扫频绝压校准装置的设计与实现

张大有 温世仁 孙凤举 武东建 焦鑫鑫

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

在工业和科学应用中，动态压力是一个重要的物理量[1,2]，动态压力测量需要选择具有合适的动态特性的压力传感器，为满足不同动态压力传感器校准的需要，许多动态压力校准装置被开发出来，最常见的动态压力校准装置是正弦动态压力校准装置，但目前开发的正弦动态压力校准装置存在以下几个问题：(1)校准结果是离散的，不能获得连续的幅频特性和相频特性曲线；(2)在传感器共振频率点附近很难准确获得被测传感器的幅值和相位；(3)现有能用于绝压传感器校准的正弦压力校准装置，其校准频率范围比较小，基本都在1kHz范围内。

随着科学技术的发展，人们对动态绝压的测量需求越来越多，例如高层建筑的风力测量，飞机机翼表面风场测量，火箭表面压力测量等，这些压力测量都属于动态压力，且低于大气压，变化频率快，需要使用绝压动态压力传感器进行测量[3]。为满足绝压动态压力传感器校准的需要，我们研制了扫频绝压校准装置，此校准装置可以产生低于大气压的正弦压力信号和扫频压力信号，可用于绝压传感器的动态特性校准，校准装置的工作频率范围为(1～5000)Hz，工作压力范围为(1～200)kPaA。

2 关键技术及装置构成

2.1 扫频压力发生器

扫频压力发生器是扫频绝压校准装置的关键部件之一，其结构如图1所示，输入气体通过气量调节阀进入脉动压力腔1，然后由排气口排出，气体排出量的大小由带有园孔的旋转圆盘控制，当旋转圆盘匀速转动时，在脉动压力腔1中形成正弦压力，当旋转圆盘转动速度线性增加时，在脉动压力室1中形成扫频压力。

图1 扫频压力发生器结构

旋转圆盘高速运转时，旋转圆盘切割脉动压力腔1流出的气体会产生高频声波反射回脉动压力腔1，从而造成脉动压力腔1内波形失真。为解决这一问题，设计了双脉动压力腔结构，在两个脉动压力发生腔之间加入专用的机械滤波器，较好的消除了高频反射声波的影响，保证了脉动压力腔2内的波形质量。

标准传感器和被测传感器对称安装在脉动压力腔2中，检测标准传感器和被测传感器的输出信号，经数据处理即可获得被测传感器的动态特性参数。

图2给出了旋转圆盘上的圆孔切过脉动压力腔1底部排气孔时两孔之间交叉部分的面积变化示意图。理论上，通过此交叉部分排出的气体的质量与此交叉面积大小成正比，按公式(1)计算此面积。

图2 旋转圆盘圆孔与脉动压力腔1底部排气孔交叉部分面积变化示意图

(1)

式中：S——圆盘排气孔交叉部分面积；r——旋转圆盘上圆孔的半径；θ——为半径r与垂直于弦的直线之间的夹角。

图3 面积S计算示意图

如图3所示，当旋转圆盘转动时，θ发生变化，S随之而变，当旋转圆盘以恒定速度旋转时S的变化(用“*”表示)如图4所示，用“+”绘出的是标准正弦波的波形，S的波形与标准正弦波的波形之间最大误差不超过3%。当旋转圆盘旋转速度发生变化时即可获得变频的S值，从而在脉动压力腔1内获得扫频压力信号。

2.2 扫频绝压校准装置

图1给出了扫频压力发生器的结构，为了将其应用于绝压动态压力校准装置中，需要增加相应的辅助设备，以保证其能工作于绝压环境[4]。图5给出了扫频绝压校准装置的构成原理图，图中输入气体通过调压阀调至给定压力值，大小由压力监视器显示，此输入压力在电磁阀1控制下通过软管与扫频压力发生器相连，扫频压力发生器通过特殊外壳设计实现完全密封，然后通过电磁阀2与排气罐相连，排气罐通过真空泵抽真空，排气罐压力低于缓冲罐压力，保证气体正常流动，排气罐体积大小根据装置工作时的压力要求和气体流量大小设计，本系统中排气罐体积为20L。

