淺談如何對(duì)專用測(cè)試設(shè)備應(yīng)用動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試技術(shù)

陳敏，曾建德，介克

(北京航科發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)科技有限公司，北京102200)

0 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈上使用的每臺(tái)專用測(cè)試設(shè)備都與航空發(fā)動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品的質(zhì)量息息相關(guān)，如何確保這些專用測(cè)試設(shè)備的測(cè)試試驗(yàn)質(zhì)量，是一個(gè)非常重要的問題。近年來，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)在研型號(hào)任務(wù)的逐漸增多，用于對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件產(chǎn)品做各項(xiàng)測(cè)試試驗(yàn)的專用測(cè)試設(shè)備也隨著型號(hào)測(cè)試的需求不斷增多，對(duì)各類專用測(cè)試設(shè)備的測(cè)試要求也逐漸多元化、自動(dòng)化、現(xiàn)代化，對(duì)專用測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)、制作、維護(hù)等各個(gè)方面的要求都達(dá)到了前所未有的高度。

我們知道，作為測(cè)試試驗(yàn)設(shè)備，專用測(cè)試設(shè)備大多數(shù)既是測(cè)量系統(tǒng)，又是控制系統(tǒng)，往往與傳感器等其它測(cè)試設(shè)備相連互動(dòng)，并裝有多種模塊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。它不僅包括用于監(jiān)測(cè)試驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的測(cè)試系統(tǒng)，還必須有動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)械液壓系統(tǒng)等。從儀器設(shè)備的角度來分析，如果測(cè)試系統(tǒng)是專用測(cè)試設(shè)備的表，那么，動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)械液壓系統(tǒng)就是專用測(cè)試設(shè)備的源，測(cè)試表和測(cè)試源組合在一起，才能成為可以測(cè)試產(chǎn)品所要求試驗(yàn)數(shù)據(jù)的專用測(cè)試設(shè)備。

要將專用測(cè)試設(shè)備建成動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，必須是能覆蓋測(cè)試設(shè)備所涉及的各類試驗(yàn)參數(shù)指標(biāo)，但完全實(shí)現(xiàn)起來是很困難的。一般而言，壓力參數(shù)是動(dòng)力工業(yè)產(chǎn)品最重要的測(cè)試參數(shù)之一，也是最常見、最具代表性的試驗(yàn)指標(biāo)之一。因此，本文將著眼于以壓力測(cè)試為主要測(cè)試系統(tǒng)的專用測(cè)試設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試的相關(guān)技術(shù)，淺談如何對(duì)專用測(cè)試設(shè)備應(yīng)用動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試技術(shù)，以作為專用測(cè)試設(shè)備綜合動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)。

1 專用測(cè)試設(shè)備應(yīng)用動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試技術(shù)的初步研究

以往在壓力測(cè)試領(lǐng)域，人們大多注重如何提高靜態(tài)測(cè)試的準(zhǔn)確度，壓力動(dòng)態(tài)過程往往被忽略，這導(dǎo)致許多問題。20 世紀(jì)60 年代，動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試校準(zhǔn)技術(shù)研究逐漸被重視起來。航空航天、汽車、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域涉及大量的壓力測(cè)量任務(wù)，技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，使得動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)和科研方面存在著廣泛而重要的需求。事實(shí)上，動(dòng)態(tài)壓力廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域中，例如內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的壓力基本都是動(dòng)態(tài)的;飛機(jī)及火箭中的壓力大多也是動(dòng)態(tài)的;各種工業(yè)控制設(shè)備和動(dòng)力機(jī)械中的液壓、氣動(dòng)裝置的脈動(dòng)壓力等均是動(dòng)態(tài)壓力。

2 專用測(cè)試設(shè)備動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求

通過以下工作，可以基本完成動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試工作，完成動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)樣機(jī)的試制。

2.1 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)，一般先選擇一個(gè)理想的方案(主要是測(cè)試變換原理)，從使用要求出發(fā)，比較各類可用的變換原理，最后選定最佳方案。必要時(shí)需在大量調(diào)查的基礎(chǔ)上，進(jìn)行方案論證，以確保正確的起點(diǎn)，這對(duì)設(shè)計(jì)成功與否具有非常重要的作用。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成方框圖的確定

選定測(cè)試方案之后，就應(yīng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成方框圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。可以找些參考方案，但一定要綜合工作原理、精度要求及條件等重要的相關(guān)因素來確定。在確定方框圖以后，隨之確定對(duì)各環(huán)節(jié)的要求。

2.3 環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和制造

對(duì)于動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)，必須具有非常高的自動(dòng)化程度。因此，我們必須對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)分別進(jìn)行自動(dòng)化相關(guān)設(shè)計(jì)，包括機(jī)械、電氣線路、軟件等設(shè)計(jì)。主要困難在于動(dòng)態(tài)傳感器的選用、測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)械和電氣系統(tǒng)的自動(dòng)化相關(guān)設(shè)計(jì)，另外，虛擬儀器的硬件、軟件設(shè)計(jì)也是設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的難點(diǎn)，可能要經(jīng)歷多次模擬運(yùn)行才可能適合設(shè)計(jì)需要，然后進(jìn)行加工制造和組裝調(diào)試。

