掃頻絕壓校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張大有 溫世仁 孫鳳舉 武東建 焦鑫鑫

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

在工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)壓力是一個(gè)重要的物理量[1,2]，動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量需要選擇具有合適的動(dòng)態(tài)特性的壓力傳感器，為滿足不同動(dòng)態(tài)壓力傳感器校準(zhǔn)的需要，許多動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置被開發(fā)出來，最常見的動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置是正弦動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置，但目前開發(fā)的正弦動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置存在以下幾個(gè)問題：(1)校準(zhǔn)結(jié)果是離散的，不能獲得連續(xù)的幅頻特性和相頻特性曲線；(2)在傳感器共振頻率點(diǎn)附近很難準(zhǔn)確獲得被測(cè)傳感器的幅值和相位；(3)現(xiàn)有能用于絕壓傳感器校準(zhǔn)的正弦壓力校準(zhǔn)裝置，其校準(zhǔn)頻率范圍比較小，基本都在1kHz范圍內(nèi)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)動(dòng)態(tài)絕壓的測(cè)量需求越來越多，例如高層建筑的風(fēng)力測(cè)量，飛機(jī)機(jī)翼表面風(fēng)場(chǎng)測(cè)量，火箭表面壓力測(cè)量等，這些壓力測(cè)量都屬于動(dòng)態(tài)壓力，且低于大氣壓，變化頻率快，需要使用絕壓動(dòng)態(tài)壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量[3]。為滿足絕壓動(dòng)態(tài)壓力傳感器校準(zhǔn)的需要，我們研制了掃頻絕壓校準(zhǔn)裝置，此校準(zhǔn)裝置可以產(chǎn)生低于大氣壓的正弦壓力信號(hào)和掃頻壓力信號(hào)，可用于絕壓傳感器的動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)，校準(zhǔn)裝置的工作頻率范圍為(1～5000)Hz，工作壓力范圍為(1～200)kPaA。

2 關(guān)鍵技術(shù)及裝置構(gòu)成

2.1 掃頻壓力發(fā)生器

掃頻壓力發(fā)生器是掃頻絕壓校準(zhǔn)裝置的關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸入氣體通過氣量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入脈動(dòng)壓力腔1，然后由排氣口排出，氣體排出量的大小由帶有園孔的旋轉(zhuǎn)圓盤控制，當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在脈動(dòng)壓力腔1中形成正弦壓力，當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度線性增加時(shí)，在脈動(dòng)壓力室1中形成掃頻壓力。

圖1 掃頻壓力發(fā)生器結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)圓盤高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓盤切割脈動(dòng)壓力腔1流出的氣體會(huì)產(chǎn)生高頻聲波反射回脈動(dòng)壓力腔1，從而造成脈動(dòng)壓力腔1內(nèi)波形失真。為解決這一問題，設(shè)計(jì)了雙脈動(dòng)壓力腔結(jié)構(gòu)，在兩個(gè)脈動(dòng)壓力發(fā)生腔之間加入專用的機(jī)械濾波器，較好的消除了高頻反射聲波的影響，保證了脈動(dòng)壓力腔2內(nèi)的波形質(zhì)量。

標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測(cè)傳感器對(duì)稱安裝在脈動(dòng)壓力腔2中，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測(cè)傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理即可獲得被測(cè)傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。

圖2給出了旋轉(zhuǎn)圓盤上的圓孔切過脈動(dòng)壓力腔1底部排氣孔時(shí)兩孔之間交叉部分的面積變化示意圖。理論上，通過此交叉部分排出的氣體的質(zhì)量與此交叉面積大小成正比，按公式(1)計(jì)算此面積。

圖2 旋轉(zhuǎn)圓盤圓孔與脈動(dòng)壓力腔1底部排氣孔交叉部分面積變化示意圖

(1)

式中：S——圓盤排氣孔交叉部分面積；r——旋轉(zhuǎn)圓盤上圓孔的半徑；θ——為半徑r與垂直于弦的直線之間的夾角。

圖3 面積S計(jì)算示意圖

如圖3所示，當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，θ發(fā)生變化，S隨之而變，當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤以恒定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)S的變化(用“*”表示)如圖4所示，用“+”繪出的是標(biāo)準(zhǔn)正弦波的波形，S的波形與標(biāo)準(zhǔn)正弦波的波形之間最大誤差不超過3%。當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤旋轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化時(shí)即可獲得變頻的S值，從而在脈動(dòng)壓力腔1內(nèi)獲得掃頻壓力信號(hào)。

2.2 掃頻絕壓校準(zhǔn)裝置

圖1給出了掃頻壓力發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，為了將其應(yīng)用于絕壓動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置中，需要增加相應(yīng)的輔助設(shè)備，以保證其能工作于絕壓環(huán)境[4]。圖5給出了掃頻絕壓校準(zhǔn)裝置的構(gòu)成原理圖，圖中輸入氣體通過調(diào)壓閥調(diào)至給定壓力值，大小由壓力監(jiān)視器顯示，此輸入壓力在電磁閥1控制下通過軟管與掃頻壓力發(fā)生器相連，掃頻壓力發(fā)生器通過特殊外殼設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完全密封，然后通過電磁閥2與排氣罐相連，排氣罐通過真空泵抽真空，排氣罐壓力低于緩沖罐壓力，保證氣體正常流動(dòng)，排氣罐體積大小根據(jù)裝置工作時(shí)的壓力要求和氣體流量大小設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)中排氣罐體積為20L。

