专利名称：一种镱计动态压阻的测试方法
技术领域：
本发明涉及动态超高压力传感器技术领域，具体涉及一种镱计动态压阻的测试方法。
背景技术：
锰铜计和镱计同属于压阻式压力传感器，主要用于测试爆炸、冲击等条件下冲击 波的瞬态高压。锰铜计按初始电阻值大致分为两种一种是静态电阻为50Ω左右的双 引线压力计，与之配合工作的是脉冲恒压源供电的桥式测量电路；另一种是静态电阻为 0. 05-0. 5 Ω的低阻四引线压力计，配合工作的是脉冲恒流源。锰铜计的低阻化主要是为了 减弱高压力作用下传感器封装材料绝缘性能退化导致的旁路效应，使得低阻锰铜计可以测 试更高的压力(>20GPa)。而镱计由于高压相变的因素，其量程限于4GPa以下。在该压力 段，聚合物封装材料没有明显的高压旁路效应。因此，更适合于采用高阻值的压力计，以增 大信号，降低干扰。但对于镱计(无论高阻还是低阻)来说，当采用电桥法测量时输出的电压信号 (U AR/R的关系)会出现严重的非线性。这是由于镱的灵敏度很高(约为锰铜计的30 多倍)，AR/R可以高达400%，远远超过电桥的测试范围。电桥法测量还存在着计算公式 复杂，调试麻烦等缺点。而如果不采用电桥，而直接用示波器读取镱计两端的电压(测试方法如图1所 示)，对于低阻镱计是没有问题的，见文献滕林，杨邦朝，杜晓松等，磁控溅射镱薄膜的制 备及压阻特性，真空科学与技术学报，2004，24 (6) :472。但对于高阻镱计，却存在问题。由 于测量对象是瞬态脉冲信号，要求测试电路各部分阻抗匹配。尽管高阻镱计的静态电阻是 50 Ω，与同轴电缆是阻抗匹配的，但在压力作用下，其电阻远大于50 Ω，阻抗不再匹配，从而 出现电缆反射现象，如图2所示。而对于低阻镱计，由于电阻的绝对变化量只有数欧姆，不 会导致阻抗失配的情况。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种镱计动态压阻的测试方法，以解决阻抗 匹配的问题，并且能较大限度地保留传感器的信号幅度。本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种镱计动态压阻的测试方法，其 特征在于，包括以下步骤①搭建测试线路将镱计Rg和固定电阻R2并联后，一端用同轴电缆接入示波器，一 端通过另一同轴电缆连接脉冲恒流源，并将镱计Rg置于动态压力测试装置中；②压力加载前，测试镱计Rg的静态电阻Rgtl以及固定电阻R2,则并联电阻的初始值 R0
RgO + R2③动态压力加载后，由示波器读出压力到达之前的平台电位Vtl以及压力到达之后的平台电位Vp，受力后的并联电阻Rp由(1)式求出 R γ 再根据⑵式由Rp求出受力后镱计Rg的电阻Rgp ④在不同的动态压力下，选取不同阻值的固定电阻R2 在压力加载前根据压力的 大小预估Rgp，再改变R2由(2)式求出Rp并使得Rp略小于阻抗失配的临界值R&s。按照本发明所提供的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，阻抗失配的临界值R 由静态模拟实验确定用一个脉冲恒流源给一个50 Ω以上的固定电阻供电，然后将该电
阻两端的电压信号直接输入示波器读取，人工触发脉冲恒流源，在示波器中观察波形前沿， 如波形前沿是一个干净的阶跃信号，则阻抗匹配；如果波形前沿是台阶状的，则阻抗不匹 配，出现了电缆反射。按照本发明所提供的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，镱计的静态电阻Rgtl 的阻值范围为20-70 Ω。按照本发明所提供的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，脉冲恒流源的内阻 R1 大于 IOkQ。按照本发明所提供的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，动态高压力测试装 置是一级轻气炮或平面波发生器。本发明的实质是不再用示波器直接读取镱计上的信号，而是在镱计上并联一个固 定电阻后，读取并联后的信号。这样尽管镱计在压力作用下电阻可以增大数倍，但是并联电 阻的增大幅度得以大大缩小并限定在一个合适的范围之内，不再出现阻抗失配的情况。本发明的有益效果本发明是基于现有低阻镱计测试方法上的改进，该改进简单 易行，只需要多增加一个并联电阻即可，从而实现了对高阻镱计动态压阻信号的测量。本发 明的镱计动态压阻的测试方法，不仅可用于镱计的标定，对于已经标定好的镱计，也可利用 该方法对未知压力进行测试。需要说明的是，当所测压力较低时，镱计的电阻值Rgp没有超 过电缆反射的临界值Rfili时，无需采用并联电阻的方法。
