高温环境下动态压力校准技术研究.docx

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1、 中北大学信息商务学院2011届毕业论文1 绪 论1.1 本课题的研究背景及其意义 在武器的研制和生产中，有许多研究对象需要测量的是随时间快速变化的瞬态温度，如枪炮膛内火药气体的温度，身管内外壁的瞬态温度，膛内气流温度，自动武器导气室内气体温度，火箭及导弹燃气射流温度，高能燃烧剂及静态破裂剂的燃烧温度，爆炸与爆轰温度，温压弹爆炸瞬间温度场，钻地弹侵彻过程弹头温度等等。这些瞬态温度的共同特点是温度高，变化快测量条件恶劣，常伴有高压或高速气流流动，多为不可重复一次性过程。因此，测量条件非常困难，技术难度很高。随着科学技术的发展和新技术的应用，特别是国防尖端科学技术的发展。我国以传统的静态计量测试技

2、术为主的情况，已远远不能满足当代技术发展的需求了。近年来，动态参数测试技术的迅速发展，已成为国外计量测试技术发展的最新动向之一，特别令人瞩目。为了确保动态参数测试准确可靠与统一，就要求在积极发展动态参数测试技术的同时，大力开展动态校准技术的研究。现代高技术战争中，精确制导武器的当量提高和大量使用，对国防工程、人防工程构成了严重威胁。为此，国内都在大力开展常规武器侵扯爆炸效应、岩土介质中爆炸地冲击、结构的抗爆性能等方面的研究。在这些研究中，压力是经常需要测试的力学参数之一29。压力的测试离不开传感器技术，传感器广泛应用于各个领域。利用传感器要获得准确的测量结果，就必须对传感器进行校准。 随着被测

3、信号如枪、炮膛压信号幅值的增大，高动压测试技术的发展遇到了一个突出的课题，就是解决高动压传感器与测试系统传输特性的校准和高动压下灵敏度的测定。由于此方面的问题没有得到较为满意的解决，使得高动压传感器研制和已有的高压传感器性能的评定以及测试结果的分析均受限 。对于压力传感器的频率响应特性，校准的幅度超过100MPa的技术，在国际上一直没有取得突破性的进展。由于高压传感器在其工作压力下的频率响应特性是研究高动压测试的关键，所以在高压下对传感器频率响应特性的校准成为国际上传感器研究的关键。 动态校准的目的是为了获得传感器的动态特性，包括动态数学模型和动态性能指标等，其首要问题是产生频带宽、幅值高的动

4、态激励信号。量程为100MPa至1000MPa的高压传感器在工程技术上有着广泛而重要的应用前景。压力传感器动态校准的测试方法很多，如激波管校准法、落锤式液压动态标定装置等。1.2 本课题的国内外研究现状及发展1.2.1国外研究现状 美国从50年代开始研究压力动态测试和校准的理论和方法，并取得了很大的成就。其落锤式校准装置的导轨高2.44m，锤重2.72kg29.48kg,用于校准液压压力传感器，峰值压力为(351406)10Pa，脉冲宽度为1ms12ms;AVL公司研制的B620落锤法动态压力标定系统，其标定范围是1000bar8000bar(1MPa=10bar),持续时间2.5ms。俄罗斯

5、建立了完整的动态压力量传体系，拥有多种动态压力校准设备。法国也建立了动态压力国家标准。美国从六十年代起开展了广泛的研究，颁布了ANSI B88.1-1972A Guide for the Dynamic Calibration of Pressure Transducers。图1.1德国PTB实验室的振动台力源示意图，它为一种典型的正弦激振力源。该力源的特点是输出稳态正弦激励信号，可通过扫频的方法得出力传感器的动态特性。 计算机 加速度计 电荷放大器 负载质量块 二次仪表 信号 分析仪 力传感器 电磁振动台 电荷放大器 功率 放大器 图1.1 德国PTB实验室稳态正炫激振力源装置示意图1.2.

