【正文】 流程圖 測試系統(tǒng)振動(dòng)和沖擊的隔離射孔、壓裂施工過程中，測試儀將受到可達(dá)幾萬 g 值的軸向沖擊加速度作用，持續(xù)時(shí)間毫秒級(jí)（復(fù)合射孔持續(xù)時(shí)間會(huì)更長） 。電子元器件在高沖擊力作用下容易損壞，且劇烈的振動(dòng)沖擊容易造成傳感器的損壞，導(dǎo)致儀器無法正常使用，為了保證測試儀在被測環(huán)境下正常工作，必須采取各種防護(hù)手段和隔離技術(shù)，目前對(duì)測試系統(tǒng)的保護(hù)主要從兩方面進(jìn)行：震動(dòng)和沖擊的隔離以及加固技術(shù)，即從外部和內(nèi)部兩方面入手提高測試電路的存活性和可靠性 [22,23,24]。加固設(shè)計(jì)首先體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和元器件的選擇上，通過震動(dòng)分理論分析、強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)分析、沖擊實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)行設(shè)計(jì)和篩選，其次，從內(nèi)部提高測試系統(tǒng)的抗沖擊性能，通過選用具有良好環(huán)境適應(yīng)性能的灌封材料對(duì)電路進(jìn)行固化保護(hù) [25]。環(huán)氧樹脂材料由于其具有機(jī)械強(qiáng)度高，收縮率小，電性能好，粘結(jié)力強(qiáng)，耐化學(xué)性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工作條件苛刻的環(huán)境中，因此，本系統(tǒng)使用環(huán)氧樹脂作為灌封材料。為了保證灌封質(zhì)量，采用真空灌封方法，保證灌封過程維持在一定的溫度和合理的固化時(shí)間，減小氣泡和裂紋的產(chǎn)生。中北大學(xué)學(xué)位論文24隔離是運(yùn)用緩沖技術(shù)隔離測試儀與振源，減弱甚至消除振源傳遞給測試系統(tǒng)的沖擊與振動(dòng) [26]。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，采用環(huán)氧樹脂封裝的電路模塊可在 5 萬 g 沖擊條件下正常工作，但沖擊加速度更大時(shí)，需要采取緩沖措施。射孔測試聯(lián)作過程中，減震器是必不可少的工具，經(jīng)過多年的研究與應(yīng)用，有完善的理論基礎(chǔ)，有效防止施工過程中事故的發(fā)生，因此，我們可以將減震器串聯(lián)在射孔槍與測試儀之間。減震器原理：彈性元件用低剛度高阻尼的隔振橡膠圈及剛度較大的吸振彈簧交替串聯(lián)構(gòu)成，多次交替作用達(dá)到隔離并吸收射孔彈爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊能量及射孔槍管柱的縱向振動(dòng)，根據(jù)實(shí)際需求可以改變彈性元件的構(gòu)成，如圖 所示為減震器的示意圖。 圖 減震器示意圖 總結(jié)本章從測試系統(tǒng)的工作環(huán)境，被測信號(hào)，測試系統(tǒng)故障等多方面分析了測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，工作過程，硬件電路設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能要求，保證測試系統(tǒng)的可靠性。中北大學(xué)學(xué)位論文25第三章 測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及實(shí)測數(shù)據(jù)分析動(dòng)態(tài)測試中存在動(dòng)態(tài)誤差，靜壓測量中準(zhǔn)確度很高的儀器，在動(dòng)態(tài)測量中，可能由于測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不能滿足測試要求，引起較大的動(dòng)態(tài)誤差。P～t 測試儀測取射孔、壓裂作業(yè)過程中的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)，由于被測壓力信號(hào)的頻帶寬，且持續(xù)作用時(shí)間短，要求測試系統(tǒng)工作頻帶寬、響應(yīng)速度快，這就要求對(duì)測試系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，充分了解測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，保證動(dòng)態(tài)測試結(jié)果的精度。 傳感器動(dòng)態(tài)特性研究P～t 測試儀主要由壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理存儲(chǔ)電路及控制模塊組成，信號(hào)調(diào)理存儲(chǔ)電路與控制模塊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性通常要比傳感器的高很多，測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要取決于傳感器的動(dòng)態(tài)特性，傳感器決定了整個(gè)測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，影響著整個(gè)系統(tǒng)的測量精度 [27]。