文章目录

Accurate measurement of high-frequency blast waves through dynamic compensation of miniature piezoelectric pressure sensors
- 摘要
- 1. introduction
- 2.冲击波压力传感器结构的动态校准
- - 2.1. 冲击波传感器结构
  - 2.2.基于双膜激波管的动态校正试验
- 3.冲击波压力传感模块模型

Accurate measurement of high-frequency blast waves through dynamic compensation of miniature piezoelectric pressure sensors

原文是南京理工大学发表在三区期刊Sensors and Actuators A: Physical上的一篇文章
本文译给自己看，只是为了提高自己英文阅读水平。

摘要

为了抑制爆炸测试过程中的寄生效应的影响，设计了一种由压力传感器、附加机械结构及涂有硅脂的敏感面构成的冲击波压力测试结构。
如果传感器结构的动态特性不能符合线性测量的要求，将导致测量误差。
本文给出一种动态补偿方法，可以使所有部分的频率范围均可以正确覆盖被测冲击波压力信号。
通过对传感器组件的分析，我们知道附加机械结构和硅脂将在低频引入谐振。
低频谐振峰的幅度要远小于共振频率，这导致很难建立传感器模型来准确反映这个低频谐振峰。
因此，需要通过激波管进行动态矫正，通常认为冲击波压力信号频率范围为100kHz，本文给出一种不完全的(partial)模型，并建立对应的传感器模型。
在低频范围内，不完全模型比全带宽模型要更准确。
接下来给出这一种应用于高精测量的动态补偿方法。
在设计动态补偿滤波器时，传感器结构的所有零极点均作为影响因素进行了分析。
利用本文提出的动态补偿方法可以将传感器模块的工作带宽由14.5kHz补偿为120kHz。
通过比较由动态校准测得的阶跃响应信号，阶跃信号结果动态补偿滤波器后降低了其噪声和超调量。
进一步的，通过测试模拟冲击波压力信号的超压峰值，经过传感器模块输出结果的误差为16%，而经过动态补偿后降低为0.094%。
最后，利用提出的动态补偿方法对爆炸试验中的冲击波信号进行了准确测量。
测得的数据与标准值对比，传感器直接输出误差为13%，经过补偿后误差降为1.4%。

1. introduction

准确的冲击波压力测试对评估爆炸威力至关重要。由于复杂的冲击环境、陡峭的上升沿和极短的持续时间导致对冲击波压力信号的准确测量非常困难，同时意义重大。目前，爆炸测试主要使用电测方法，其传感器主要为压电传感器，由于其具有良好的过载荷能力和较宽的工作带宽。考虑到在爆炸测试时需要布置多达几十个测试点和超过一百米的线缆，通常选择带有电荷放大器的ICP传感器。

在爆炸测试中，由于爆炸产生的热冲击、机械冲击和振动导致的寄生影响，使测得信号包含有寄生干扰。为了抑制寄生影响，需要设计一种带有附加机械结构的压力传感器。冲击波压力传感器由压力传感器、附加机械结构单元和安装在敏感面之上的硅脂构成。由于整体结构等效质量和刚度的变化，导致了传感器灵敏度和动态特性发生改变。因此，压力传感器需要被重新校正并建立系统模型。这样我们才可以确定，传感器的工作带宽是否可以覆盖被测信号的频率。如果不能覆盖，我们需要对其进行补偿。

动态校准设备包括正弦压力发生器、落锤压力校准设备、准δ\deltaδ函数压力发生器和激波管等。选择哪种校准源通常由校准压力和带宽决定。对冲击波压力传感器进行校准时，最合适的校准设备为激波管。激波管输出的近似理想阶跃信号，其具备足够的带宽来覆盖所有压力传感器的谐振频率。因此，激波管被广泛应用于冲击波压力传感器的动态校准中。

根据动态校准数据，可以建立传感器动态模型。动态传递模型的准确性直接影响动态补偿结果。目前，常用的建模方法有传统线性系统建模方法，如最小二乘法、最大似然估计法等；以及非线性系统智能建模算法，如神经网络法和遗传算法等。其中，由于传感器由线性系统构成，有最小二乘法发展而来的CLS(SF)方法由于其具备易校准、快速收敛和高精度的优点被广泛应用于系统建模中。通过特殊白化滤波器转化模型噪声为高斯噪声可以得到一致无偏的估计参数。

动态补偿可以通过硬件或者软件两种方式进行实施。硬件方法受材料和科技的限制。作为对比，软件方法由于其灵活性和可靠性而发展的更好。软件方法可以分为动态误差校正和动态特性补偿两部分。其中，动态误差校正主要针对时域，通过输出信号对应计算实现；或通过频域校正方法，通过输出信号的传递函数并进行傅里叶逆变换得到正确的数据；完全叠加法（superposition integral method）。。。
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不翻译了，以上为逐字逐句翻译，一下为每段大体概括。

总之，本段介绍了一些传统建模方法。最后落脚在零极点配置法，广泛应用于线性系统的动态补偿中。

本段介绍了零极点方法，指出通常补偿方法对高频补偿效果好，但是传感器主要信息在低频，重点强调了低频补偿的重要性。后又简单说了零极点补偿方法的具体实施，又提出本文的方法，结合部分建模和零极点相消方法。

本段介绍文章结构，第二章介绍冲击波传感器结构；第三章介绍部分建模方法，并与全带宽建模进行比较；第四章对传感器系统进行分析，并使用零极点相消法构建补偿系统；第五章，上试验数据，对实测数据进行补偿。

2.冲击波压力传感器结构的动态校准

2.1. 冲击波传感器结构

在爆炸测试中，热冲击会导致传感器中压电晶体的温漂，同时，通过地面等传播过来的冲击波振动会影响传感器，这些都会形成信号叠加到最后的输出信号上。

为了抑制寄生影响，一个传感器结构由传感器、附加机械结构和硅脂构成。首先，为了抑制机械冲击和振动增加了附加机械结构。包含一个XY方向的减振环和两个Z轴向减振环，并通过锁紧环和固定螺栓进行固定。其中三个减振环都是由橡胶，其他为结构钢制作的非标件。并在表明涂0.3mm厚的硅脂进行保温。将传感器结构安装在测试盘内，并将测试盘用土掩埋使其固定且与地面齐平。具体结构和安装如图1所示。

2.2.基于双膜激波管的动态校正试验

使用双膜激波管，简单介绍双膜激波管结构和激波产生过程，并说了双膜的优点。

介绍试验条件：被校传感器型号PCB113B，涂有0.3mm硅脂，激波管高中低压室压力8MPa，4MPa和1MPa。薄膜为2mm厚铝板。测试系统结构和测得不行如图2所示。
为了进一步确定传感器附加系统的影响，做了3组对比试验，

单独传感器
传感器及机械结构
传感器、机械结构和硅脂层
结果如图3所示。
3.a显示传感器有两个谐振频率，120kHz和430kHz，其中120kHz由安装引入，430kHz为传感器固有频率。3.b显示有15kHz、120kHz和430kHz三个谐振频率。其中15kHz由传感器附加机械结构引入。3.c谐振频率由24kHz到230kHz范围，由附加机械和硅脂导致。通过对比abc，可以得到附加机械和硅脂导致谐振频率减小，工作带宽变窄。
因此应该对增加了机械结构和硅脂的传感器进行重新的动态校准。

3.冲击波压力传感模块模型

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