6、2国内研究现状我国从二十世纪七十年代开始进行压力动态校准理论的研究，八十年代开始了高压动态校准理论的研究。航空部一院计量站于1979年建立了完整的激波管动压校准系统。八十年代初，洛阳工程兵研究所探讨了用炸药爆炸的高压激波管原理。八十年代初南京理工大学研制了落锤动压发生器，压力高达700Mpa,脉宽几毫秒。北京航空航天大学八十年代研制了水下爆炸产生准函数脉冲压力的装置，促进了动态压力校准技术的发展。中国气动中心于八十年代中建立了名义值为100MPa的高压激波管。1992年兵器工业部204所研制的100Mpa的高压激波管通过鉴定，它将成为兵器测试领域重要的动压校准装置。华北工学院对准校准理论进行了

7、研究并建立了校准装置。1989年太原机械学院对动态传感器准脉冲校准系统做了沉入研究。路宏年、刘仓理写的1GPa压力脉冲发生器的研究及锰铜压阻技术在低压宽脉冲测量中的应用一文中概述了已成功实现塔里500MPa，脉宽10微秒的动压发生器及用锰铜压阻传感器作为参考传感器的原理。 由中国计量科学研究院等单位研制的“100吨冲击力校准装置系统”，即基于脉冲式力源。脉冲式力源有各种脉冲类力信号，最典型的有半正弦信号、矩形信号等。其校准力传感器动态特性的原理是利用脉冲信号宽的幅频特性激发出力传感器的动态特性，从而达到校准力传感器的目的。1.2.3国内外研究发展 压力动态校准的目的是采用实验方法获得压力测量系

8、统的动态性能指标，主要是系统的频率特性或固有频率n，上升时间tr等动态性能指标。 目前用于压力传感器及测量系统的动态校准设备很多，根据产生压力波形的不同，校准设备可分为两大类:一类是正弦压力信号发生器，另一类是瞬变压力信号发生器。正弦压力信号发生器产生的压力信号呈周期变化。根据工作原理的不同一般分为四类:谐振空腔式、非谐振空腔式、阀门装置和喇叭式。谐振空腔式是设法使空腔内的气体产生谐振从而得到周期变化的压力，非谐振空腔的工作原理是压缩容器内的气体，得到周期变化的压力；阀门装置一般产生低频方波压力信号；喇叭式压力发生器通过正弦变化的电流产生同频率变化的磁场力从而带动空腔内的压力做正弦变化。四类装

9、置产生的信号有个共同特点，即只有在压力峰值小且频率低的情况下信号才能保持为良好的呈周期变换的正弦波或方波，当峰值较大、频率较高时，波形往往会产生畸变且变化不均匀。因此正弦压力信号发生器一般只能用于小压力或低频范围的标定。对于压力高达1OOMPa 1OOOMPa的动态压力，上述在中、低压下应用的动态校准方法是不适用的。利用压力较低的动态校准装置对高压测量系统进行动态特性的测定时存在严重问题:中、低压校准装置产生的激励信号，其压力值达不到高压系统压力量程的要求，激发不出系统在高压状态下存在的问题，得到的数据不能真实的反映系统在高压下的动态特性。高压测量系统必须要有相应的高压动态校准系统和校准方法。

10、高压测量系统常采用瞬变压力信号发生器。如高压气体激波管、准函数发生装置、落锤液压式半正弦压力信号发生器等，它们产生的是随时间变化的非周期压力信号。这些装置对高压系统的动态校准各有特色，适合于不同的情况、不同的场合。1.3本课题主要研究内容 本课题主要研究高压传感器的动态溯源性校准，压力传感器的动态溯源性校准指的是采用一个已知特性的压力激励源对被校传感器进行激励，得到被测传感器从零频至所要求的频率范围的频率响应特性，对零频进行溯源，即静态溯源，从而实现动态溯源。 溯源亦称溯源性，是通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准，通常是以国家计量标准或国际计

11、量标准联系起来的特性。计量法及有关法规、计量检定系统表、计量检定规程、计量技术规范等为量值传递和量值溯源提供了法制保障和技术文件支持。这里所说的溯源性就是量值溯源。量值溯源是对测量设备最基本得要求。利用测量设备进行测量必须是能够与国家测量基准直至国际测量基准建立量值溯源关系。量值溯源是量值传递的逆过程。量值传递是通过对计量器具体检定或校准，将国家基准所复现的计量单位量值通过各等级计量标准传递到工作计量器具，以保证对被测对象量值的准确和一致。 许多力学和热学量的溯源校准采用时域静态校准方法，例如压力校准，运用帕斯卡原理，活塞直径经过长度计量校准，砝码的质量经过质量计量校准，由该砝码和活塞在密闭液