傳感器的工作頻帶是指在一定的工作頻率范圍內(nèi)保證動(dòng)態(tài)測量結(jié)果的幅值和相移誤差小于允許值，是傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的重要指標(biāo)，因此，要選擇合適的傳感器使它的工作頻帶能滿足測試要求。 激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)原理分析 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的首要問題是將被校系統(tǒng)的主要模態(tài)激發(fā)出來，即要有頻帶能充分覆蓋被校傳感器或測試系統(tǒng)模態(tài)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器，激波管是一種較為理想的階躍壓力激勵(lì)源 [28]。圖 是一種激波管動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置，是采用絕對(duì)法原理進(jìn)行檢定的動(dòng)態(tài)壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置，由金屬或塑料紙張等薄膜將容器隔離成低壓室和高壓室，實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要對(duì)高、低壓室充以不同壓力的氣體，當(dāng)高、低壓室氣體的壓差達(dá)到一定值時(shí)，導(dǎo)致膜片破裂，使膜片鄰近的壓力發(fā)生突變形成激波，波陣面前后壓力突變形成正階躍壓力，當(dāng)入射波到達(dá)低壓室端面后被反射形成反射階躍壓力，激波管產(chǎn)生的階躍壓力上升時(shí)間非常短，大約為 ，校準(zhǔn)頻率上限可達(dá) 1MHz 以上，階躍壓力的恒壓時(shí)間大約為中北大學(xué)學(xué)位論文265～10ms （與高、低壓室長度、工作介質(zhì)及激波強(qiáng)度有關(guān)）并且結(jié)構(gòu)簡單，使用方法可靠，因此，選用激波管作為傳感器校準(zhǔn)的激勵(lì)裝置 [29]。高 壓 氣 瓶 BA40m電 荷 放 大 器數(shù) 據(jù) 采 集 卡被 校 壓 力 傳 感 器測 速 傳 感 器觸 發(fā) 信 號(hào)激 波 管信 號(hào) 調(diào) 理 和記 錄 電 路 激波管動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)系統(tǒng) 傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析激波管用于壓力傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)時(shí)，將其產(chǎn)生的階躍壓力作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)加在被測壓力傳感器上，激波管工作過程中壓力的變化情況，決定了被校準(zhǔn)的壓力傳感器安裝在低壓室的端面上與側(cè)壁上受到階躍壓力的變化情況不同，同時(shí)，與理想階躍信號(hào)有一定的區(qū)別，有一定的上升沿，且由于激波運(yùn)動(dòng)相當(dāng)迅速，激波只能在很短的時(shí)間內(nèi)保持不變。根據(jù)激波管原理及前人經(jīng)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)將被校準(zhǔn)壓力傳感器安裝在低壓室端面上，利用數(shù)據(jù)采集卡記錄第一個(gè)脈沖作用在壓力傳感器上產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，最后，通過這一曲線來校準(zhǔn)和分析壓力傳感器的動(dòng)態(tài)特性。 如圖 所示為被校準(zhǔn)的傳感器（本文中提到的被校準(zhǔn)傳感器都為 P～t 儀所用的ENDEVCO 公司的 8511 系列壓阻式壓力傳感器）校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝配圖，圖 為激波管校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)被校準(zhǔn)傳感器的輸出信號(hào)。在研究范圍內(nèi)，認(rèn)為壓力傳感器屬于小阻尼線性系統(tǒng)，像圖 所示的曲線形式，對(duì)階躍壓力信號(hào)的響應(yīng)為振幅衰減至穩(wěn)定輸出的振蕩信號(hào)，在描述其動(dòng)態(tài)特性時(shí)，都可以等效地看成衰減振蕩的二階系統(tǒng)，頻率特性用求方程的解求出。中北大學(xué)學(xué)位論文27圖 傳感器裝配圖 1012345msMpaA1t圖 被校準(zhǔn)傳感器響應(yīng)曲線傳遞函數(shù)可表示為： （式 31）??2nWsSw????式中 ——系統(tǒng)固有頻率；n? ——阻尼比。?根據(jù)上式可知，求出系統(tǒng)的固有頻率與阻尼比可知傳感器系統(tǒng)的頻率特性，分析圖 ，測出超調(diào)量與峰值時(shí)間，根據(jù)其超調(diào)量 A、峰值時(shí)間 t 與系統(tǒng)固有頻率 和阻n?尼比 的關(guān)系式：?中北大學(xué)學(xué)位論文28 （式 32）21Ae???? （式 33）2nt?計(jì)算壓力傳感器的固有頻率和阻尼比系數(shù)如下所示為： （式 34）? （式 35）?將固有頻率與阻尼比系數(shù)代入幅頻特性公式（36）和相頻特性公式（37），得到壓力傳感器的幅頻特性與相頻特性如圖 所示。 （式 36）??1/22()1(/)(/)nnA??????????? （式 37）2)/(arctn??