介质与静压对激波管校准压阻式绝压传感器动态特性的影响

李博 黄楠 杨军 秦海峰 尹肖 张兆晶

李博, 黄楠, 杨军, 秦海峰, 尹肖, 张兆晶. 介质与静压对激波管校准压阻式绝压传感器动态特性的影响[J]. 爆炸与冲击, 2020, 40(5): 054101. doi: 10.11883/bzycj-2019-0309
引用本文: 李博, 黄楠, 杨军, 秦海峰, 尹肖, 张兆晶. 介质与静压对激波管校准压阻式绝压传感器动态特性的影响[J]. 爆炸与冲击, 2020, 40(5): 054101. doi: 10.11883/bzycj-2019-0309
LI Bo, HUANG Nan, YANG Jun, QIN Haifeng, YIN Xiao, ZHANG Zhaojing. Effects of medium and static pressure on dynamic characteristics of piezoresistive absolute pressure sensor calibrated by shock tube[J]. Explosion And Shock Waves, 2020, 40(5): 054101. doi: 10.11883/bzycj-2019-0309
Citation: LI Bo, HUANG Nan, YANG Jun, QIN Haifeng, YIN Xiao, ZHANG Zhaojing. Effects of medium and static pressure on dynamic characteristics of piezoresistive absolute pressure sensor calibrated by shock tube[J]. Explosion And Shock Waves, 2020, 40(5): 054101. doi: 10.11883/bzycj-2019-0309

介质与静压对激波管校准压阻式绝压传感器动态特性的影响

doi: 10.11883/bzycj-2019-0309
基金项目: 国家“十三五”技术基础项目(JSJL2015205B015)
详细信息
    作者简介:

    李 博(1990- ),男,硕士,工程师,libo@cimm.com.cn

  • 中图分类号: O354.5; TB935

Effects of medium and static pressure on dynamic characteristics of piezoresistive absolute pressure sensor calibrated by shock tube

  • 摘要: 激波管通常用于动态压力传感器的校准,压阻式绝压传感器在激波管校准过程当中,会出现谐振频率等动态性能指标随着激波管静态压力环境、气体介质变化而改变的情况,影响传感器动态特性的校准。基于压阻式传感器的工作原理,对传感器的敏感膜片结构进行了机理分析,建立了膜片结构与校准环境中介质和静压关系的动态模型;通过ANSYS与SIMULINK软件开展了数值模拟验证工作,模拟结果与理论推导一致。通过激波管校准实验验证了气体介质与静压的影响关系,结果表明:传感器的谐振频率与静压间存在非线性关系,并且随着敏感膜片径厚比的增大而显著增大;系统阻尼比大小与气体介质有关,随着气体密度的降低而升高;传感器的灵敏度与气体介质和静压无太大直接关系。在使用激波管校准压阻式绝压传感器时,应当考虑介质与静压参数对校准结果的影响。
  • 图  1  硅压阻式传感器结构示意图

    Figure  1.  Structural schematic diagram of silicon piezoresistive sensor

    图  2  周边固支圆平膜片剖面图

    Figure  2.  Cross-sectional profile of peripheral fixator diaphragm

    图  3  膜片建模坐标系

    Figure  3.  Coordinate system for modeling of diaphragm

    图  4  膜片位移模拟结果

    Figure  4.  Simulation results of diaphragm deformation

    图  5  ${C_0}/H$$R/H$和压力的变化规律

    Figure  5.  Variation of ${C_0}/H$ with $R/H$ and pressure

    图  6  ${{\left[ {f\left( p \right) - f\left( 0 \right)} \right]} / {f\left( 0 \right)}}$${R / H}$和压力的变化规律

    Figure  6.  Variation of ${{\left[ {f\left( p \right) - f\left( 0 \right)} \right]} / {f\left( 0 \right)}}$ with $R/H$ and pressure

    图  7  压力传感器膜片动力学模型

    Figure  7.  Dynamic model of pressure sensor diaphragm

    图  8  不同气体介质阶跃压力下膜片位移输出

    Figure  8.  Diaphragm deformation versus time under step pressure of different types of media

    图  9  负压激波管实验装置结构示意图

    Figure  9.  Structural schematic diagram of negative pressure shock tube test device