12、压容器中产生的压强就溯源到国家计量基准，用这个经过溯源的压强来对压力计进行静态校准。 从频率域来研究，静态特性是指频率为零频时的特性，国家力学、热学量的计量基准都是静态的基准，如果某仪器系统其频率响应特性从零频至所需要的频率范围是平直的(在一定范围内)，则可通过静态校准的量值传递，得到该仪器系统的动态测量精度。这就是频域动态校准，准校准就是在频域进行的。因此，动态测量精度的溯源性校准问题可归结为对被校仪器进行溯源性静态校准和求得其频率响应特性两个问题。动态校准技术的首要问题是要有频带能充分覆盖被校传感器和测试系统模态的动态激励信号发生器，才能将被校传感器和测试系统的主要模态激发出来。2 动态校

13、准的相关理论2.1 动态校准的基本概念 动态测试是指待测参量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，也就是被测量为变量的连续测量过程。在国防及许多工业领域，需要进行各种动态参数的测量，如瞬变的压力、温度、应力波等，测试精度是动态测试的关键问题，它的深入研究与发展对新概念动态测试技术发展起着至关重要的作用。参量的校准是动态测试系统保证测试精度的有力措施之一，是进一步提高动态测试系统的精度的依据。系统的性能指标包括静态性能指标和动态性能指标。静态性能指标反映了系统的静态特性，包括线性度、重复性、迟滞等指标参数;动态性能指标通过时间域指标，如时间常数T、响应时间ts、上升时间tr等参数及频率域指标，如

14、工作频带等来反映系统的动态特性。在对测试系统进行特性分析时，只考虑静态性能指标是不行的。因为即使是两个静态性能相当的测试系统同时测量同一点的压力变化曲线时，得到的两条记录曲线通常也会相差非常悬殊。假设一单位阶跃压力信号同时通过两个二阶系统A,B。系统A和B的固有频率、阻尼比及静态灵敏度分别为nA=100Hz、A,=0.2，nB=1KHz、B=0.4， KA=KB=1，得到两系统的频响函数分别为: 其幅频特性和相频特性分别为: 通过仿真计算，可以得到两系统的阶跃响应曲线。如图2.1和2.2虽然两系统具有相同的静态灵敏度，但由于其动态性能指标不一样，产生的阶跃响应相差很大。 YA(j)=X(j)*

15、HA(j)*HA(j)X(j) X(t) XA(t)YB(j)=X(j)*HB(j)HB(j) XB(t) 图2.1 系统 A、B的幅频特性 图2.2 系统A、B的单位阶跃信号对于一个传感器测量系统，其幅频特性曲线如图2.3频率小于1时，这个传感器测得信号能准确反映被测信号;所示，当被测信号的频率在2附近时，传感器所测得的信号远远大于真实信号;而当被测信号的频率在3附近时，传感器测得的信号远远小于真实信号。因此在进行动态测量时，即便不考虑外界干扰，测量结果也存在动态误差Y(s)，即Y(s)=W (s)W (p)X (s)，式中W (s)是测量系统传递函数，X(s)为被测信号的拉氏变换。可见动态

16、误差与被测信号的频谱结构和测量系统的动态特性都有关。因此在动态测量时，如果不考虑传感器的动态性能指标，测得的信号与真实信号间将会出现极大的差异。对压力测量系统进行动态校准就是要获得系统的动态性能指标，并通过一定的动态补偿措施改善系统性能，使得被测信号的频谱密度函数集中在0S区间，以达到对信号的无失真测量。 图2.3 幅频特性曲线 传感器的校准是指利用一定等级的设备及仪器，产生已知的非电量（如标准压力、加速度、位移等）作为输入量，输入至待校准器中，得到传感器的输出量。然后将传感器的输出量与输入量作比较，从而得到一系列曲线，通过对曲线的分析处理，得到其动静态特性的过程。常用压力传感器的校准方法有两

