塑性测压器材准动态校准技术及实验研究
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摘要
塑性变形测压法具有工作可靠、使用方便、成本低廉等突出的优点，一百多年来，一直是常规武器膛压检验的主要技术手段。我国的铜柱测压法基本上仍沿用静态标定体制，而静标铜柱用于动态膛压测量会产生严重的静动差。为减少静动差，研究铜柱测压动态误差的形成机理，研究消除或修正动态误差的方法，具有重要的实用价值，它将给百年老技术注入新的生命力。
准动态校准技术可有效地减小静动差，是塑性测压器件校准体制的改革方向，虽经二十多年的发展，但还存在许多有待进一步研究的问题。本文基于进一步完善准动态校准技术，为建立完善的塑性测压器材的准动态校准体制的考虑，进行了大量的工作。论文主要工作体现在以下几个方面：
1 从铜柱测压机理出发，建立了较为完善的/1铜柱测压系统的数学模型，编制了数值求解程序，并进行了仿真计算，仿真结果与实验测量结果基本相符，通过仿真计算，获得了测压铜柱在压力作用下的变形规律。
2 应用所建模型，对Φ3.5×8.75mm柱形铜柱进行了被测信号脉宽变化的仿真计算。从理论上得到了被测压力信号脉宽变化时，查准动态压力对照表的误差变化规律，经实验证明该规律是正确的。
3 利用落锤液压动标装置组织了Φ3.5×8.75mm柱形铜柱、Φ4.763mm铜球的变脉宽准动态校准试验，通过试验数据处理，获得了两种型号塑性测压器件的脉宽影响规律。探讨了符合我国传统压力修正方法的脉宽修正方法，并建立了相应的多项式修正公式和由量纲分析及相似理论获得的压力修正公式。验证试验表明，修正公式修正效果令人满意。
4 对准动态校准之动态压力对照表进行了系统的不确定度分析，利用变脉宽校准数据，阐明了由于被测压力脉宽变化引起的查表误差的规律，根据该不确定度计算方法，探讨了测压铜柱、测压铜球用6.0±0.6ms准动态校准压力对照表的适用范围。
5 对测压铜柱及测压铜球的温度修正方法展开了系统研究，首次提出了塑性测压器件温度统一误差修正这一问题。在落锤液压动标装置上组织了多批次的铜柱、铜球高低温准动态校准试验，探讨了建立温度误差统一修正公式的可行性，建立了测压铜球，测压铜柱符合我国传统修正方法的温度统一误差修正公式。试验证明了温度误差统一修正公式的可信性，同时探讨了温度误差统一修正公式的适用范围。
6 由于落锤液压动标装置校准系统的校准压力监测精度极为重要，本文对四路电测压力系统进行频域建模，分析了产生不一致的原因，定义了系统的误差函数及推导
了统一误差模型的修正公式。
7文中提出了传感器准静态“绝对校准”方法，并利用落锤液压动标装置进行了
传感器准静态校准试验，分段建立了传感器准静态“绝对校准”模型，由试验证明
模型可靠。为减少塑性测压器材准动态校准调试工作量，建立了测压铜柱及测压铜球
的准动态校准模型，该模型经试验证明具有一定的普遍性，可推广到同类型号测压器
件的准动态校准。
8为完善塑性测压器材准动态校准的管理，利用LabVIEW开发环境，编制了塑
性测压器材准动态校准数据分析及管理软件包。该软件包具有以下功能:对己准动态
校准过的所有塑性测压器件的动态压力对照表、脉宽修正表、温度修正表实现数据管
理操作;对新研制的塑性敏感元件可实现现场制表并自动添加到数据库;自动查表。
9提出了采用价格低但精度高的测力传感器系统替代四路压力传感器系统以实
现真正意义上的压力动态绝对校准。文中介绍了压力动态绝对校准的实施方法及其优
越性，建立了简易的力学模型，进行了绝对校准不确定度估算，设计的专用测力传感
器性能完全满足本系统的需要，经大量试验，阐明了力与压力的关系。
For more than a hundred years, the method of plastic deformation for measuring pressures has been the main means to test the chamber pressure of conventional weapons because of its advantages of reliability, convenience and low price. In our country the method of pressure-measuring with copper cylinders adopts the system of static calibration on the whole. The serious static-dynamic discrepancy will be caused when the copper cylinders statically calibrated are used to measure the dynamic chamber pressure. To decrease the discrepancy, it is important to study the mechanism of the dynamic error and the method of eliminating or correcting the error.
