基于正弦壓力方法的半無限長管特性研究

中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所 倪立斌

壓力測(cè)試過程中，通常會(huì)使用引壓管將被測(cè)壓力傳送到傳感器,這樣就會(huì)產(chǎn)生容腔效應(yīng)，容腔效應(yīng)的存在會(huì)大大影響測(cè)壓系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性[1-3]。而動(dòng)壓測(cè)量要求測(cè)試系統(tǒng)具有較高的頻響，引壓管系的固有頻率直接決定了測(cè)試系統(tǒng)的頻率，研究表明無共振管系可以改善管系的頻率特性[5]，因此對(duì)其開展研究具有實(shí)際意義。工程上常用一個(gè)半無限長管來近似獲得無共振管系的優(yōu)良特性。圖1為常用半無限長管結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 半無限長管結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了不同內(nèi)徑的直通和三通引壓管，及不同長度的半無限長管，分別將其與高頻庫力特傳感器相連，在正弦壓力發(fā)生器上對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，主要分析了半無限長管對(duì)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)幅頻特性的影響。

1.試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

半無限長管對(duì)動(dòng)態(tài)頻響特性的影響主要集中在幅頻特性上，其標(biāo)定方法是給有限引壓管和半無限引壓管輸入相同的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)，通過動(dòng)態(tài)壓力傳感器采集到的輸出信號(hào)來研究兩種引壓管結(jié)構(gòu)幅頻特性的差異。正弦壓力校準(zhǔn)裝置可以產(chǎn)生頻率連續(xù)變化的正弦波，是獲得幅頻及相頻特性的理想裝置。本次試驗(yàn)所用正弦壓力校準(zhǔn)裝置主要性能指標(biāo)如下：

(1)正弦壓力頻率范圍：1～3000Hz；(2)壓力峰峰值：△P=(0.05～2)MPa；(3)壓力平均值：P=(0.5～4)MPa；(4)壓力幅值不確定度：<5%；

(5)相位不確定度：2°(1～200)Hz，3°(200～3000）Hz；

1.2 試驗(yàn)方法

為了解半無限長管對(duì)管路特性的影響，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了長度為6cm，內(nèi)徑分別為2、3、4mm的直通和三通剛性管，同時(shí)還加工了5、10、15m的尼龍管。被校壓力傳感器采用美國庫力特公司C59-80型壓阻式傳感器。

試驗(yàn)時(shí)，首先在正弦壓力發(fā)生器上接入有限引壓管，然后按照設(shè)定的頻率值從低頻到高頻不斷改變正弦壓力信號(hào)的頻率，獲取不同內(nèi)徑下，被校傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器的壓力信號(hào)。其次將三通管和不同長度的尼龍管組合接入，同樣獲取相同工況下的兩路壓力信號(hào)。

試驗(yàn)完成后，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳感器（符號(hào)：Pb）和被校傳感器（符號(hào)：Pj）的輸出信號(hào)的進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT分析），從幅頻圖上讀得兩個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)于校準(zhǔn)頻率的幅值FPj和FPb，再由公式(1)計(jì)算出兩者的幅值相對(duì)誤差ΔF。

2.試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)不同內(nèi)徑下被校傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器所測(cè)壓力信號(hào)進(jìn)行FFT分析，即可得到不同校準(zhǔn)頻率下兩路信號(hào)的幅值。

為了更好的表現(xiàn)出被校傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的關(guān)系，采用公式1中的無量綱參數(shù)幅值相對(duì)誤差ΔF來表征兩者之間的關(guān)系。圖2為幅值相對(duì)誤差隨頻率的變化情況，可以看出不同內(nèi)徑情況下，400Hz以內(nèi)時(shí)，幅值相對(duì)誤差曲線比較平坦，變化緩慢，表明在低頻段內(nèi)徑的變化對(duì)幅值影響不大；超過400Hz以后隨頻率增加而急劇增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一頻率值時(shí)開始下降，這說明每個(gè)不同內(nèi)徑的管路都有一個(gè)最大共振點(diǎn)，可以認(rèn)為這是每種內(nèi)徑下有限引壓管的諧振頻率，內(nèi)徑不同諧振頻率不一樣，內(nèi)徑越大諧振效應(yīng)越明顯，諧振頻率也越大。

圖2 幅值相對(duì)誤差隨頻率的變化圖

將不同長度下幅值相對(duì)誤差的變化繪于一張圖中，圖3為2～4mm內(nèi)徑下的曲線圖。從圖中可以看出，內(nèi)徑2～3mm時(shí)沒有峰值點(diǎn)出現(xiàn)，而4mm內(nèi)徑時(shí)，在三種管長下有峰值出現(xiàn)，但與未接半無限長管時(shí)相對(duì)比則小了很多。還可以發(fā)現(xiàn)：在所有內(nèi)徑下，5m長管在某段頻率內(nèi)均出現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象，其它兩種長度下則沒有該現(xiàn)象，說明5m的管長并不能完全消除反射回來的駐波，而10m以上的半無限管則表現(xiàn)更好一些，因此在實(shí)際測(cè)量中，在條件允許的情況下，應(yīng)考慮使半無限管盡可能長。

此外，圖中還可以看出，隨著內(nèi)徑的增大，幅值相對(duì)誤差不斷變化，由負(fù)值逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎担?mm和4mm內(nèi)徑下相對(duì)誤差最小。因此，在實(shí)際測(cè)量中宜使用此兩種內(nèi)徑的管路。

圖3 內(nèi)徑2～4mm時(shí)幅值相對(duì)誤差的變化圖

3.結(jié)論

（1）接入有限長管時(shí)，被校傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器波形基本一致，幅值有差別，被校傳感器的幅頻特性曲線在某個(gè)頻率點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值，內(nèi)徑不同出現(xiàn)峰值的頻率不一樣。

（2）接入半無限長管能夠顯著減弱引壓管腔的諧振效應(yīng)，對(duì)比有限長管幅值相對(duì)誤差降低的比較明顯；相位上會(huì)產(chǎn)生滯后，在低頻段相位滯后不大，但隨著頻率的增加相位角近似成線性增大。

（3）所有內(nèi)徑下，5m長管在低頻段內(nèi)均會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，而10m以上的半無限管無此現(xiàn)象，因此實(shí)際應(yīng)用中，半無限管長度宜大于10m才能獲得更好的預(yù)期效果。

[1]張訓(xùn)文,陳曦,朱琦等.壓力傳感器管腔效應(yīng)問題研究[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),2002,16(增刊1):387-390.

[2]李繼超,王偲臣,林峰等.一種容腔效應(yīng)標(biāo)定技術(shù)及其在高頻響動(dòng)態(tài)探針中的應(yīng)用[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2011,26(12):2749-2756.

[3]柳兆榮,陳金娥,黃東群.壓力傳感器頻率響應(yīng)的分析[J].力學(xué)學(xué)報(bào),1980,4:363-372.

[4]Walter E Wilhelm.Investigation of Tubing Effects on Amplitude Frequency Response of Pressure Sensing Systems Using Non-resonant Terminations[R].NASA REPORT TM X-1988.