17、类：一是静态校准，二是动态校准。另外，南京理工大学朱明武教授提出了准静态校准，是介于静态校准和动态校准之间。其方法为：用已知峰值的类似于被测冲击波压力信号的半正弦脉冲信号作用于被校系统之上以此确定系统的灵敏度。从频率上讲，静态校准是零频上的校准，动态校准则是某频带宽度内的校准。2.2 动态校准的装置火炮膛内测试装置是由传感器、电路模块、电池、倒置开关、测压器壳体(包含前、后端盖、壳体及护膛环)及缓冲垫组成的放入式电子测压器。由于测试时测试系统需要承受高温、高压和高冲击的恶劣环境。同时，传感器底座的变形、声学噪声、腐蚀物质和磁场、辐射、热冲击、冲击振动引起的传感器特性改变、电路特性的改变等都会引

18、起测试精度的降低，因此对于测试系统的动态校准就非常必要了。以下是放入式电子测压器动态校准系统。为了对放人式电子测压器进行模拟实际环境的动态校准，设计了放入式电子测压器应环境下动态校准装置，该校准系统如图2.4。 图2.4 放入式电子测压器动态校准系统其主体是模拟膛压发生器，实现对火炮膛压测试时实时环境的模拟。800MPa模拟膛压发生器是放人式电子测压器动态校准的主要设备。模拟膛压发生器装有3个标准传感器测压系统，内腔装被测电子测压器。3个标准传感器的测压孔均分布在一个 28mm的圆周上，电子测压器的测压孔在这个圆周内与标准传感器的测压孔相对。利用标准传感器电荷放大器高速数据采集系统组成的三套标

19、准测试系统实现了对放人式电子测压器模拟实际环境的动态校准。实验时用少量发射药(约1O0150g)在带膜片、喷管的模拟膛压发生器中点燃产生一个类似膛压曲线的压力一时间过程。被校准的测压器放在模拟膛压发生器内，模拟膛压发生器外接3个标准传感器，标准传感器测量的压力时间过程的信号经电荷放大器适配放大后由高精度瞬态波形记录仪转换记录，计算机读出被测测压器所测得的数据，与标准传感器所测数据比较，得出幅值灵敏度、动态误差、波型相关系数等参数。根据气体状态方程，火药燃烧产生的压力相当时，其温度也相当，因此，动态校准的过程能够比较准确地反映放入式电子测压器在炮膛内高温、高压环境下的动态特性。2.2.1信号发生

20、器高压测量系统常采用瞬变压力信号发生器。如高压气体激波管、准函数发生装置、落锤液压式半正弦压力信号发生器等，它们产生的是随时间变化的非周期压力信号。这些装置对高压系统的动态校准各有特色，适合于不同的情况、不同的场合。对于高压测试系统，除了要得到高频、高压范围内的频率特性外，还要分析系统的动态非线性情况。有许多系统在低压条件下具有较好的线性度，但当压力超过一定值时，线性度会严重降低，呈现出一定的非线性。系统的静态非线性测量采用分段加静压的标定方式得到。而动态非线性的测量则需要分段施加动态压力进行标定，且施加的压力必须达到一定的幅值，才能较好将这种非线性反映出来。因此，这种非线性特征必须通过高压信

21、号来激发，并且不同高压激发出来的特征值也会不一样。要全面了解高压测试系统的动态性能指标，即从零频到高频范围内的频率特性以及高压条件下的非线性参数，就需要一种具有丰富频率分量的高压信号作为激励源对系统产生激励。从第一章的介绍可以看出，无论是高压气体激波管、快速开启装置，还是准脉冲发生器和落锤装置，都不可能产生这样的信号。在本论文中，考虑将幅值约为1OOMPa的准冲激信号叠加幅值为200MPa500MPa的静态压力，形成幅值300MPa700MPa范围内的脉冲压力信号，激发系统高压动态特性，从而起到对上述多台校准装置实验数据融合方法的探讨进行论证的目的。 （1）高压气体激波管 测量系统的时域响应特

