压电式压力传感器的光纤传输技术应用研究

　　[压电式压力传感器的光纤传输技术应用研究]:一、引言 内弹道试验研究的对象主要是炮管内的压力、炮口速度和作用时间（击发底火后到弹丸通过身管所需要的时间）。最主要的测量对象是压力，因为只有压力能表征内弹道的循环特性，从压力曲线可以得到火药…
　　一、引言
　　内弹道试验研究的对象主要是炮管内的压力、炮口速度和作用时间（击发底火后到弹丸通过身管所需要的时间）。最主要的测量对象是压力，因为只有压力能表征内弹道的循环特性，从压力曲线可以得到火药的火药力、压力冲量及火药的燃速等重要参量。火药气体压力首先从零开始迅速地增加到某一个最大峰值，然后，下降。整个过程的时间只有千分之几秒，而且，是一个非周期性的单次脉冲过程。因此，测量这种瞬变动态参数，压电式压力传感器的宽频响、高动态性能具有明显优势。
　　常规火炮发射平台的内弹道压力侧量是将用于膛压测量的压力传感器直接固定在膛壁上，输出的电荷信号经长低噪声电缆传输至电荷放大器，由电荷放大器转换成相应的电压信号，再通过长同轴电缆传输至数据采集系统。
　　在电热化学炮发射平台进行试验时，由于存在高电压、大电流的脉冲放电过程，会产生多种电磁干扰源。采用传统的测压方式容易将电磁干扰信号耦合到测压线中，影响测试精度。国外电热化学炮压力测量采用模拟光纤调频技术，由光纤将压力信号输出至数据采集设备，减少电磁干扰信号的耦合途径。国内有采用光电隔离方式、脉冲变压器隔离方式和现场存储方式等技术。现场存储型测压方式很好地解决了电磁干扰问题，但压力曲线的时间零点与其他参量没有统一的时间零点，给深人研究等离子体增强作用带来一定影响。
　　本试验室在电热炮膛压测量中，采用光纤传输测压方式测量膛压，既解决了电磁干扰问题，又实现了多参数时间零点统一。
　　二、原理与组成
　　光纤传输测压方式的现场采集发送模块由电荷放大器、模数转换器及电光转换器组成，完成4个转换过程：压力量转换为电荷量、电荷量转换为模拟电压量、模拟电压量转换为数字电压量，再经过电光转换，以光信号进行传输。远程接收模块由光电转换器、数模转换器组成，通过2个转换过程：光电转换和数模转换，将光信号转换为电压信号后，复原出模拟电压信号输出至数据采集系统。如图1所示。
　　压电式压力传感器利用石英晶体的压电效应，将火药气体压力的变化转换为电荷量的变化，即
　　Q=Kp（1）
　　式中Q为电荷量；K为压电式压力传感器灵敏度；P为被测火药气体压力。
　　电荷放大器将电荷量的变化转换为电压幅值的变化
　　式中Q为电荷量；A为电荷放大器灵敏度；U为数据采集系统所测得的电压值。
　　由（1），（2）两式可得到被测火药气体压力的计算公式
　　（一）压电式压力传感器
　　压电式压力传感器选用Kistler公司的6215型石英压力传感器。利用石英晶体的压电效应，可以把火药气体压力的变化转换为电荷量的变化，其测量范围为0-600MPa,灵敏度为14pC/MPa,固有频率＞240kHz；上升时间≤1μS。
　　（二）现场采集发送模块
　　现场采集发送模块包括电荷放大器、A/D转换器和光发射器，由电池供电。
　　电荷放大器完成2个功能：
　　1．将压电式传感器输出的微弱电荷信号按比例放大转换为相应的电压信号；
　　2．实现电平变换功能，使放大器输出电平范围达到A/D转换器输人范围的满标，减小相对误差。
　　A/D转换器将电荷放大器输出的模拟电压信号转换为14位数字电平信号，经并串转换移位电，由光发射器完成电光转换，通过光纤传输到接收部分。
　　[工业电器网-cnelc]（三）光纤
　　光纤金属介质材料，不导电，因而，不会产生，也不受外部电磁干扰的影响，能抗各种电磁干扰、射频干扰。光纤的基本材料二氧化硅，绝缘性能好，所用光波的波长超出普通电磁干扰波长的数个数量级，且光敏接收器件又有一定的波长范围，因此，电磁波很难耦合人光纤，叠加到光波上；即使有一些电磁波的叠加，也远不在光敏接收器件的波长范围内，因此，从诸多角度都说明：光纤是强电中信号传输的理想介质。光纤接头采用用户连接器（subscriberconnector，SC）——光纤连接器（opticalfiberconnector），螺纹连接具有良好的电磁屏蔽特性。
　　（四）光接收机
　　光接收机完成光电转换器和D/A转换器功能，恢复出原始的模拟信号，输出至数据采集系统。