；

11、s3、压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置将冲击波的正向电压信号放大并输出。

12、优选地，压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置中的第一压敏电阻内部填充有硬度材料，在采集正压冲击波的电压信号时无信号输出。

13、采用上述技术方案带来的有益效果：

14、本发明通过巧妙设计两组压敏电阻同时使用，重点在于其中一个传感器内侧完全填充硬度材料防止压敏电阻接触冲击波后向下变形而引起电阻阻值变化，但不影响电磁波及负压导致的压敏电阻向上变形而引起的电阻阻值的变化；另一侧传感器内测为空腔设置，正常接收冲击波信号。关键在于一组压敏电阻桥路电极接线需要正接，另一组电极需反接，由于电磁波传播速度远快于冲击波波阵面传播速度，因此它在几乎启爆的同时就到达了传感器的安装点，并在传感器传输电缆上通过电磁感应途径在传感器的信号输出线上直接叠加上它的信号。基于此，压敏电阻阻值微变化引起的输出电压经信号处理模块处理后正反相抵，从而达到消除因输出压力曲线震荡而影响最终实测压力值准确性的目的。

技术特征：

1.一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置，其特征在于，包括传感器封装壳体、信号放大模块、信号处理模块及电源模块，其中传感器封装壳体表面设有冲击波捕获装置，冲击捕获装置的输出端穿过传感器封装壳体与信号放大模块的输入端连接，所述冲击捕获装置采集电磁波信号、光辐射信号、热冲击信号和冲击波信号并分别传输给信号放大模块，其中冲击波捕获装置通过与信号放大模块正接反接的方式抵消收集的电磁波信号、光辐射信号以及热冲击信号，所述冲击波捕获装置的输出端穿过传感器封装壳体内部的部分通过填充硬度材料遏制部分冲击波信号的输出，所述信号放大模块的输出端接入所述信号处理模块的输入端，将冲击波信号放大后经过信号处理模块处理输出实际冲击波压力曲线，所述电源模块为信号放大模块和信号处理及输出模块供电。

2.根据权利要求1所述一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置，其特征在于，所述压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置还包括硅膜片，硅膜片固定于传感器封装壳体表面，所述冲击波捕获装置嵌入在硅膜片中，冲击捕获装置两极的引线穿过传感器封装壳体与信号放大模块连接。

3.根据权利要求1所述一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置，其特征在于，所述冲击波捕获装置包括两个镜像分布的压敏电阻，第一压敏电阻与信号放大模块反向连接，第二压敏电阻与信号放大模块正向连接，第一信号放大器和第二信号放大器的输出端分别接入信号处理模块的输入端。

4.根据权利要求3所述一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置，其特征在于，所述压敏电阻包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4按菱形连接连接方式连接为惠斯通电桥，其中，电源模块正极接入第一电阻r1和第四电阻r4的公共端，电源模块负极接入第二电阻r2和第三电阻r3的公共端，第一电阻r1和第二电阻r2的公共端与第三电阻r3和第四电阻r4的公共端作为输出端接入信号放大器放大模块的输入端。

5.根据权利要求3所述一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置，其特征在于，传感器封装壳体内部被信号放大模块连接的第一压敏电阻的输出端引线穿过的部分填充有硬度材料。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置的冲击波压力捕获方法，其特征在于，包括以下步骤

7.根据权利要求1所述的冲击波压力捕获方法，其特征在于，压阻式高抗干扰冲击波压力捕获装置中的第一压敏电阻内部填充有硬度材料，在采集正压冲击波的电压信号时无信号输出。

技术总结
本发明公开了一种压阻式高抗干扰冲击波压力捕获方法及其装置，由传感器封装本体、信号放大模块、信号处理模块及电源模块组成。所述传感器封装壳体内布置两组由压敏电阻、硅膜片组成的冲击波捕获装置，所述其中一侧内完全填充硬度材料，另一侧内为空腔。关键在于一组压敏电阻桥路电极接线需要正接，另一组电极需反接，由于电磁波传播速度远快于冲击波传播速度，因此其在启爆的同时就到达了传感器的安装点，并在传感器传输电缆上通过电磁感应途径在传感器的信号输出线上直接叠加上它的信号。基于此，压敏电阻阻值微变化引起的输出电压经信号处理模块处理后正反相抵，从而达到消除因输出压力曲线震荡而影响最终实测压力值准确性的目的。

技术研发人员：王孟进,张亚栋
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13