22、性是以阶跃响应曲线的某些特征值表示的。由于阶跃信号具有相当宽的有效频带，因此可以对高频响的压力传感器进行实验。 阶跃信号发生器按结构和工作原理一般分为两类。高压气体激波管是其中常见的一种。它的工作原理是用膜片将一个直管从中间隔为两段，设法使其中一段的压力高于另一段。破膜时产生的激波在气体中传播或者在刚性表面上反射就产生了压力的阶跃。气体激波管产生的稳定激波具有陡峭的前沿，较好的持续平台时间，所以此激励源可以视为理想的阶跃压力而相应的，作用在被校系统上产生的响应就是阶跃响应。再通过对输入输出信号的Fourier变换处理便可以得到系统的频率响应特性。 （2）快速开启装置 长城计量测试技术研究所的张

23、力等人研究了一种用十高压动态校准的快开阀装置。快开阀装置是另一类阶跃压力发生器。它的压力上升时间不如激波管快，但压力值可以较高。由于压力平台保持时间理论上可以无限长，幅值可以精确测量，幅值误差可比激波管小一个数量级，因而很适于高压传感器的频响特性和灵敏度校准。此类装置最大阶跃压力幅值可达35OMPa，上升时间为几十微秒到几毫秒。80年代末，BRI研制成功的快开阀装置最大阶跃压力幅值达1000MPa，但其上升时间较长，为毫秒量级。 它是利用液体作工作介质，高压室和低压室用一可快速打开的阀门隔开，高压室容积远大于低压室，被校传感器安装在低压室。阀门开启前低压室的压力接近于大气压力，通过高压油泵向高

24、压室加压至一定压力，此时快速开启阀门，低压室压力迅速上升，高低压室压力很快平衡十略低于高压室的初始压力。最后达到的稳态压力由于具有足够长的稳定时间，可以实现精确测量，其精度取决于数字压力计的测量精度。耐高压和良好的密封性是本装置所必须具备的条件。前者可满足一定的校准压力需要，后者可使开阀后达到的稳态压力维持较长的时间。 阶跃压力上升时间是本装置最重要的技术指标。阶跃压力上升时间越短，可校准的频率范围就越宽。阶跃压力上升时间取决于开阀速度、低压室结构及阀头结构。 （3）准函数发生装置 瞬变压力信号发生器中除了有产生阶跃信号的发生装置外，脉冲压力发生器也是其中一种。众所周知，如果测量系统的输入信号

25、是理想的冲击函数，则输出信号的Fourier变换就是系统的频响函数。然而实际上理想的冲击函数是无法得到的，只能用一种大幅度、窄脉宽的准函数近似代替。这类准函数发生装置结构简单，容易产生高的压力值，且可校准的高、低频率分量也很丰富，适合于高频高压传感器的动态校准。不足之处是当准函数作用结束后，某些传感器的输出要围绕零压进行振荡，会有相当幅度出现负值，即“负压”现象。由此得到的响应曲线丧失了真实反映系统特性的能力，而且这些传感器，特别是压电传感器还会因此遭到损坏。正是这种不足制约了准函数发生装置的使用范围和应用广度。 （4）落锤式液压动标装置 落锤式液压动标装置是直接利用落锤自由落体作用于液压系统

26、，将落体的动能在一个短时间内转化为压力能，从而获得一个类似于半正弦曲线的压力脉冲。此类装置又称为半正弦压力发生器。 这种半正弦信号的有效宽度较小，一般只有115ms，其上限频率又与脉宽成反比，通常lms脉宽的信号其带宽上限只有11.5KHz，因此不适合进行动态特性校准。但由于这类装置的特殊结构和工作原理，在对高频响测压系统的准静态校准、低频响测压系统的准动态校准和进行测压系统某些特性的摸底实验上具有广泛的应用。 动态校准的主要目的是要获得系统的动态特性。而动态校准的首要问题就是要有频带、幅值都满足一定要求的信号激励源。因此动态激励信号发生器的选择和设计就是重中之重了。 动态激励信号的频谱要充分