The static-dynamic error can be decreased effectively by the quasi-dynamic calibration which is the direction of improving calibration system of plastic pressure-measuring elements. Despite the development of more than twenty years, there are still many problems to be further studied. To make the quasi-dynamic calibration system perfect, much work has been done in this dissertation. The main work consists of the following parts.
1.The mathematical model of copper cylinder pressure-measuring system is established according to the pressure-measuring mechanism of copper cylinders and the numerical solution program is made. The simulation of this model has been done and the simulation result agrees with the measuring result quite well. According to the simulating calculation, the regularity of copper cylinder deformation under different pressure is obtained.
2.With the mathematical model, the simulation on O 3.5 X 8.75mm pillar copper cylinders for varying the pulse width of the signal has been done. The variation regulation of error by consulting the dynamic pressure corresponding table is got theoretically. It has been testified that the regulation is right.
3.A series of quasi-dynamic calibration tests by varying the pressure pulse width for the 3.5 X 8.75mm pillar copper cylinders and O 4.763mm copper spheres are done on the dropper-hammer hydraulic dynamic pressure calibration device. By means of data analysis, the regulations of pulse width's effect on the two types of plastic pressure-measuring elements are obtained. The method of
correcting pulse width, which is in accord with the traditional correcting pressure method, is discussed. The polynomial correcting formula and the pressure correcting formula by means of dimensional analysis and similarity theory are obtained. It is testified by the tests that the effect of the correcting formulas is satisfactory.
4.The uncertainty of quasi-dynamic pressure corresponding tables is analyzed systemically. According to the data obtained from the calibration process by varying the pulse width, the regulation of error on consulting the quasi-dynamic pressure corresponding tables caused by the variation of the pressure pulse width is explained. And the applicable scope of the 6ms quasi-dynamic pressure corresponding tables is discussed.
5.The methods of temperature-correcting on copper cylinders and copper spheres are discussed. The method of unitive temperature-correcting on plastic pressue-measuring elements is put forward for the first time. Large quantities of quasi-dynamic calibration tests in different temperatures are carried out on the dropper-hammer hydraulic dynamic pressure calibration device and the unitive temperature-correcting formula which accords with the traditional correcting method is got. It is shown by the tests that the unitive temperature-correcting formula is credible and the applicable scope of the unitive temperature-correcting formula is discussed.
6.Since the monitor precision of quasi-dynamic calibration system is very important,the model of the four channel electric pressure-measuring system in frequency domain is built up. The cause of variance is analyzed. The error function of the system is defined and the formula of correcting the system error is derived.
