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一種鐿計動態(tài)壓阻的測試方法

文檔序號:5873574閱讀:180來源:國知局
專利名稱:一種鐿計動態(tài)壓阻的測試方法
技術領域
本發(fā)明涉及動態(tài)超高壓力傳感器技術領域,具體涉及一種鐿計動態(tài)壓阻的測試方法。
背景技術
錳銅計和鐿計同屬于壓阻式壓力傳感器,主要用于測試爆炸、沖擊等條件下沖擊 波的瞬態(tài)高壓。錳銅計按初始電阻值大致分為兩種一種是靜態(tài)電阻為50Ω左右的雙 引線壓力計,與之配合工作的是脈沖恒壓源供電的橋式測量電路;另一種是靜態(tài)電阻為 0. 05-0. 5 Ω的低阻四引線壓力計,配合工作的是脈沖恒流源。錳銅計的低阻化主要是為了 減弱高壓力作用下傳感器封裝材料絕緣性能退化導致的旁路效應,使得低阻錳銅計可以測 試更高的壓力(>20GPa)。而鐿計由于高壓相變的因素,其量程限于4GPa以下。在該壓力 段,聚合物封裝材料沒有明顯的高壓旁路效應。因此,更適合于采用高阻值的壓力計,以增 大信號,降低干擾。但對于鐿計(無論高阻還是低阻)來說,當采用電橋法測量時輸出的電壓信號 (U AR/R的關系)會出現(xiàn)嚴重的非線性。這是由于鐿的靈敏度很高(約為錳銅計的30 多倍),AR/R可以高達400%,遠遠超過電橋的測試范圍。電橋法測量還存在著計算公式 復雜,調(diào)試麻煩等缺點。而如果不采用電橋,而直接用示波器讀取鐿計兩端的電壓(測試方法如圖1所 示),對于低阻鐿計是沒有問題的,見文獻滕林,楊邦朝,杜曉松等,磁控濺射鐿薄膜的制 備及壓阻特性,真空科學與技術學報,2004,24 (6) :472。但對于高阻鐿計,卻存在問題。由 于測量對象是瞬態(tài)脈沖信號,要求測試電路各部分阻抗匹配。盡管高阻鐿計的靜態(tài)電阻是 50 Ω,與同軸電纜是阻抗匹配的,但在壓力作用下,其電阻遠大于50 Ω,阻抗不再匹配,從而 出現(xiàn)電纜反射現(xiàn)象,如圖2所示。而對于低阻鐿計,由于電阻的絕對變化量只有數(shù)歐姆,不 會導致阻抗失配的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是如何提供一種鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,以解決阻抗 匹配的問題,并且能較大限度地保留傳感器的信號幅度。本發(fā)明所提出的技術問題是這樣解決的提供一種鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,其 特征在于,包括以下步驟①搭建測試線路將鐿計Rg和固定電阻R2并聯(lián)后,一端用同軸電纜接入示波器,一 端通過另一同軸電纜連接脈沖恒流源,并將鐿計Rg置于動態(tài)壓力測試裝置中;②壓力加載前,測試鐿計Rg的靜態(tài)電阻Rgtl以及固定電阻R2,則并聯(lián)電阻的初始值 R0
RgO + R2③動態(tài)壓力加載后,由示波器讀出壓力到達之前的平臺電位Vtl以及壓力到達之后的平臺電位Vp,受力后的并聯(lián)電阻Rp由(1)式求出 R γ 再根據(jù)⑵式由Rp求出受力后鐿計Rg的電阻Rgp ④在不同的動態(tài)壓力下,選取不同阻值的固定電阻R2 在壓力加載前根據(jù)壓力的 大小預估Rgp,再改變R2由(2)式求出Rp并使得Rp略小于阻抗失配的臨界值R&s。按照本發(fā)明所提供的鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,其特征在于,阻抗失配的臨界值R 由靜態(tài)模擬實驗確定用一個脈沖恒流源給一個50 Ω以上的固定電阻供電,然后將該電
