基于正弦压力方法的半无限长管特性研究

中国航发湖南动力机械研究所 倪立斌

压力测试过程中，通常会使用引压管将被测压力传送到传感器,这样就会产生容腔效应，容腔效应的存在会大大影响测压系统的频率响应特性[1-3]。而动压测量要求测试系统具有较高的频响，引压管系的固有频率直接决定了测试系统的频率，研究表明无共振管系可以改善管系的频率特性[5]，因此对其开展研究具有实际意义。工程上常用一个半无限长管来近似获得无共振管系的优良特性。图1为常用半无限长管结构示意图。

图1 半无限长管结构

本文设计了不同内径的直通和三通引压管，及不同长度的半无限长管，分别将其与高频库力特传感器相连，在正弦压力发生器上对其进行动态校准，主要分析了半无限长管对动态压力测试系统幅频特性的影响。

1.试验设备及方法

1.1 试验设备

半无限长管对动态频响特性的影响主要集中在幅频特性上，其标定方法是给有限引压管和半无限引压管输入相同的动态压力信号，通过动态压力传感器采集到的输出信号来研究两种引压管结构幅频特性的差异。正弦压力校准装置可以产生频率连续变化的正弦波，是获得幅频及相频特性的理想装置。本次试验所用正弦压力校准装置主要性能指标如下：

(1)正弦压力频率范围：1～3000Hz；(2)压力峰峰值：△P=(0.05～2)MPa；(3)压力平均值：P=(0.5～4)MPa；(4)压力幅值不确定度：<5%；

(5)相位不确定度：2°(1～200)Hz，3°(200～3000）Hz；

1.2 试验方法

为了解半无限长管对管路特性的影响，本次试验设计了长度为6cm，内径分别为2、3、4mm的直通和三通刚性管，同时还加工了5、10、15m的尼龙管。被校压力传感器采用美国库力特公司C59-80型压阻式传感器。

试验时，首先在正弦压力发生器上接入有限引压管，然后按照设定的频率值从低频到高频不断改变正弦压力信号的频率，获取不同内径下，被校传感器和标准传感器的压力信号。其次将三通管和不同长度的尼龙管组合接入，同样获取相同工况下的两路压力信号。

试验完成后，对标准传感器（符号：Pb）和被校传感器（符号：Pj）的输出信号的进行快速傅立叶变换（FFT分析），从幅频图上读得两个传感器对应于校准频率的幅值FPj和FPb，再由公式(1)计算出两者的幅值相对误差ΔF。

2.试验结果分析

对不同内径下被校传感器和标准传感器所测压力信号进行FFT分析，即可得到不同校准频率下两路信号的幅值。

为了更好的表现出被校传感器和标准传感器之间的关系，采用公式1中的无量纲参数幅值相对误差ΔF来表征两者之间的关系。图2为幅值相对误差随频率的变化情况，可以看出不同内径情况下，400Hz以内时，幅值相对误差曲线比较平坦，变化缓慢，表明在低频段内径的变化对幅值影响不大；超过400Hz以后随频率增加而急剧增大，当到达某一频率值时开始下降，这说明每个不同内径的管路都有一个最大共振点，可以认为这是每种内径下有限引压管的谐振频率，内径不同谐振频率不一样，内径越大谐振效应越明显，谐振频率也越大。

图2 幅值相对误差随频率的变化图

将不同长度下幅值相对误差的变化绘于一张图中，图3为2～4mm内径下的曲线图。从图中可以看出，内径2～3mm时没有峰值点出现，而4mm内径时，在三种管长下有峰值出现，但与未接半无限长管时相对比则小了很多。还可以发现：在所有内径下，5m长管在某段频率内均出现了振荡现象，其它两种长度下则没有该现象，说明5m的管长并不能完全消除反射回来的驻波，而10m以上的半无限管则表现更好一些，因此在实际测量中，在条件允许的情况下，应考虑使半无限管尽可能长。

此外，图中还可以看出，随着内径的增大，幅值相对误差不断变化，由负值逐渐转变为正值；3mm和4mm内径下相对误差最小。因此，在实际测量中宜使用此两种内径的管路。

图3 内径2～4mm时幅值相对误差的变化图

3.结论

（1）接入有限长管时，被校传感器和标准传感器波形基本一致，幅值有差别，被校传感器的幅频特性曲线在某个频率点附近会出现明显的峰值，内径不同出现峰值的频率不一样。

（2）接入半无限长管能够显著减弱引压管腔的谐振效应，对比有限长管幅值相对误差降低的比较明显；相位上会产生滞后，在低频段相位滞后不大，但随着频率的增加相位角近似成线性增大。

（3）所有内径下，5m长管在低频段内均会出现振荡现象，而10m以上的半无限管无此现象，因此实际应用中，半无限管长度宜大于10m才能获得更好的预期效果。

[1]张训文,陈曦,朱琦等.压力传感器管腔效应问题研究[J].测试技术学报,2002,16(增刊1):387-390.

[2]李继超,王偲臣,林峰等.一种容腔效应标定技术及其在高频响动态探针中的应用[J].航空动力学报,2011,26(12):2749-2756.

[3]柳兆荣,陈金娥,黄东群.压力传感器频率响应的分析[J].力学学报,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.