7.The method of quasi-static absolute calibration for the sensors is brought forward in this dissertation. The tests of
准动态校准技术可有效地减小静动差，是塑性测压器件校准体制的改革方向，虽经二十多年的发展，但还存在许多有待进一步研究的问题。本文基于进一步完善准动态校准技术，为建立完善的塑性测压器材的准动态校准体制的考虑，进行了大量的工作。论文主要工作体现在以下几个方面：
1 从铜柱测压机理出发，建立了较为完善的/1铜柱测压系统的数学模型，编制了数值求解程序，并进行了仿真计算，仿真结果与实验测量结果基本相符，通过仿真计算，获得了测压铜柱在压力作用下的变形规律。
2 应用所建模型，对Φ3.5×8.75mm柱形铜柱进行了被测信号脉宽变化的仿真计算。从理论上得到了被测压力信号脉宽变化时，查准动态压力对照表的误差变化规律，经实验证明该规律是正确的。
3 利用落锤液压动标装置组织了Φ3.5×8.75mm柱形铜柱、Φ4.763mm铜球的变脉宽准动态校准试验，通过试验数据处理，获得了两种型号塑性测压器件的脉宽影响规律。探讨了符合我国传统压力修正方法的脉宽修正方法，并建立了相应的多项式修正公式和由量纲分析及相似理论获得的压力修正公式。验证试验表明，修正公式修正效果令人满意。
4 对准动态校准之动态压力对照表进行了系统的不确定度分析，利用变脉宽校准数据，阐明了由于被测压力脉宽变化引起的查表误差的规律，根据该不确定度计算方法，探讨了测压铜柱、测压铜球用6.0±0.6ms准动态校准压力对照表的适用范围。
5 对测压铜柱及测压铜球的温度修正方法展开了系统研究，首次提出了塑性测压器件温度统一误差修正这一问题。在落锤液压动标装置上组织了多批次的铜柱、铜球高低温准动态校准试验，探讨了建立温度误差统一修正公式的可行性，建立了测压铜球，测压铜柱符合我国传统修正方法的温度统一误差修正公式。试验证明了温度误差统一修正公式的可信性，同时探讨了温度误差统一修正公式的适用范围。
6 由于落锤液压动标装置校准系统的校准压力监测精度极为重要，本文对四路电测压力系统进行频域建模，分析了产生不一致的原因，定义了系统的误差函数及推导
了统一误差模型的修正公式。
7文中提出了传感器准静态“绝对校准”方法，并利用落锤液压动标装置进行了
传感器准静态校准试验，分段建立了传感器准静态“绝对校准”模型，由试验证明
模型可靠。为减少塑性测压器材准动态校准调试工作量，建立了测压铜柱及测压铜球
的准动态校准模型，该模型经试验证明具有一定的普遍性，可推广到同类型号测压器
件的准动态校准。
8为完善塑性测压器材准动态校准的管理，利用LabVIEW开发环境，编制了塑
性测压器材准动态校准数据分析及管理软件包。该软件包具有以下功能:对己准动态
校准过的所有塑性测压器件的动态压力对照表、脉宽修正表、温度修正表实现数据管
理操作;对新研制的塑性敏感元件可实现现场制表并自动添加到数据库;自动查表。
9提出了采用价格低但精度高的测力传感器系统替代四路压力传感器系统以实
现真正意义上的压力动态绝对校准。文中介绍了压力动态绝对校准的实施方法及其优
越性，建立了简易的力学模型，进行了绝对校准不确定度估算，设计的专用测力传感
器性能完全满足本系统的需要，经大量试验，阐明了力与压力的关系。
For more than a hundred years, the method of plastic deformation for measuring pressures has been the main means to test the chamber pressure of conventional weapons because of its advantages of reliability, convenience and low price. In our country the method of pressure-measuring with copper cylinders adopts the system of static calibration on the whole. The serious static-dynamic discrepancy will be caused when the copper cylinders statically calibrated are used to measure the dynamic chamber pressure. To decrease the discrepancy, it is important to study the mechanism of the dynamic error and the method of eliminating or correcting the error.
The static-dynamic error can be decreased effectively by the quasi-dynamic calibration which is the direction of improving calibration system of plastic pressure-measuring elements. Despite the development of more than twenty years, there are still many problems to be further studied. To make the quasi-dynamic calibration system perfect, much work has been done in this dissertation. The main work consists of the following parts.
1.The mathematical model of copper cylinder pressure-measuring system is established according to the pressure-measuring mechanism of copper cylinders and the numerical solution program is made. The simulation of this model has been done and the simulation result agrees with the measuring result quite well. According to the simulating calculation, the regularity of copper cylinder deformation under different pressure is obtained.
2.With the mathematical model, the simulation on O 3.5 X 8.75mm pillar copper cylinders for varying the pulse width of the signal has been done. The variation regulation of error by consulting the dynamic pressure corresponding table is got theoretically. It has been testified that the regulation is right.