阻兩端的電壓信號直接輸入示波器讀取,人工觸發(fā)脈沖恒流源,在示波器中觀察波形前沿, 如波形前沿是一個干凈的階躍信號,則阻抗匹配;如果波形前沿是臺階狀的,則阻抗不匹 配,出現(xiàn)了電纜反射。按照本發(fā)明所提供的鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,其特征在于,鐿計的靜態(tài)電阻Rgtl 的阻值范圍為20-70 Ω。按照本發(fā)明所提供的鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,其特征在于,脈沖恒流源的內(nèi)阻 R1 大于 IOkQ。按照本發(fā)明所提供的鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,其特征在于,動態(tài)高壓力測試裝 置是一級輕氣炮或平面波發(fā)生器。本發(fā)明的實質(zhì)是不再用示波器直接讀取鐿計上的信號,而是在鐿計上并聯(lián)一個固 定電阻后,讀取并聯(lián)后的信號。這樣盡管鐿計在壓力作用下電阻可以增大數(shù)倍,但是并聯(lián)電 阻的增大幅度得以大大縮小并限定在一個合適的范圍之內(nèi),不再出現(xiàn)阻抗失配的情況。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明是基于現(xiàn)有低阻鐿計測試方法上的改進,該改進簡單 易行,只需要多增加一個并聯(lián)電阻即可,從而實現(xiàn)了對高阻鐿計動態(tài)壓阻信號的測量。本發(fā) 明的鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,不僅可用于鐿計的標定,對于已經(jīng)標定好的鐿計,也可利用 該方法對未知壓力進行測試。需要說明的是,當所測壓力較低時,鐿計的電阻值Rgp沒有超 過電纜反射的臨界值Rfili時,無需采用并聯(lián)電阻的方法。


圖1為現(xiàn)有的低阻鐿計的測試方法;圖2為當采用低阻鐿計的測試方法時,高阻鐿計壓阻信號的電纜反射現(xiàn)象;圖3為本發(fā)明的高阻鐿計的測試方法;圖4為當采用本發(fā)明的測試方法時,高阻鐿計的測試波形。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述本發(fā)明的鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,由一個脈沖恒流源,一個鐿計Rg,一個固定電 阻&和一個高速示波器搭建測試線路,鐿計Rg的阻值范圍為20-70 Ω,脈沖恒流源的內(nèi)阻 R1大于IOk Ω,鐿計Rg置于動態(tài)高壓力測試裝置中,動態(tài)高壓力測試裝置是一級輕氣炮或平面波發(fā)生器,測試步驟如下①將鐿計Rg和固定電阻R2并聯(lián)后,再用50 Ω同軸電纜接入示波器;②壓力加載前,測試鐿計的靜態(tài)電阻Rgtl以及固定電阻R2,則并聯(lián)電阻的初始值
動態(tài)壓力加載后,
到達之后的平臺電位Vp,受力后的并聯(lián)電阻Rp由(1)式求出 R γ 再根據(jù)⑵式由Rp求出受力后鐿計的電阻Rgp ③在不同的動態(tài)壓力下,選取不同阻值的固定電阻R2,方法是在壓力加載前根據(jù) 壓力的大小預估Rgp,再改變R2由(2)式求出Rp并使得Rp略小于阻抗失配的臨界值Rfili,阻 抗失配的臨界值Rfili可由靜態(tài)模擬實驗確定,方法是用一個脈沖恒流源給一個50 Ω以上的 固定電阻供電,然后將該電阻兩端的電壓信號直接輸入示波器讀取,人工觸發(fā)脈沖恒流源, 在示波器中觀察波形前沿,如果前沿是一個干凈的階躍信號,說明阻抗匹配;而如果信號前 沿是臺階狀的,說明阻抗不匹配,出現(xiàn)了電纜反射。本發(fā)明所提供的測試方法不僅可用于鐿計的標定,對于已經(jīng)標定好的鐿計,也可 利用該方法對未知壓力進行測試。本發(fā)明的實質(zhì)是不再用示波器直接讀取鐿計上的信號,而是在鐿計上并聯(lián)一個固 定電阻后,讀取并聯(lián)后的信號。這樣盡管鐿計在壓力作用下電阻可以增大數(shù)倍,但是并聯(lián)電 阻的增大幅度得以大大縮小并限定在一個合適的范圍之內(nèi),不再出現(xiàn)阻抗失配的情況。但 是,并聯(lián)電阻法會犧牲鐿計的信號幅度。