圖 傳感器幅頻、相頻特性曲線中北大學(xué)學(xué)位論文29對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)主要是分析其工作頻帶是否可以覆蓋被測信號(hào)（射孔壓力信號(hào)）的有效帶寬，保證測試系統(tǒng)的測試精度。分析傳感器的幅頻、相頻特性可知，系統(tǒng)測量精度受 和 的影響，當(dāng) ， 或 時(shí)，幅頻特性是n??????平坦的，相頻特性是線性的，能保證工程測量精度的要求。根據(jù)前面章節(jié)分析可知，壓裂壓力信號(hào)的帶寬為 10kHz 以下，被校傳感器的工作頻帶可以覆蓋被測壓裂壓力信號(hào)的有效帶寬，滿足測試要求。 測試系統(tǒng)靈敏度校準(zhǔn) 落錘準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)原理如圖 所示為落錘式液壓動(dòng)態(tài)標(biāo)定裝置，是利用落錘自由跌落撞擊油缸頂部的精密活塞，作用于密閉油缸內(nèi)的液體使油缸內(nèi)壓力上升，達(dá)到最大值后由于液體膨脹推動(dòng)活塞及落錘反向運(yùn)動(dòng)，完成一次工作循環(huán)，從而獲得短暫的類似于半正弦的壓力脈沖，同時(shí)作用于安裝在油缸本體上的標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)和被標(biāo)定測試系統(tǒng)，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，最高動(dòng)態(tài)壓力幅值可達(dá) 1000Mpa，脈沖寬度在 1～15ms 范圍內(nèi)的特點(diǎn)，是一種幅值標(biāo)定設(shè)備 [30,31]。圖 落錘動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖根據(jù)理論分析知，該標(biāo)定裝置所產(chǎn)生的壓力脈沖的脈寬 及壓力峰值 等主要參?mP中北大學(xué)學(xué)位論文30數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式如下所示 [32]： （式 38）2022mEWPVV?????????? （式 39）0mSP?? （式 310）??0mxE???式中 ——壓力峰值，Pa；mP ——液體模量的非線性系數(shù)；? ——油缸初始容積， ；0V3m ——落錘撞擊活塞的初始動(dòng)能， ；WJ ——液體體積彈性模量，Pa；0E ——脈寬，s；? ——活塞工作面積， ；S2m ——活塞最大行程， ；mx ——重錘質(zhì)量，kg。分析以上公式知，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和液壓油選定后，改變落錘高度可得到不同的壓力幅值，校準(zhǔn)原理如下：? 將標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器（三個(gè)）和被校系統(tǒng)的傳感器都安裝在油缸本體上，保證不同系統(tǒng)受到相同壓力信號(hào)的作用；? 調(diào)整落錘高度得到一系列壓力測試系統(tǒng)量程范圍內(nèi)的壓力值，通過電荷放大器和采集卡將標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的輸出信號(hào)記錄到電腦上，被校系統(tǒng)的輸出信號(hào)通過 VB 讀數(shù)軟件記錄到電腦上；? 比對(duì)相同脈沖壓力峰值下三套標(biāo)準(zhǔn)壓力測試系統(tǒng)的峰值平均值和被校系統(tǒng)測得的相應(yīng)的數(shù)字量（比特值） ，可以得到被校系統(tǒng)的靈敏度、重復(fù)性誤差及其不確定度等。中北大學(xué)學(xué)位論文31用落錘對(duì)被校準(zhǔn)系統(tǒng)靈敏度的準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定，對(duì)其產(chǎn)生的壓力信號(hào)源有嚴(yán)格的要求，要求信號(hào)源的頻率范圍處在被標(biāo)定系統(tǒng)的無失真工作頻帶內(nèi)，即保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性引起的動(dòng)態(tài)誤差可以忽略，與靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果在理論上是一致的，所以稱為準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定 [33]。根據(jù)以上分析，有必要對(duì)落錘產(chǎn)生的信號(hào)源頻譜及被標(biāo)定系統(tǒng)的工作頻帶進(jìn)行分析，半正弦信號(hào)的方程式如式（311）所示， 為半正弦信號(hào)的脈寬； 為峰值幅度；?E為門函數(shù)。)(tg （式 311）)(sin)(tgEtp???????其 他,01tg將式（311 ）進(jìn)行傅里葉變換如式（312）所示： （式 312）2)(1/cos2)(??wEjP??式中，虛數(shù) ，圓周率 。1??j fw?對(duì)式（312 ）歸一化處理后其幅頻特性方程為： （式 313）21)/cos()0()??????????wjP如圖 所示為其幅頻特性曲線（取 =6ms）： ?0 2022 4000 6000 8000 1?10401(rad/s)p w( )w中北大學(xué)學(xué)位論文32圖 落錘曲線的歸一化頻譜特性曲線圖由圖 可知，幅頻特性是帶波瓣的，通過計(jì)算知總能量的 %被第一波瓣的信號(hào)能量所包含，工程上可取第一個(gè)波瓣的帶寬作為有效帶寬，即 ，當(dāng)??0,3??