图1为现有的低阻镱计的测试方法；图2为当采用低阻镱计的测试方法时，高阻镱计压阻信号的电缆反射现象；图3为本发明的高阻镱计的测试方法；图4为当采用本发明的测试方法时，高阻镱计的测试波形。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述本发明的镱计动态压阻的测试方法，由一个脉冲恒流源，一个镱计Rg，一个固定电 阻&和一个高速示波器搭建测试线路，镱计Rg的阻值范围为20-70 Ω，脉冲恒流源的内阻 R1大于IOk Ω，镱计Rg置于动态高压力测试装置中，动态高压力测试装置是一级轻气炮或平面波发生器，测试步骤如下①将镱计Rg和固定电阻R2并联后，再用50 Ω同轴电缆接入示波器；②压力加载前，测试镱计的静态电阻Rgtl以及固定电阻R2,则并联电阻的初始值
动态压力加载后，
到达之后的平台电位Vp，受力后的并联电阻Rp由(1)式求出 R γ 再根据⑵式由Rp求出受力后镱计的电阻Rgp ③在不同的动态压力下，选取不同阻值的固定电阻R2，方法是在压力加载前根据 压力的大小预估Rgp,再改变R2由(2)式求出Rp并使得Rp略小于阻抗失配的临界值Rfili，阻 抗失配的临界值Rfili可由静态模拟实验确定，方法是用一个脉冲恒流源给一个50 Ω以上的 固定电阻供电，然后将该电阻两端的电压信号直接输入示波器读�。斯ごシ⒙龀搴懔髟矗� 在示波器中观察波形前沿，如果前沿是一个干净的阶跃信号，说明阻抗匹配；而如果信号前 沿是台阶状的，说明阻抗不匹配，出现了电缆反射。本发明所提供的测试方法不仅可用于镱计的标定，对于已经标定好的镱计，也可 利用该方法对未知压力进行测试。本发明的实质是不再用示波器直接读取镱计上的信号，而是在镱计上并联一个固 定电阻后，读取并联后的信号。这样尽管镱计在压力作用下电阻可以增大数倍，但是并联电 阻的增大幅度得以大大缩小并限定在一个合适的范围之内，不再出现阻抗失配的情况。但 是，并联电阻法会牺牲镱计的信号幅度。为此，为尽量保持大的信号而又不出现电缆反射， 应尽量选取大阻值的并联电阻r2。R2的选取还与所测压力的大小有关在小的压力下，可选 择的R2相对较大；而在较高的压力下，可选择的R2相对较小。下面用简单的数学计算来说 明这个问题假设镱计的静态电阻Rgtl是50 Ω，电缆反射的临界值是75 Ω。在压力P1时，镱计 的电阻增大到Rgp= 100 Ω，此时任何小于300 Ω的并联电阻R2都可以避免电缆反射。假设 R2取300 Ω，压力作用前的并联电阻初始值Rtl为42. 86 Ω，压力作用下的并联电阻值Rp为 75 Ω，压阻信号增大了 75/42 86-1 = 0 . 75倍，与镱计本身的信号增大幅度1倍相比，并联电阻 法保留了 75%的有效信号。而当采用50Ω的并联电阻R2时，只能保留33. 3%的有效信号。 可见，在同一个压力下，应尽量选择大的并联电阻R2。按上述方式可以计算出不同压力下的最佳并联电阻R2。假设当压力增大到P2时， 镱计的电阻增大到Rgp = 200 Ω，则最佳R2为120 Ω，压阻信号增大了 75/35.29_1 = 1. 125倍， 与镱计本身的信号增大幅度3倍相比，并联电阻法仅能保留37. 5%的有效信号。可见，随着 压力的增高，最佳并联电阻R2的取值变�。行藕欧仁照�。尽管如此，由于高压力下镱 计自身的信号很强，信号的读取完全没有问题。实施例1首先需要确定产生电缆反射的临界电阻值R&s。采用一个脉冲恒流源、一个固定电阻R2和一个IGHz高速数字示波器搭建如图1所示的调试线路。脉冲恒流源的内阻为 IOk Ω，脉宽130 μ S。最初R2选用100 Ω，手动触发恒流源后，在示波器中观察到了与图2类 似的台阶信号，说明存在电缆反射。然后&换用一个75Ω的固定电阻，人工触发后，在示 波器中呈现的是一个完整的方波信号，信号前沿没有台阶，说明此时不会出现电缆反射。因 此将RfiIi确定为75 Ω。接下来是镱计的压阻信号测试，是对我们所制备的薄膜镱计进行高压标定实验。 如图3所示，采用一个脉冲恒流源、一个镱计Rg，一个固定电阻R2和一个IGHz高速数字示 波器搭建测试线路。