為此,為盡量保持大的信號而又不出現(xiàn)電纜反射, 應盡量選取大阻值的并聯(lián)電阻r2。R2的選取還與所測壓力的大小有關在小的壓力下,可選 擇的R2相對較大;而在較高的壓力下,可選擇的R2相對較小。下面用簡單的數(shù)學計算來說 明這個問題假設鐿計的靜態(tài)電阻Rgtl是50 Ω,電纜反射的臨界值是75 Ω。在壓力P1時,鐿計 的電阻增大到Rgp= 100 Ω,此時任何小于300 Ω的并聯(lián)電阻R2都可以避免電纜反射。假設 R2取300 Ω,壓力作用前的并聯(lián)電阻初始值Rtl為42. 86 Ω,壓力作用下的并聯(lián)電阻值Rp為 75 Ω,壓阻信號增大了 75/42 86-1 = 0 . 75倍,與鐿計本身的信號增大幅度1倍相比,并聯(lián)電阻 法保留了 75%的有效信號。而當采用50Ω的并聯(lián)電阻R2時,只能保留33. 3%的有效信號。 可見,在同一個壓力下,應盡量選擇大的并聯(lián)電阻R2。按上述方式可以計算出不同壓力下的最佳并聯(lián)電阻R2。假設當壓力增大到P2時, 鐿計的電阻增大到Rgp = 200 Ω,則最佳R2為120 Ω,壓阻信號增大了 75/35.29_1 = 1. 125倍, 與鐿計本身的信號增大幅度3倍相比,并聯(lián)電阻法僅能保留37. 5%的有效信號??梢姡S著 壓力的增高,最佳并聯(lián)電阻R2的取值變小,有效信號幅度收窄。盡管如此,由于高壓力下鐿 計自身的信號很強,信號的讀取完全沒有問題。實施例1首先需要確定產(chǎn)生電纜反射的臨界電阻值R&s。采用一個脈沖恒流源、一個固定電阻R2和一個IGHz高速數(shù)字示波器搭建如圖1所示的調(diào)試線路。脈沖恒流源的內(nèi)阻為 IOk Ω,脈寬130 μ S。最初R2選用100 Ω,手動觸發(fā)恒流源后,在示波器中觀察到了與圖2類 似的臺階信號,說明存在電纜反射。然后&換用一個75Ω的固定電阻,人工觸發(fā)后,在示 波器中呈現(xiàn)的是一個完整的方波信號,信號前沿沒有臺階,說明此時不會出現(xiàn)電纜反射。因 此將RfiIi確定為75 Ω。接下來是鐿計的壓阻信號測試,是對我們所制備的薄膜鐿計進行高壓標定實驗。 如圖3所示,采用一個脈沖恒流源、一個鐿計Rg,一個固定電阻R2和一個IGHz高速數(shù)字示 波器搭建測試線路。鐿計和固定電阻R2并聯(lián)后再用同軸電纜接入示波器。鐿計靜態(tài)電阻 為50 Ω左右,系首先用濺射然后用光刻法制備的柵型薄膜鐿計,基板和封裝材料都是聚酰 亞胺。動態(tài)壓阻的測試在一級輕氣炮中進行,將鐿計夾在兩片有機玻璃中間,用鋁飛片撞擊 產(chǎn)生動態(tài)壓力。圖4所示是其中一次有代表性的實驗結果。在該此實驗之前,準備給鐿計施加的 動態(tài)壓力為2GPa左右,鐿計的靜態(tài)電阻為46. 5 Ω,預估鐿計的電阻將增大約2. 5倍。因此 最佳的并聯(lián)電阻民應為130Ω左右,實驗中選取了一個101Ω的電阻,則并聯(lián)電阻初始值 Rtl為31.84Ω。實驗后測得真實的壓力值為1.87GPa。如圖4所示,所測得的波形完整,是 一個較為理想的類似于方波的信號,前沿沒有出現(xiàn)臺階狀的反射信號。壓力到達之前的平 臺電位V。為-1.03V,壓力到達之后的平臺電位VP*-1.89V,則由(1)式計算得到壓力作用 下并聯(lián)電阻Rp為58. 43 Ω,再由(2)式計算得到壓力作用下鐿計的電阻Rgp為138. 6 Ω,則 鐿計在壓力作用前后電阻的相對變化為1.98。
權利要求