27、覆盖被校系统的全部模态，从而得到系统完整的模态特性。因此动态激励信号发生器必须能产生频带足够宽的激励信号，以便将被校系统的主要模态激发出来。 此外，信号发生器产生的激励信号在压力幅值方面也要满足一定的要求。第一章绪论中已提到，利用压力较低的动标装置对高压测量系统进行动态响应特性的测定时存在严重问题:由于测压系统的各个环节在高压下的非线性特征随着量程的增大而增大，在远低于量程的压力下测得的动态响应特性并不能真正代表实际工作压力下的特性，因此对于高压测量系统必须要有相应的高压动态校准系统和校准方法。2.3 压力动态校准方法 高压动态测量技术发展遇到的一个突出问题就是如何解决高压传感器与测试系统动态

28、特性的校准和在高压条件下动态灵敏度的测定。由高压校准装置的特点可知，激波管广泛应用在系统的动态特性校准方面，而测定系统的动态灵敏度常采用快速开启装置。针对两种装置在频率范围及压力范围的互补性，可探讨将二台装置对同一测压系统进行动态校准所获得的数据进行数据融合，以达到数据互补、去伪存真的效果，从而得到高压测量系统在更宽频率范围和压力范围内的数学模型。对于高压测试系统，除了要得到高频、高压范围内的频率特性外，还要分析系统的动态非线性情况。有许多系统在低压条件下具有较好的线性度，但当压力超过一定值时，线性度会严重降低，呈现出一定的非线性。系统的静态非线性测量采用分段加静压的标定方式得到。而动态非线性

29、的测量则需要分段施加动态压力进行标定，且施加的压力必须达到一定的幅值，才能较好将这种非线性反映出来。因此，这种非线性特征必须通过高压信号来激发，并且不同高压激发出来的特征值也会不一样。在激励信号的作用下，系统势必会产生一个响应。该响应反映出系统的一些特性。采用输入输出法，对激励信号与响应信号进行处理就能得到系统的频响函数。理论上任何满足要求的激励信号都可以用于分析系统的频率特性，然而采用那些特征不明显的任意信号进行分析，不仅工作复杂，甚至有可能得不到结果。因此，应尽可能使用 一些有特殊性质、分析方便的信号，如阶跃信号、冲激信号等特殊信号。2.3.1 准脉冲校准法函数，又名冲激函数，从数学角度讲

30、，它宽度无限小，幅值，积分面积为1，频谱从0均为恒值，是作为求取传感器响应的特性的理想激励。信号在物理上是无法实现的，但产生大幅值、窄脉宽的脉冲压力的方法是可行的。使用高压放电、高速冲击、爆炸等方法可得到脉冲宽度窄，近似于函数的压力脉冲。准信号是持续时间在微量级，幅值有限的信号。这类装置的优点是结构简单，但它们产生的压力脉冲波形难以确定，干扰也比较大。因此只适应做频响特性校准，不能进行幅值校准。若一波形任意的时限脉冲函数(t)，在一定频率范围内和任意给定的精度上与函数有近似的归一化幅相频谱，则称(t)为该精度上的准函数，或称准冲激、准脉冲。脉宽为微秒量级，幅值一定，物理上能够实现。它有3个特点

31、：准信号的频谱从零频开始，比较平缓；准信号波形对频谱影响很小；准信号的脉冲宽度越窄，得到的频谱就越平缓。传感器动态特性的评价指标是传感器的工作频带，实现传感器动态特性校准的关键是频域响应校准技术，国内外很多传感器的专家、学者支持这一点。要实现传感器的频域校准，必须借助准信号，因为准信号在一定频率范围内，其幅值特性可在一定的可接受的误差范围内保持平直性，这个频率范围只与脉冲的宽度有关，脉冲形状对频率范围的影响不大。为了在动态测量值上达到溯源，首先需要将传感器送到计量站进行静态溯源，得到精度较高的静态灵敏度，然后用准信号激励得到传感器的响应，计算得到传感器的频率响应函数()，除以()就得到相对于零

32、频的频率响应函数。由于零频得到溯源，所以传感器的动态频率响应特性也得到溯源。理论上若以理想的脉冲激励某系统，那么其响应就是该系统的冲激响应，且此响应的傅里叶变换为该系统的频响特性。因此，如果能实际产生近似的脉冲幷用它对传感器和测试系统进行激励，则对其响应作傅里叶变换，就可获得一定精度的传感器与测试系统的频响特性。从校准的意义上讲，其实质是以近似的作激励源，若称此近似的脉冲为准脉冲，则相应的动态校准方法称为准校准法。准校准的优越性准校准避开了传统的校准方法必须精确的已知激励波形的难点；使频率响应特性可校准的下限频率严格的达到零频，从而避开由静态灵敏度向动态灵敏度过渡的有效途径。准校准是在频域进行