镱计和固定电阻R2并联后再用同轴电缆接入示波器。镱计静态电阻 为50 Ω左右，系首先用溅射然后用光刻法制备的栅型薄膜镱计，基板和封装材料都是聚酰 亚胺。动态压阻的测试在一级轻气炮中进行，将镱计夹在两片有机玻璃中间，用铝飞片撞击 产生动态压力。图4所示是其中一次有代表性的实验结果。在该此实验之前，准备给镱计施加的 动态压力为2GPa左右，镱计的静态电阻为46. 5 Ω，预估镱计的电阻将增大约2. 5倍。因此 最佳的并联电阻民应为130Ω左右，实验中选取了一个101Ω的电阻，则并联电阻初始值 Rtl为31.84Ω。实验后测得真实的压力值为1.87GPa。如图4所示，所测得的波形完整，是 一个较为理想的类似于方波的信号，前沿没有出现台阶状的反射信号。压力到达之前的平 台电位V。为-1.03V，压力到达之后的平台电位VP*-1.89V，则由(1)式计算得到压力作用 下并联电阻Rp为58. 43 Ω，再由(2)式计算得到压力作用下镱计的电阻Rgp为138. 6 Ω，则 镱计在压力作用前后电阻的相对变化为1.98。
权利要求
一种镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，包括以下步骤①搭建测试线路将镱计Rg和固定电阻R2并联后，一端用同轴电缆接入示波器，一端通过另一同轴电缆连接脉冲恒流源，并将镱计Rg置于动态压力测试装置中；②压力加载前，测试镱计Rg的静态电阻Rg0以及固定电阻R2，则并联电阻的初始值③动态压力加载后，由示波器读出压力到达之前的平台电位V0以及压力到达之后的平台电位Vp，受力后的并联电阻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>再根据(2)式由Rp求出受力后镱计Rg的电阻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在不同的动态压力下，选取不同阻值的固定电阻R2在压力加载前根据压力的大小预估Rgp，再改变R2由(2)式求出Rp并使得Rp略小于阻抗失配的临界值R反射。FSA00000182246500011.tif
2.根据权利要求1所述的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，阻抗失配的临界值R 反射由静态模拟实验确定用一个脉冲恒流源给一个50Ω以上的固定电阻供电，然后将该 电阻两端的电压信号直接输入示波器读�。斯ごシ⒙龀搴懔髟矗谑静ㄆ髦泄鄄觳ㄐ吻� 沿，如波形前沿是一个干净的阶跃信号，则阻抗匹配；如果波形前沿是台阶状的，则阻抗不 匹配，出现了电缆反射。
3.根据权利要求1所述的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，镱计的静态电阻Rgtl 的阻值范围为20-70 Ω。
4.根据权利要求1所述的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，脉冲恒流源的内阻 R1 大于 IOkQ。
5.根据权利要求1所述的镱计动态压阻的测试方法，其特征在于，动态高压力测试装 置是一级轻气炮或平面波发生器。
全文摘要
本发明公开了一种镱计动态压阻的测试方法，其测试线路包括脉冲恒流源、镱计Rg、固定电阻R2和高速示波器，镱计Rg与固定电阻R2并联后再用同轴电缆接入示波器，由示波器读出压力到达前后的平台电位，并根据镱计和固定电阻R2的初始值，计算得到压力作用下镱计电阻的改变；R2的取值原则是在压力作用下，并联后的电阻值不应超过电缆反射的临界值；R2应尽量大，以保留信号的有效幅度；并且R2的取值还与压力有关，压力越高，R2的最佳取值越小。本发明的高阻镱计动态压阻的测试方法，线路和计算都很简单，避免了阻抗不匹配而导致的电缆反射，解决了高阻镱计不能测试较高压力的问题。
文档编号G01L23/10GK101887080SQ201010208478
公开日2010年11月17日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者曾贵, 杜晓松, 肖华, 胡佳, 蒋亚东 申请人:电子科技大学
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