一種鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,其特征在于,包括以下步驟①搭建測試線路將鐿計Rg和固定電阻R2并聯(lián)后,一端用同軸電纜接入示波器,一端通過另一同軸電纜連接脈沖恒流源,并將鐿計Rg置于動態(tài)壓力測試裝置中;②壓力加載前,測試鐿計Rg的靜態(tài)電阻Rg0以及固定電阻R2,則并聯(lián)電阻的初始值③動態(tài)壓力加載后,由示波器讀出壓力到達之前的平臺電位V0以及壓力到達之后的平臺電位Vp,受力后的并聯(lián)電阻Rp由(1)式求出 <mrow><mfrac> <msub><mi>R</mi><mi>p</mi> </msub> <msub><mi>R</mi><mn>0</mn> </msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>V</mi><mi>P</mi> </msub> <msub><mi>V</mi><mn>0</mn> </msub></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>再根據(jù)(2)式由Rp求出受力后鐿計Rg的電阻Rgp <mrow><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>R</mi><mi>p</mi> </msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>R</mi><mi>gp</mi> </msub></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>R</mi><mn>2</mn> </msub></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>④在不同的動態(tài)壓力下,選取不同阻值的固定電阻R2在壓力加載前根據(jù)壓力的大小預估Rgp,再改變R2由(2)式求出Rp并使得Rp略小于阻抗失配的臨界值R反射。FSA00000182246500011.tif
2.根據(jù)權利要求1所述的鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,其特征在于,阻抗失配的臨界值R 反射由靜態(tài)模擬實驗確定用一個脈沖恒流源給一個50Ω以上的固定電阻供電,然后將該 電阻兩端的電壓信號直接輸入示波器讀取,人工觸發(fā)脈沖恒流源,在示波器中觀察波形前 沿,如波形前沿是一個干凈的階躍信號,則阻抗匹配;如果波形前沿是臺階狀的,則阻抗不 匹配,出現(xiàn)了電纜反射。
3.根據(jù)權利要求1所述的鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,其特征在于,鐿計的靜態(tài)電阻Rgtl 的阻值范圍為20-70 Ω。
4.根據(jù)權利要求1所述的鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,其特征在于,脈沖恒流源的內(nèi)阻 R1 大于 IOkQ。
5.根據(jù)權利要求1所述的鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,其特征在于,動態(tài)高壓力測試裝 置是一級輕氣炮或平面波發(fā)生器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,其測試線路包括脈沖恒流源、鐿計Rg、固定電阻R2和高速示波器,鐿計Rg與固定電阻R2并聯(lián)后再用同軸電纜接入示波器,由示波器讀出壓力到達前后的平臺電位,并根據(jù)鐿計和固定電阻R2的初始值,計算得到壓力作用下鐿計電阻的改變;R2的取值原則是在壓力作用下,并聯(lián)后的電阻值不應超過電纜反射的臨界值;R2應盡量大,以保留信號的有效幅度;并且R2的取值還與壓力有關,壓力越高,R2的最佳取值越小。本發(fā)明的高阻鐿計動態(tài)壓阻的測試方法,線路和計算都很簡單,避免了阻抗不匹配而導致的電纜反射,解決了高阻鐿計不能測試較高壓力的問題。
文檔編號G01L23/10GK101887080SQ201010208478
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權日2010年6月24日
發(fā)明者曾貴, 杜曉松, 肖華, 胡佳, 蔣亞東 申請人:電子科技大學
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