=6ms 時(shí)為（ 0～） rad/s（250Hz） ，為了保證更高的校準(zhǔn)精度可以取后面波瓣的?帶寬，根據(jù)前面章節(jié)分析知，被校準(zhǔn)系統(tǒng)的在小于 10kHz 時(shí)滿足無失真測試要求，因此，滿足準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)要求。在標(biāo)定被校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)，要求標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)的不確定度小于 %測量值，為了確保標(biāo)準(zhǔn)測壓系統(tǒng)給出的壓力值精度，明確標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)測試結(jié)果的不確定度大小，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測壓系統(tǒng)的測試結(jié)果的不確定度評(píng)定必須從靜態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)評(píng)定兩個(gè)方面進(jìn)行。 標(biāo)準(zhǔn)測壓系統(tǒng)的靜態(tài)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的壓電晶體高壓傳感器為 Kistler 公司的 6213BK 型傳感器，電荷放大器為該公司的 5015 型電荷放大器，同時(shí)配套使用成都華采數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了消除由傳感器安裝狀態(tài)不一致所造成的測量誤差及不確定度，把三路傳感器直接安裝在落錘標(biāo)定裝置油缸本體上進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)，靜態(tài)溯源校準(zhǔn)采用活塞式壓力計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)，在兵器工業(yè)部 204 研究所進(jìn)行，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出系統(tǒng)的工作直線方程，校準(zhǔn)結(jié)果見表 。表 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的靜態(tài)特性傳感器SN電荷放大器SN工作直線方程(最小二乘法)重復(fù)性誤差線性誤差準(zhǔn)確度等級(jí)1208401 1240925 + %FS 177。%FS 1208402 1122331 + %FS 177。%FS 1208404 1122329 + %FS 177。%FS 標(biāo)準(zhǔn)測壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)特性決定著系統(tǒng)的輸出能否良好地追隨輸入量的變化，即測試結(jié)果動(dòng)態(tài)誤差的大小，必須對(duì)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，根據(jù)前面?zhèn)鞲衅鲃?dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法，標(biāo)準(zhǔn)中北大學(xué)學(xué)位論文33系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性采用高壓氣體激波管對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，ch0，ch1 ，ch2 分別代表三套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，分析實(shí)測數(shù)據(jù)求出其固有頻率、阻尼比系數(shù)及頻率響應(yīng)。 ?chkHz???chkHz???chkHz??圖 ch0 通道的幅頻和相頻特性圖，而落錘校準(zhǔn)裝置的脈沖寬度在（1～15）ms 范圍內(nèi)，射孔壓裂壓力信號(hào)的頻率在 10kHz 以下，標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的工作頻帶近似滿足無失真輸出條件，可以無失真的再現(xiàn)輸入信號(hào)，由標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性引起的動(dòng)態(tài)不確定度可以忽略。 圖 ch0 通道標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)幅頻和相頻曲線依據(jù)上面對(duì)不確定度的靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)可知，標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測量不確定度可以忽略，通過不確定度評(píng)定方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)測量結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，詳細(xì)步驟后面中北大學(xué)學(xué)位論文34章節(jié)介紹，標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)滿足校準(zhǔn)