新型薄膜式压力传感器的参数设计

王昭 吴祖堂 杨军 李焰 刘文祥

王昭, 吴祖堂, 杨军, 李焰, 刘文祥. 新型薄膜式压力传感器的参数设计[J]. 爆炸与冲击, 2023, 43(7): 074102. doi: 10.11883/bzycj-2022-0392
引用本文: 王昭, 吴祖堂, 杨军, 李焰, 刘文祥. 新型薄膜式压力传感器的参数设计[J]. 爆炸与冲击, 2023, 43(7): 074102. doi: 10.11883/bzycj-2022-0392
WANG Zhao, WU Zutang, YANG Jun, LI Yan, LIU Wenxiang. Parameter design of a new thin-diaphragm pressure sensor[J]. Explosion And Shock Waves, 2023, 43(7): 074102. doi: 10.11883/bzycj-2022-0392
Citation: WANG Zhao, WU Zutang, YANG Jun, LI Yan, LIU Wenxiang. Parameter design of a new thin-diaphragm pressure sensor[J]. Explosion And Shock Waves, 2023, 43(7): 074102. doi: 10.11883/bzycj-2022-0392

新型薄膜式压力传感器的参数设计

doi: 10.11883/bzycj-2022-0392
基金项目: 国家自然科学基金(11872318)
详细信息
    作者简介:

    王 昭(1985- ),男,博士,副研究员,wangzhao@nint.ac.cn

    通讯作者:

    吴祖堂(1969- ),男,博士,正高级工程师,wuzutang@nint.ac.cn

  • 中图分类号: O384

Parameter design of a new thin-diaphragm pressure sensor

  • 摘要: 利用待测压力与薄膜加速度之间的正比例关系来获取冲击波反射超压峰值的新型测量方法已经得到初步实验验证,该方法具有无需标定、制作简单、成本低廉、测量精度高等优点。为优选薄膜式压力传感器的主要参数,并获取压力测量的不确定度,开展了数值模拟,分析了薄膜厚度、待测压力、拟合参数等因素对压力测量的影响。对薄膜的位移或速度信号进行了拟合处理,获得了冲击起始时刻薄膜的加速度,进而得到了待测压力峰值;将获得的压力与标准压力进行比对,得到了拟合时长、拟合多项式阶次、薄膜厚度等因素的优选值,并获得了薄膜式压力传感器的主要技术指标。另外,开展了激波管比对实验,验证了数值模拟的相关结论。
  • 图  1  薄膜式压力传感器的原理[12]

    Figure  1.  A principle of a thin diaphragm pressure sensor[12]

    图  2  阶跃压力产生模型

    Figure  2.  Generation model of step pressure

    图  3  某时刻的阶跃压力云图

    Figure  3.  Step-pressure distribution at a certain moment

    图  4  在0.2392 MPa入射压力作用下不同厚度薄膜的表面压力

    Figure  4.  Surface pressure of thin diaphragms with different thicknesses under the incident pressure of 0.2392 MPa

    图  5  在0.2392 MPa入射压力作用下不同厚度薄膜的运动速度

    Figure  5.  Velocity-time curves of thin diaphragms with different thicknesses under the incident pressure of 0.2392 MPa

    图  6  爆炸冲击波产生模型

    Figure  6.  Generation model of explosion shock wave

    图  7  某时刻爆炸产生的压力云图

    Figure  7.  Explosion shock wave pressure distribution at a certain moment

    图  8  爆心距54 mm处的入射冲击波压力和反射冲击波压力

    Figure  8.  Incident and reflected shock wave pressures at 54 mm away from explosion center

    图  9  爆心距54 mm处不同厚度薄膜的运动速度

    Figure  9.  Movement velocities of thin diaphragms with different thicknesses at 54 mm away from explosion center

    图  10  78.05 MPa阶跃压力下30 µm厚薄膜速度数据拟合获取压力的相对误差

    Figure  10.  Relative errors of pressure obtained from the velocity data of 30-µm-thick diaphragms under the step pressure of 78.05 MPa

    图  11  78.05 MPa阶跃压力下90 µm薄膜速度数据拟合获取压力的相对误差

    Figure  11.  Relative errors of pressure obtained from the velocity data of 90-µm-thick diaphragms under the step pressure of 78.05 MPa

    图  12  78.05 MPa阶跃压力下不同厚度薄膜速度数据拟合获取压力的相对误差

    Figure  12.  Relative errors of pressure obtained from the velocity data of the diaphragms with different thicknesses under the step pressure of 78.05 MPa

    图  13  4.619 MPa阶跃压力下不同厚度薄膜速度数据拟合获取压力的相对误差

    Figure  13.  Relative errors of pressure obtained from the velocity data of the diaphragms with different thicknesses under the step pressure of 4.619 MPa

    图  14  20.10 MPa爆炸冲击波下不同厚度薄膜速度数据拟合获取压力的相对误差

    Figure  14.  Relative errors of pressure obtained from the velocity data of diaphragms with different thicknesses under the shock wave pressure of 20.10 MPa

    图  15  光纤压力传感器的原始信号

    Figure  15.  The original signals of the optical pressure sensors

    图  16  参考压力传感器的数据波形

    Figure  16.  The signal of the reference pressure sensor

    图  17  厚度10和50 µm薄膜位移数据的二次拟合

    Figure  17.  Second-order polynomial fitting of displacement data for 10- and 50-µm-thick diaphragms

    表  1  不同待测压力下拟合参数的优选值及不同条件下拟合获得的压力与标准压力的相对误差

    Table  1.   Priority values of fitting parameters under different pressures to be measured and relative errors between the fitted pressures and the standard pressures under different conditions

    压力类型待测压力/MPa薄膜厚度/µm拟合起始时刻/µs速度数据拟合阶次拟合时长/µs相对误差/%
    阶跃型平台波0.510730~700~0.4 1, 20.8~1.2−0.80~0.047
    4.61930~900~0.4 20.8~1.2−0.84~0.051
    78.0550~900~0.4 20.8~1.2−1.36~1.05
    119770~900~0.1 20.6−2.81~−0.83
    爆炸波20.1030~900~0.1 20.8 0.01~1.66
    58.5550~900~0.0920.6−3.18~0.44
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-10
  • 修回日期:  2023-02-28
  • 网络出版日期:  2023-05-04
  • 刊出日期:  2023-07-05

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