動態壓力的分析研究

孫娟萍 安巧絨

中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089

動態壓力的分析研究

孫娟萍 安巧絨

中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089

為了避免以往實際應用中只關注壓力傳感器的靜態指標，忽略了它的動態性能指標而導致的潛在問題，提出了對壓力傳感器進行動態分析研究，并通過Matlab仿真得到了某型壓力傳感器的動態性能指標，為更全面地了解傳感器的工作性能提供了有利依據。

動態壓力；壓力傳感器；Matlab仿真

引言

目前，動態壓力廣泛應用于工業生產和科研領域中，例如內燃機、汽輪機、火箭發動機中的壓力基本都是動態的，槍炮的膛壓及爆炸沖擊波均是動態壓力，各種工業控制設備和動力機械中的液壓、氣動裝置的脈沖壓力也是動態壓力的。而在飛機試飛階段，以往大多只注重如何提高靜態測試的準確度，傳感器的動態特性常常被忽略，這將導致許多潛在問題，如發動機喘振[1]、失速及停車問題，就是因為只考慮到穩態畸變而未考慮到動態畸變。本文主要進行壓力傳感器的動態研究分析。

1.動態壓力基本原理

1.1 動態壓力的激勵信號

動態壓力常用的激勵信號有周期型和非周期型兩類，具體如圖1所示。

圖1 動態壓力校準常用的激勵信號類型

1.2 動態壓力的校準裝置

對于不同的激勵信號所選用的校準裝置也是不同的，校準裝置也可分為周期型和非周期型[2][3]。對于周期型激勵信號，如正弦波激勵信號，可選用現場校準裝置，它變質量類、出口調制型動態壓力發生器，體積小，產生的壓力頻率和幅值范圍寬。對于非周期型激勵信號，如階躍激勵信號常用激波管和快開閥裝置來校準，其中激波管可產生上升時間非常短的階躍信號，且校準頻率上限可達1M H Z以上，但它的校準壓力低，且無法獲得低頻的頻響特性；快開閥可提供的校準壓力高，且幅值誤差小，但上升時間長。另外，對于非周期型激勵信號如脈沖激勵信號常用落錘式脈沖壓力發生器和準δ函數發生器來校準，其中落錘式脈沖壓力發生器的結構簡單，校準壓力大，但不適合對其進行全面的動態響應校準；準δ函數發生器的校準頻率范圍很寬，數據處理方便，但波形難以確定，干擾大。所以具體應用中，必須根據被校壓力傳感器的量程、使用場合、校準目的和要求，選擇校準裝置和方法。

2.壓力傳感器的系統分析

壓力傳感器一般是一個多自由度系統，為了研究方便，可將它簡化為單自由度二階線性系統[4]，其傳遞函數可設為：

其中K為靜態靈敏度，ε為阻尼比，ω n為系統的固有頻率。由于（1）式中K可視為一個放大系數，所以此處只對如下的（2）式進行研究。

（2）式也可寫成下面（3）式的形式，其中（2）式常用于壓力傳感器的時域分析中，（3）式常用于壓力傳感器的頻域分析中。

壓力傳感器對階躍輸入時的時域響應如圖2所示，圖中四條曲線分別為ε=0、0. 3、1.0、2.0，其中ε=0表示零阻尼狀態，ε=0.3表示欠阻尼狀態，ε=1.0表示臨界阻尼狀態，ε=2.0表示過阻尼狀態。從圖2中可得到我們關心的上升時間、峰值、調節時間、超調量、靈敏度和阻尼比等參數值，有利于分析傳感器的動態特性。

圖2 單位階躍響應曲線

將（3）式傳遞函數中的s用j ω代替，即可得到相應的頻率特性，其傳遞函數就變為（4）式：

則可得到幅頻關系為：

相頻關系為：

通過幅頻關系和相頻關系可得到諧振頻率和諧振峰值，即當ω從零變化到無窮大的過程中，A(ω)達到極大值時對應的幅值就是諧振峰值，對應的頻率就是諧振頻率。這對于找到共振頻率點是極其重要的。

3.實例分析

當某型壓力傳感器的傳遞函數為（5）式所示：

通過Matlab仿真[5]出它對單位階躍激勵信號的響應曲線，如圖3所示，并可知該傳感器的動態性能指標為：固有頻率ωn=10；阻尼比ε=0.5；超調量σ%=16.3%；調節時間ts=0.7s；峰值時間tp=0.363s等。

圖3 某傳感器的單位階躍響應曲線將（5）式可變換成下式所示：

通過Matlab仿真出它的幅相頻率特性曲線，如圖4所示，并可知該傳感器的諧振頻率為7.07，諧振峰值為1.15。這對避免共振提供了重要的數據。

圖4 幅相頻率特性曲線

4.結束語

對動態壓力進行研究是十分有必要的，如有些直流低頻傳感器對于相同的靜態或動態輸入壓力可能產生不同的響應；所有壓力傳感器的輸出都由頻率決定。所以本文通過對壓力傳感器施加激勵信號，產生動態響應，分析了其響應時間、峰值、幅頻特性、相頻特性以及動態靈敏度等動態指標，為后續的相關分析提供了重要依據。

[1].李世林.飛行中喘振的預防與處置[J]. 北京:中國科技信息.2011年第10期:50-52

[2].張力,盛曉巖,李程. 幾種動態壓力校準裝置[J]. 北京:中國航空工業第三零四所.139-143

[3].T.Kobata, A.Ooiwa. Development of dynamic pressure generator using new rotati value system, Proceedings 14th Imeko World Congress, Tampere, Finland, June1-6, 199pp:122-127

[4].盧京潮.自動控制原理[M]. 陜西:西北工業大學出版社.2004:127-136

[5].張平. MATLAB基礎與應用簡明教程[M].北京:北京航空航天科技大學出版社.2003: 80-129

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.018

孫娟萍 畢業于西北工業大學檢測技術與自動化裝置專業，現為助理工程師，主要工作以傳感器為主。