33、的，称为频域校准技术。传感器动态特性的评价是传感器的工作频带，实现传感器动态特性校准的关键是频域响应校准技术。要实现传感器的频域校准，最好借助准信号，因为准信号在一定频率范围内，其幅值特性可在一定的可接受的误差范围内保持平直性，这个频率范围只与脉冲的宽度有关，脉冲形状对频率范围的影响不大。我们产生的准信号是持续时间在微秒量级，幅值有限信号。得到在准激励下的传感器输出信号及准脉冲，经过傅里叶变换，可直接求出传感器的频率响应特性。设准激励信号为(t)，其傅里叶变换为X()；被校准系统的输出为y(t)，其傅里叶变换为Y()；被校准系统的频率响应函数为H()，则就有： X()=F(t) Y()=F(y

34、(t) | H()|= |Y() | | X() |这样就可以得到传感器的幅频特性。很多传感器如振动传感器、压力传感器、加速度传感器等都可以近似等效为一个由运动质量块、弹性元件和阻尼器三者组成的单自由度二阶系统。如图所示：其中m表示运动质量块得质量；c表示阻尼器的阻尼系数；k表示弹性元件的刚度系数。传感器的频率响应特性的好坏主要取决于传感器的固有频率和阻尼比。当1，0+时输入信号不复存在，因此系统的输出是零状态响应。此输出就是冲激响应函数h(t)。借助冲激响应函数h(t)，利用卷积积分可以求得任意信号激励x(t)下系统的零状态响应y(t)。即y(t)=x(t) * h(t) =x(t)h(t-

35、)d。而系统的频响函数H (j)就是冲激响应函数h(t)的Fourier变换。所以对某一系统只要作用冲激函数，就可以直接对系统的输出作Fourier变换得到系统的频响函数。理论上冲激响应法能最直接、最方便的求得系统频响函数。但实际上，这种冲激信号很难在实验中得到，因此这种方法只在理论上具有价值。3 动态压力校准系统的设计动态校准的首要问题是动态激励信号发生器的设计。如第二章所述，采用准脉冲校准法应首先提供一种信号发生器，产生在一定频带上满足要求的高压准脉冲激励信号。3.1 准脉冲校准的原理本课题主要研究高压传感器的动态溯源性校准，压力传感器的动态溯源性校准指的是采用一个已知特性的压力激励源对被

36、校传感器进行激励，得到被测传感器从零频至所要求的频率范围的频率响应特性，对零频进行溯源，即静态溯源，从而实现动态溯源。溯源亦称溯源性，是通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准，通常是以国家计量标准或国际计量标准联系起来的特性。计量法及有关法规、计量检定系统表、计量检定规程、计量技术规范等为量值传递和量值溯源提供了法制保障和技术文件支持。这里所说的溯源性就是量值溯源。量值溯源是对测量设备最基本得要求。利用测量设备进行测量必须是能够与国家测量基准直至国际测量基准建立量值溯源关系。量值溯源是量值传递的逆过程。量值传递是通过对计量器具体检定或校准，将国家

37、基准所复现的计量单位量值通过各等级计量标准传递到工作计量器具，以保证对被测对象量值的准确和一致。 许多力学和热学量的溯源校准采用时域静态校准方法，例如压力校准，运用帕斯卡原理，活塞直径经过长度计量校准，砝码的质量经过质量计量校准，由该砝码和活塞在密闭液压容器中产生的压强就溯源到国家计量基准，用这个经过溯源的压强来对压力计进行静态校准。 从频率域来研究，静态特性是指频率为零频时的特性，国家力学、热学量的计量基准都是静态的基准，如果某仪器系统其频率响应特性从零频至所需要的频率范围是平直的(在一定范围内)，则可通过静态校准的量值传递，得到该仪器系统的动态测量精度。这就是频域动态校准，准校准就是在频域