3.A series of quasi-dynamic calibration tests by varying the pressure pulse width for the
correcting pulse width, which is in accord with the traditional correcting pressure method, is discussed. The polynomial correcting formula and the pressure correcting formula by means of dimensional analysis and similarity theory are obtained. It is testified by the tests that the effect of the correcting formulas is satisfactory.
4.The uncertainty of quasi-dynamic pressure corresponding tables is analyzed systemically. According to the data obtained from the calibration process by varying the pulse width, the regulation of error on consulting the quasi-dynamic pressure corresponding tables caused by the variation of the pressure pulse width is explained. And the applicable scope of the 6ms quasi-dynamic pressure corresponding tables is discussed.
5.The methods of temperature-correcting on copper cylinders and copper spheres are discussed. The method of unitive temperature-correcting on plastic pressue-measuring elements is put forward for the first time. Large quantities of quasi-dynamic calibration tests in different temperatures are carried out on the dropper-hammer hydraulic dynamic pressure calibration device and the unitive temperature-correcting formula which accords with the traditional correcting method is got. It is shown by the tests that the unitive temperature-correcting formula is credible and the applicable scope of the unitive temperature-correcting formula is discussed.
6.Since the monitor precision of quasi-dynamic calibration system is very important,the model of the four channel electric pressure-measuring system in frequency domain is built up. The cause of variance is analyzed. The error function of the system is defined and the formula of correcting the system error is derived.
7.The method of quasi-static absolute calibration for the sensors is brought forward in this dissertation. The tests of
引文
1 宋明顺．测量不确定度评定与数据处理．北京：中国计量出版社，2000
2 李慎安．测量不确定度表达10讲．北京：中国计量出版社，1999
3 蒋洪明，张庆．动态测试理论与应用．南京：东南大学出版社，
4 王仁等．塑性力学进展．北京：中国铁道出版社，1988
5 J．廉纳著．内弹道学．北京：国防工业出版社，1958
6 《内弹道实验原理》编写组．内弹道实验原理．国防工业出版社，1984
7 傅衣铭，罗松南．弹塑性理论．第1版．长沙：湖南大学出版社，1996
8 朱明武．动压测量．第1版．北京：国防工业出版社，1983
9 朱明武，王宗支．武器测试技术．南京：华东工程学院，1984
10 关颖男，施大德编译．试验设计方法入门．北京：冶金工业出版社，1985
11 陈锦荣．动态参量测试技术．北京：国防工业出版社，1985
12 国家计量总局量值传递处．计量技术考核纲要——力学分册．北京：计量出版社，1983
13 吴贵生．试验设计与数据处理．第1版．北京：冶金工业出版社，1997
14 徐挺．相似理论与模型试验．第1版．北京：中国农业机械出版社，1982
15 袁希光．传感器技术手册．北京：国防工业出版社．1986年pp10
16 柳光辽．自动武器测试技术．南京：华东工学院．1985年，6-7
17 阎以涌等．工程机械振动分析．上海：同济大学出版社，1991年
18 刘迎春．传感器原理设计与应用．北京：国防科技大学出版社，1991年
19 黄俊钦．静动态数学模型的使用建模方法．北京：机械工业出版社，1998年pp33-40