    图  10  激波管校准传感器的输出响应曲线

    Figure  10.  Output response curves of shock tube calibration sensors

    表  1  实验结果

    Table  1.   Experimental results

    实验绝对压力p1/kPa膜片厚度/mm平台时间/msΔp5/kPa传感器输出/mV灵敏度/(mV·kPa−1)谐振频率/kHz阻尼比系数
    1 3.60.1 8.7 2.6 5.892.26159.40.000 14
    2 3.60.1 8.7 2.5 5.682.27159.40.000 14
    3 3.40.1 8.6 2.2 5.122.32159.20.000 13
    4 12.80.110.1 3.6 8.232.28159.60.000 18
    5 33.90.110.7 5.112.032.35160.00.000 35
    6 33.90.210.2 7.517.232.30160.00.000 39
    7 33.80.3 9.813.230.432.31160.10.000 38
    8 33.90.6 8.521.548.782.27160.10.000 47
    9101.30.310.613.831.432.27162.50.000 89
    10101.30.312.613.931.272.25162.80.000 34
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  • [1] The Instrumentation, Systems, and Automation Society. A guide for the dynamic calibration of pressure transducers: ISA-37.16.01-2002 [S]. USA, 2002: 11−49.
    [2] 国家质量监督检验检疫总局. 动态压力传感器: JJG624-2005 [S]. 北京: 中国计量出版社, 2006: 1−13.
    [3] HJELMGREN J. Dynamic measurement of pressure—a literature survey: SP REPORT 2002: 34 [R]. Sweden: SP Swedish National Testing and Research Institute, 2002.
    [4] JIM L, DAN C. Dynamic pressure calibration: TN-15-0205 [R]. USA: PCB Piezotronics Technical Note, 2005.
    [5] 王文襄, 王冰, 邱江. 压阻式高频动态压力传感器与冲击波超压测量 [C] // 中国力学学会. 第十二届全国激波与激波管学术会议论文集. 洛阳, 2006: 299−304.
    [6] 杨凡, 孔德仁, 姜波, 等. 基于激波管校准的冲击波压力传感器动态特性研究 [J]. 南京理工大学学报(自然科学版), 2017, 41(3): 330–336.

    YANG F, KONG D R, JIANG B, et al. Dynamic characteristic of shock wave pressure sensor based on shock tube calibration [J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2017, 41(3): 330–336.
    [7] 葛竹, 马铁华, 杜红棉, 等. 不同驱动气体对激波管校准系统特性的影响分析 [J]. 中国测试, 2017, 43(8): 125–128. DOI: 10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.025.

    GE Z, MA T H, DU H M, et al. Effects of different driving gases on the characteristics of shock tube calibration system [J]. China Measurement & Testing Technology, 2017, 43(8): 125–128. DOI: 10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.025.
    [8] 刘珍妮, 谭晓兰, 杨峻松. 一种硅微压阻式压力传感器的研究 [J]. 机械设计与制造, 2012(1): 103–105. DOI: 10.3969/j.issn.1001-3997.2012.01.039.

    LIU Z N, TAN X L, YANG J S. Research on a micro piezoresistive pressure sensor [J]. Machinery Design & Manufacture, 2012(1): 103–105. DOI: 10.3969/j.issn.1001-3997.2012.01.039.
    [9] 袁希光. 传感器技术手册[M]. 北京: 国防工业出版社, 1986: 420−463.
    [10] 袁方超, 李舜酩. SiC压阻式压力传感器感应膜片热-结构耦合分析 [J]. 重庆理工大学学报, 2016, 30(1): 26–31. DOI: 10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.01.005.

    YUAN F C, LI S M. Thermal-structure coupling analysis of sensing diaphragm of piezoresistive silicon carbide pressure sensor [J]. Journal of Chongqing Institute of Technology, 2016, 30(1): 26–31. DOI: 10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.01.005.
    [11] 杨峻松, 谭晓兰, 刘珍妮, 等. 硅压阻式传感器的优化分析 [J]. 北方工业大学学报, 2011, 23(3): 29–36. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5477.2011.03.006.

    YANG J S, TAN X L, LIU Z N, et al. Analysis of index of silicon piezoresistance micro pressure sensor [J]. Journal of North China University of Technology, 2011, 23(3): 29–36. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5477.2011.03.006.
    [12] 严子林. 碳化硅高温压力传感器设计与工艺实验研究[D]. 北京: 清华大学, 2011: 11−18.
    [13] LI X, ZHANG L, YANG S M. Modeling of dynamic pressure measurement system and signal reconstruction by deconvolution [C] // Proceeding of International Symposium on Pressure and Vacuum (ISPV’2003). Beijing, 2003: 132−135.
    [14] BEAN V E, BOWERS W J, HURST W S, et al. Development of a primary standard for the measurement of dynamic pressure and temperature [J]. Metrologia, 1994, 30(6): 747–750. DOI: 10.1088/0026-1394/30/6/039.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-08-11
  • 修回日期:  2019-11-04
  • 刊出日期:  2020-05-01

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