图4 当旋转圆盘以恒定速度旋转时面积S的变化波形

图5 扫频绝压校准装置构成原理图

装置工作过程如下：(1)关闭直通阀，打开电磁阀1、2；(2)开启真空泵对系统抽真空；(3)当系统压力低于校准需要的输入压力值后关闭电磁阀1，打开直通阀，调节调压阀，使缓冲罐压力为校准需要的输入压力值；(4)当排气罐压力达到满足传感器校准需要的压力值后启动电机工作，当电机达到设定转速值后打开电磁阀1，并通过数据采集仪采集被测传感器和标准传感器的输出信号；(5)信号采集完成后关闭电机，关闭电磁阀1、2；(6)对采集数据处理获得校准结果；(7)更换被校压力传感器，开启电磁阀2；(8)重复(4)～(7)步；(9)校准完成后关闭真空泵，关闭直通阀，使系统回到大气压力环境状态。

为了实现绝压环境的压力调节，设计了专用压力调节阀，如图6所示,此调压阀采用双弹簧推单膜片调压结构,通过合理的弹簧设计,可保证调压阀在绝压环境仍然具有较好的调压和稳压作用,且能满足校准装置需要的大流量的要求,使系统达到了满意的效果。图7给出了工作压力为绝压10kPa时装置产生的(5～100)Hz的扫频压力信号。

图6 绝压调压阀结构图

图7 (5～100)Hz扫频绝压信号

3 数据处理

设被测压力传感器的传递函数为h(t)，由公式(2)计算[5]

(2)

式中：k1(t)——标准压力传感器的灵敏度；V2(t)——被测压力传感器的输出信号；V1(t)——标准压力传感器的输出信号。

当标准压力传感器具有单一谐振频率，阻尼比小于0.1，谐振频率大于200kHz时，用此标准传感器对频率测量范围小于5kHz的压力传感器进行校准时，标准传感器的灵敏度k1(t)可用其静态标定的灵敏度K1替代，由此引起的幅值测量误差小于0.2%，相位误差小于0.15°。公式(3)为h(t)的频域函数计算公式

(3)

式中：H(jω)—是被测传感器的频域传递函数；K1——静态标定的灵敏度；V2(ω)——V2(t)的幅频函数；φ2(ω)——V2(t)的相频函数；V1(ω)——V1(t)的幅频函数；φ1(ω)——V1(t)的相频函数。

h(t)的幅频函数计算公式

(4)

h(t)的相频计算公式

Ø(ω)=φ2(ω)-φ1(ω)

(5)

当ω=ωm时，则有

(6)

式中：V(ωm)——传感器输出电压信号V(t)所含频率成分ωm对应的幅值；V(am)——传感器输出电压信号V(t)所含频率成分ωm对应的y坐标分量幅值；V(bm)——传感器输出电压信号V(t)所含频率成分ωm对应的x坐标分量幅值。

(7)

式中：φ(ωm)——传感器输出电压信号V(t)所含频率成分ωm对应的相位。

(8)

式中：M——时域数据采样点个数；V(tk)——传感器输出电压信号V(t)第k个采样值。

(9)

通过测得的V1(tk)和V2(tk)数据，由公式(4)～公式(9)，可以获得被测压力传感器完整的幅频特性曲线和相频特性曲线。

4 试验结果

图8是用本装置获得的被测传感器的实际校准曲线。由测试曲线可以获得被测压力传感器的谐振频率为915Hz，而该传感器的谐振频率理论计算值为950Hz。

图8 被测传感器的实际校准曲线

5 结束语

研制成功一种新的扫频绝压校准装置，其工作频率范围为(1～5000)Hz，工作压力范围为(1～200)kPa。用此校准装置对压力传感器进行了校准，获得了完整的幅频特性曲线和相频特性曲线，并获得了被测压力传感器的谐振频率，本校准装置的工作效率远优于传统的正弦压力校准装置。