20 黄俊钦．测试系统动力学．北京：国防工业出版社．1996年6月．268-278
21 韩强编著．弹塑性系统的动力屈曲和分叉．北京：科学出版社，2000
22 刘德顺，李夕兵著．冲击机械系统动力学．北京：科学出版社，1999
23 傅衣铭等．弹塑性理论．湖南长沙：湖南大学出版社，1996
24 王光远．弹性及塑性理论一匕京：建筑工业出版社，1984
25 路宏年等．信号与测试系统．北京：国防工业出版社，1988，269-271
26 何希才．传感器及其应用．北京：国防工业出版社，2001
27 孔德仁，朱蕴璞．工程测试技术．南京：南京理工大学出版，1995
28 孔德仁，朱蕴璞，狄长安．工程测试信息处理．北京：国防工业出版社，2003
29 孔德仁，孙海波．微机辅助测试技术．南京：南京理工大学出版，1995
30 潘德恒，柳光辽．工程实验基础知识．太原：华北工学院出版部，1993
31 彭长青．误差与回归．北京：兵器工业出版社，1991
32 Ernest O．Doebelm．系统的建模和响应．上海：上海科学技术文献出版社，1989年
33 傅宝琴编．量和单位标准使用手册．北京：中国标准出版社，1984
34 中国计量科学研究院．测量不确定度评定与表示．北京：中国计量出版社，2000
35 国家质量技术监督局计量司．测量不确定度评定与表示指南．北京：中国计量出版社，2000
36 全国计量标准、计量检定人员考核委员会．测量不确定度评定与表示实例．北京：中国计量出版社
37 董德元，杨节．试验研究的数据处理统计方法．第1版．北京：中国计量出版社，1987
38 Davis Chapman(美)．学用Visual C++6.0．第3版．北京：清华大学出版社，2000
40 施阳，李俊．MATLAB语言工具箱——Tool Box实用指南．西安：西北工业大学出版社，1998
41 谢多夫(苏)．力学的相似方法与量纲理论．科学出版社，1982
42 列兹尼亚科夫(苏)．相似方法．科学出版社，1964
44 Save MA，Massonnet C E．Plastic Analysis and Design of Plates，shells and Disks．North-Holland， 1972
45 J．Palacios．Dimensional Analysis．Macmillam&Co LTD，1964
46 S．J．Kline．Similitude and Approximation Theory．McGrow-Hill Book Company，1965
47 黄伟．铜柱测压装置的动态特性及动态误差分析．南京理工大学硕士学位论文，1985
48 朱明武．测压铜球准动态校准标定方法及系统研究工作总结．南京：华东工学院，1987
49 朱明武．高膛压测试技术问题．高膛压火炮论文集．国防工业出版社，1989
50 陈建中．高膛压火炮内弹道解法若干问题的研究．高膛压火炮论文集．国防工业出版社，1989 300-303
51 柳光辽．量纲分析在建立经验公式中的应用—铜柱测压的动态误差修正．中国兵工学会第五界测试技术年会论文集．1990
52 伍鹰．测压铜柱静动态特性分析．南京理工大学博士学位论文，1991
53 杨凤花．铜柱测压装置动态误差修正．轻兵器．1989(1)
54 黄伟 朱明武．铜柱测压系统的动态特性分析及其动态误差修正．兵工学报分册1990(1)
55 伍鹰 朱明武．测压铜柱动态特性计算方法．测试技术学报1991(1)
56 郭增贵．关于高膛压测试技术的研究．高膛压火炮论文集．国防工业出版社，1989 530-537
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67 朱明武．准动态压力标定系统——总体技术方案论证报告．南京：华东工学院1983 10 1-2
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71 肖峰．测压传感器的相对校准．兵工学报．1987第1期
72 黄俊钦，顾健雄．高g值加速度计和压电式传感器的动态校准．计量学报．22卷(4)：300-304
73 沙定国，苏大图．一种更为可靠的测量不确定度评定方法．计量学报22卷(4)：272-275
74 梁志国，成志尧．静态测量系统线性度与温度的模型化补偿方法．计量学报．22卷(4)：259-263
75 黄俊钦等．力传感器的动态重复性、线性度与性能改进的研究．测试技术学报1994(2)53-64
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77 李扬．图形化编程语言LabView及开放性．计算机工程．1999(4)：63-65
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2 李慎安．测量不确定度表达10讲．北京：中国计量出版社，1999
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10 关颖男，施大德编译．试验设计方法入门．北京：冶金工业出版社，1985
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22 刘德顺，李夕兵著．冲击机械系统动力学．北京：科学出版社，1999
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28 孔德仁，朱蕴璞，狄长安．工程测试信息处理．北京：国防工业出版社，2003
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48 朱明武．测压铜球准动态校准标定方法及系统研究工作总结．南京：华东工学院，1987
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52 伍鹰．测压铜柱静动态特性分析．南京理工大学博士学位论文，1991
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