掃頻絕壓校準裝置的設計與實現

張大有 溫世仁 孫鳳舉 武東建 焦鑫鑫

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

在工業和科學應用中，動態壓力是一個重要的物理量[1,2]，動態壓力測量需要選擇具有合適的動態特性的壓力傳感器，為滿足不同動態壓力傳感器校準的需要，許多動態壓力校準裝置被開發出來，最常見的動態壓力校準裝置是正弦動態壓力校準裝置，但目前開發的正弦動態壓力校準裝置存在以下幾個問題：(1)校準結果是離散的，不能獲得連續的幅頻特性和相頻特性曲線；(2)在傳感器共振頻率點附近很難準確獲得被測傳感器的幅值和相位；(3)現有能用于絕壓傳感器校準的正弦壓力校準裝置，其校準頻率范圍比較小，基本都在1kHz范圍內。

隨著科學技術的發展，人們對動態絕壓的測量需求越來越多，例如高層建筑的風力測量，飛機機翼表面風場測量，火箭表面壓力測量等，這些壓力測量都屬于動態壓力，且低于大氣壓，變化頻率快，需要使用絕壓動態壓力傳感器進行測量[3]。為滿足絕壓動態壓力傳感器校準的需要，我們研制了掃頻絕壓校準裝置，此校準裝置可以產生低于大氣壓的正弦壓力信號和掃頻壓力信號，可用于絕壓傳感器的動態特性校準，校準裝置的工作頻率范圍為(1～5000)Hz，工作壓力范圍為(1～200)kPaA。

2 關鍵技術及裝置構成

2.1 掃頻壓力發生器

掃頻壓力發生器是掃頻絕壓校準裝置的關鍵部件之一，其結構如圖1所示，輸入氣體通過氣量調節閥進入脈動壓力腔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圓盤控制，當旋轉圓盤勻速轉動時，在脈動壓力腔1中形成正弦壓力，當旋轉圓盤轉動速度線性增加時，在脈動壓力室1中形成掃頻壓力。

圖1 掃頻壓力發生器結構

旋轉圓盤高速運轉時，旋轉圓盤切割脈動壓力腔1流出的氣體會產生高頻聲波反射回脈動壓力腔1，從而造成脈動壓力腔1內波形失真。為解決這一問題，設計了雙脈動壓力腔結構，在兩個脈動壓力發生腔之間加入專用的機械濾波器，較好的消除了高頻反射聲波的影響，保證了脈動壓力腔2內的波形質量。

標準傳感器和被測傳感器對稱安裝在脈動壓力腔2中，檢測標準傳感器和被測傳感器的輸出信號，經數據處理即可獲得被測傳感器的動態特性參數。

圖2給出了旋轉圓盤上的圓孔切過脈動壓力腔1底部排氣孔時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量與此交叉面積大小成正比，按公式(1)計算此面積。

圖2 旋轉圓盤圓孔與脈動壓力腔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計算示意圖

如圖3所示，當旋轉圓盤轉動時，θ發生變化，S隨之而變，當旋轉圓盤以恒定速度旋轉時S的變化(用“*”表示)如圖4所示，用“+”繪出的是標準正弦波的波形，S的波形與標準正弦波的波形之間最大誤差不超過3%。當旋轉圓盤旋轉速度發生變化時即可獲得變頻的S值，從而在脈動壓力腔1內獲得掃頻壓力信號。

2.2 掃頻絕壓校準裝置

圖1給出了掃頻壓力發生器的結構，為了將其應用于絕壓動態壓力校準裝置中，需要增加相應的輔助設備，以保證其能工作于絕壓環境[4]。圖5給出了掃頻絕壓校準裝置的構成原理圖，圖中輸入氣體通過調壓閥調至給定壓力值，大小由壓力監視器顯示，此輸入壓力在電磁閥1控制下通過軟管與掃頻壓力發生器相連，掃頻壓力發生器通過特殊外殼設計實現完全密封，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，排氣罐體積大小根據裝置工作時的壓力要求和氣體流量大小設計，本系統中排氣罐體積為20L。

圖4 當旋轉圓盤以恒定速度旋轉時面積S的變化波形

圖5 掃頻絕壓校準裝置構成原理圖

裝置工作過程如下：(1)關閉直通閥，打開電磁閥1、2；(2)開啟真空泵對系統抽真空；(3)當系統壓力低于校準需要的輸入壓力值后關閉電磁閥1，打開直通閥，調節調壓閥，使緩沖罐壓力為校準需要的輸入壓力值；(4)當排氣罐壓力達到滿足傳感器校準需要的壓力值后啟動電機工作，當電機達到設定轉速值后打開電磁閥1，并通過數據采集儀采集被測傳感器和標準傳感器的輸出信號；(5)信號采集完成后關閉電機，關閉電磁閥1、2；(6)對采集數據處理獲得校準結果；(7)更換被校壓力傳感器，開啟電磁閥2；(8)重復(4)～(7)步；(9)校準完成后關閉真空泵，關閉直通閥，使系統回到大氣壓力環境狀態。

為了實現絕壓環境的壓力調節，設計了專用壓力調節閥，如圖6所示,此調壓閥采用雙彈簧推單膜片調壓結構,通過合理的彈簧設計,可保證調壓閥在絕壓環境仍然具有較好的調壓和穩壓作用,且能滿足校準裝置需要的大流量的要求,使系統達到了滿意的效果。圖7給出了工作壓力為絕壓10kPa時裝置產生的(5～100)Hz的掃頻壓力信號。

圖6 絕壓調壓閥結構圖

圖7 (5～100)Hz掃頻絕壓信號

3 數據處理

設被測壓力傳感器的傳遞函數為h(t)，由公式(2)計算[5]

(2)

式中：k1(t)——標準壓力傳感器的靈敏度；V2(t)——被測壓力傳感器的輸出信號；V1(t)——標準壓力傳感器的輸出信號。

當標準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，用此標準傳感器對頻率測量范圍小于5kHz的壓力傳感器進行校準時，標準傳感器的靈敏度k1(t)可用其靜態標定的靈敏度K1替代，由此引起的幅值測量誤差小于0.2%，相位誤差小于0.15°。公式(3)為h(t)的頻域函數計算公式

(3)

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

h(t)的幅頻函數計算公式

(4)

h(t)的相頻計算公式

?(ω)=φ2(ω)-φ1(ω)

(5)

當ω=ωm時，則有

(6)

式中：V(ωm)——傳感器輸出電壓信號V(t)所含頻率成分ωm對應的幅值；V(am)——傳感器輸出電壓信號V(t)所含頻率成分ωm對應的y坐標分量幅值；V(bm)——傳感器輸出電壓信號V(t)所含頻率成分ωm對應的x坐標分量幅值。

(7)

式中：φ(ωm)——傳感器輸出電壓信號V(t)所含頻率成分ωm對應的相位。

(8)

式中：M——時域數據采樣點個數；V(tk)——傳感器輸出電壓信號V(t)第k個采樣值。

(9)

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

4 試驗結果

圖8是用本裝置獲得的被測傳感器的實際校準曲線。由測試曲線可以獲得被測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算值為950Hz。

圖8 被測傳感器的實際校準曲線

5 結束語

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