38、进行的。因此，动态测量精度的溯源性校准问题可归结为对被校仪器进行溯源性静态校准和求得其频率响应特性两个问题。动态校准技术的首要问题是要有频带能充分覆盖被校传感器和测试系统模态的动态激励信号发生器，才能将被校传感器和测试系统的主要模态激发出来。3.2 准脉冲校准的基本概念 函数，又名冲激函数，从数学角度讲，它宽度无限小，幅值，积分面积为1，频谱从0均为恒值，是作为求取传感器响应的特性的理想激励。信号在物理上是无法实现的，但产生大幅值、窄脉宽的脉冲压力的方法是可行的。使用高压放电、高速冲击、爆炸等方法可得到脉冲宽度窄，近似于函数的压力脉冲。准信号是持续时间在微量级，幅值有限的信号。这类装置的优点是

39、结构简单，但它们产生的压力脉冲波形难以确定，干扰也比较大。因此只适应做频响特性校准，不能进行幅值校准。若一波形任意的时限脉冲函数(t)，在一定频率范围内和任意给定的精度上与函数有近似的归一化幅相频谱，则称(t)为该精度上的准函数，或称准冲激、准脉冲。脉宽为微秒量级，幅值一定，物理上能够实现。它有3个特点：准信号的频谱从零频开始，比较平缓；准信号波形对频谱影响很小；准信号的脉冲宽度越窄，得到的频谱就越平缓。下面通过理论分析验证上述准信号的结论和特点(程序省略)，经过计算，得出结论:（1）图3.1为不同脉宽的半正弦信号及对数频谱。其中，1号波形脉宽为5us，2号波形脉宽为8us，3号波形脉宽为10

40、us。可以看出，半正弦信号从零频到一定的频率范围幅频谱比较平直，而且脉宽越窄，对数频谱的平直段越长，即可校准的频率越高。（2）图3.2为不同波形的信号及其频谱。可以看出，当脉宽相同时，波形不同的信号的对数频谱，在可校准的范围内，相差很小，也就是说波形对于幅频谱的影响很小。（3）图3.3为不同幅值的半正弦波形及其对数频谱。经分析发现不同幅值的半正弦波形的频谱完全重合。本校准系统可以产生脉宽为8us的准信号，其对数频谱在OHz20kHz内为平直段，可校准的频率范围很宽，如图3.4所示。 图3.1 不同脉宽的半正弦信号及其对数频谱 图3.2 不同波形的信号及其频谱 图3.3 不同幅值的半正弦波形及其

41、对数频谱 图3.4 8us准信号及其频谱3.3 准脉冲校准的基本特点为了在动态测量值上达到溯源，首先需要将传感器送到计量站进行静态溯源，得到精度较高的静态灵敏度，然后用准信号激励得到传感器的响应，计算得到传感器的频率响应函数()，除以()就得到相对于零频的频率响应函数。由于零频得到溯源，所以传感器的动态频率响应特性也得到溯源。理论上若以理想的脉冲激励某系统，那么其响应就是该系统的冲激响应，且此响应的傅里叶变换为该系统的频响特性。因此，如果能实际产生近似的脉冲幷用它对传感器和测试系统进行激励，则对其响应作傅里叶变换，就可获得一定精度的传感器与测试系统的频响特性。从校准的意义上讲，其实质是以近似的

42、作激励源，若称此近似的脉冲为准脉冲，则相应的动态校准方法称为准校准法。准校准的优越性准校准避开了传统的校准方法必须精确的已知激励波形的难点；使频率响应特性可校准的下限频率严格的达到零频，从而避开由静态灵敏度向动态灵敏度过渡的有效途径。准校准是在频域进行的，称为频域校准技术。传感器动态特性的评价是传感器的工作频带，实现传感器动态特性校准的关键是频域响应校准技术。要实现传感器的频域校准，最好借助准信号，因为准信号在一定频率范围内，其幅值特性可在一定的可接受的误差范围内保持平直性，这个频率范围只与脉冲的宽度有关，脉冲形状对频率范围的影响不大。我们产生的准信号是持续时间在微秒量级，幅值有限信号。3.4 传感器的原理3.4.1 传感器的性能指标 性能指标一般分为两类即时域性能指标和频域性能指标。 时域性能指标包括瞬态性能