圖4 當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤以恒定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)面積S的變化波形

圖5 掃頻絕壓校準(zhǔn)裝置構(gòu)成原理圖

裝置工作過程如下：(1)關(guān)閉直通閥，打開電磁閥1、2；(2)開啟真空泵對(duì)系統(tǒng)抽真空；(3)當(dāng)系統(tǒng)壓力低于校準(zhǔn)需要的輸入壓力值后關(guān)閉電磁閥1，打開直通閥，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，使緩沖罐壓力為校準(zhǔn)需要的輸入壓力值；(4)當(dāng)排氣罐壓力達(dá)到滿足傳感器校準(zhǔn)需要的壓力值后啟動(dòng)電機(jī)工作，當(dāng)電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速值后打開電磁閥1，并通過數(shù)據(jù)采集儀采集被測(cè)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出信號(hào)；(5)信號(hào)采集完成后關(guān)閉電機(jī)，關(guān)閉電磁閥1、2；(6)對(duì)采集數(shù)據(jù)處理獲得校準(zhǔn)結(jié)果；(7)更換被校壓力傳感器，開啟電磁閥2；(8)重復(fù)(4)～(7)步；(9)校準(zhǔn)完成后關(guān)閉真空泵，關(guān)閉直通閥，使系統(tǒng)回到大氣壓力環(huán)境狀態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)絕壓環(huán)境的壓力調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)了專用壓力調(diào)節(jié)閥，如圖6所示,此調(diào)壓閥采用雙彈簧推單膜片調(diào)壓結(jié)構(gòu),通過合理的彈簧設(shè)計(jì),可保證調(diào)壓閥在絕壓環(huán)境仍然具有較好的調(diào)壓和穩(wěn)壓作用,且能滿足校準(zhǔn)裝置需要的大流量的要求,使系統(tǒng)達(dá)到了滿意的效果。圖7給出了工作壓力為絕壓10kPa時(shí)裝置產(chǎn)生的(5～100)Hz的掃頻壓力信號(hào)。

圖6 絕壓調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)圖

圖7 (5～100)Hz掃頻絕壓信號(hào)

3 數(shù)據(jù)處理

設(shè)被測(cè)壓力傳感器的傳遞函數(shù)為h(t)，由公式(2)計(jì)算[5]

(2)

式中：k1(t)——標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的靈敏度；V2(t)——被測(cè)壓力傳感器的輸出信號(hào)；V1(t)——標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的輸出信號(hào)。

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器具有單一諧振頻率，阻尼比小于0.1，諧振頻率大于200kHz時(shí)，用此標(biāo)準(zhǔn)傳感器對(duì)頻率測(cè)量范圍小于5kHz的壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)傳感器的靈敏度k1(t)可用其靜態(tài)標(biāo)定的靈敏度K1替代，由此引起的幅值測(cè)量誤差小于0.2%，相位誤差小于0.15°。公式(3)為h(t)的頻域函數(shù)計(jì)算公式

(3)

式中：H(jω)—是被測(cè)傳感器的頻域傳遞函數(shù)；K1——靜態(tài)標(biāo)定的靈敏度；V2(ω)——V2(t)的幅頻函數(shù)；φ2(ω)——V2(t)的相頻函數(shù)；V1(ω)——V1(t)的幅頻函數(shù)；φ1(ω)——V1(t)的相頻函數(shù)。

h(t)的幅頻函數(shù)計(jì)算公式

(4)

h(t)的相頻計(jì)算公式

?(ω)=φ2(ω)-φ1(ω)

(5)

當(dāng)ω=ωm時(shí)，則有

(6)

式中：V(ωm)——傳感器輸出電壓信號(hào)V(t)所含頻率成分ωm對(duì)應(yīng)的幅值；V(am)——傳感器輸出電壓信號(hào)V(t)所含頻率成分ωm對(duì)應(yīng)的y坐標(biāo)分量幅值；V(bm)——傳感器輸出電壓信號(hào)V(t)所含頻率成分ωm對(duì)應(yīng)的x坐標(biāo)分量幅值。

(7)

式中：φ(ωm)——傳感器輸出電壓信號(hào)V(t)所含頻率成分ωm對(duì)應(yīng)的相位。

(8)

式中：M——時(shí)域數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；V(tk)——傳感器輸出電壓信號(hào)V(t)第k個(gè)采樣值。

(9)

通過測(cè)得的V1(tk)和V2(tk)數(shù)據(jù)，由公式(4)～公式(9)，可以獲得被測(cè)壓力傳感器完整的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖8是用本裝置獲得的被測(cè)傳感器的實(shí)際校準(zhǔn)曲線。由測(cè)試曲線可以獲得被測(cè)壓力傳感器的諧振頻率為915Hz，而該傳感器的諧振頻率理論計(jì)算值為950Hz。

圖8 被測(cè)傳感器的實(shí)際校準(zhǔn)曲線

5 結(jié)束語

研制成功一種新的掃頻絕壓校準(zhǔn)裝置，其工作頻率范圍為(1～5000)Hz，工作壓力范圍為(1～200)kPa。用此校準(zhǔn)裝置對(duì)壓力傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)，獲得了完整的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，并獲得了被測(cè)壓力傳感器的諧振頻率，本校準(zhǔn)裝置的工作效率遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的正弦壓力校準(zhǔn)裝置。