2.4 總裝調(diào)試和試驗(yàn)分析

在各環(huán)節(jié)制造、調(diào)試完畢之后，可以進(jìn)行總裝，構(gòu)成需要的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)后再進(jìn)行聯(lián)調(diào)。一般要與擬被測(cè)對(duì)象相聯(lián)系來進(jìn)行調(diào)試。往往在總裝調(diào)試中會(huì)出現(xiàn)一些問題，如設(shè)計(jì)不合理、器件匹配不當(dāng)?shù)龋瑧?yīng)加以修改。通常，問題的多少與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)，因此，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)籌備階段，必須盡可能多地了解相關(guān)知識(shí)，掌握與動(dòng)態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)標(biāo)定相關(guān)的各類技術(shù)資料。

2.5 基本特性、指標(biāo)的測(cè)試和性能考核

在完成所有的修改及調(diào)試工作后，就可以對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行基本性能的測(cè)試試驗(yàn)，包括精度分析、基本誤差的測(cè)定、外界使用條件的性能試驗(yàn)(如電源波動(dòng)、溫度、濕度、氣壓、振動(dòng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等)等。通過測(cè)試試驗(yàn)，分析出各種誤差的大小。為了確定動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的基本誤差，還要對(duì)測(cè)試條件、手段進(jìn)行誤差分析，最后給出動(dòng)態(tài)測(cè)試誤差的綜合指標(biāo)。

3 建立動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)的具體實(shí)施方案時(shí)需要注意的問題

3.1 測(cè)壓點(diǎn)的選擇、布置、壓力傳感器安裝

根據(jù)動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)試原理，動(dòng)態(tài)壓力的取壓點(diǎn)，應(yīng)在被測(cè)介質(zhì)流動(dòng)的直線管道上，而不能在急彎、閥門、死角或渦流處，同時(shí)又要便于儀表的維護(hù)和檢修。而且，安裝位置應(yīng)符合安裝狀態(tài)的要求，注意安裝位置與測(cè)壓點(diǎn)的液柱差的修正，且要保證密封性，不應(yīng)有泄漏或滲漏現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)工作介質(zhì)為腐蝕性、高溫等情況，或被測(cè)壓力有劇烈變化的情況，均應(yīng)采取一定的保護(hù)設(shè)計(jì)措施。

3.2 動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)虛擬儀器設(shè)計(jì)

虛擬儀器是一種可以由用戶自己定義、自己專用的新型儀器系統(tǒng)，這類儀器功能靈活，容易構(gòu)建，升級(jí)換代方便快捷，計(jì)算機(jī)普及以來，虛擬儀器技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，越來越多地應(yīng)用在科研開發(fā)、測(cè)試控制、計(jì)量檢測(cè)、生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，是不可多得的好工具，為提高科學(xué)技術(shù)發(fā)展起到了非常積極的作用。

虛擬儀器包括硬件和軟件兩大部分。硬件主要包括信號(hào)調(diào)理與采集單元、電路轉(zhuǎn)換及測(cè)試單元等。信號(hào)調(diào)理電路主要完成系統(tǒng)中控制信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和測(cè)試信號(hào)等的規(guī)整、調(diào)理及控制等功能。動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)采用處理的實(shí)時(shí)性要求非常高，所有測(cè)試通道都必須進(jìn)行并行設(shè)計(jì)，為了保證動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，必須采用采用速率足夠高的單元數(shù)據(jù)采集設(shè)備，在選擇虛擬儀器系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路、電路轉(zhuǎn)換及測(cè)試單元等虛擬儀器硬件設(shè)施都必須考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性處理要求。

虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)中最后的也是最重要的一環(huán)，系統(tǒng)采集到的所有數(shù)據(jù)都同時(shí)匯集到此一起分析、處理，還要有友好的操作、顯示、動(dòng)態(tài)標(biāo)定界面，要想做好這個(gè)環(huán)節(jié)的工作，必須在踏實(shí)做好前期的采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建工作的同時(shí)，完全了解測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、傳感器性能、虛擬儀器的I/O 接口設(shè)備技術(shù)特性，在軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)用上下足功夫。

3.3 動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析和處理

建立動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)，可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立虛擬儀器測(cè)量的非參數(shù)測(cè)量模型，推導(dǎo)出測(cè)量模型的解析表達(dá)式、測(cè)量不確定度傳播系數(shù)、測(cè)量不確定度來源相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量不確定度評(píng)定。

3.4 動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)定方案選取

動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)一般是由壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集調(diào)理系統(tǒng)、顯示及輸出系統(tǒng)等組成，另外還要設(shè)計(jì)安裝一些可對(duì)壓力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測(cè)量的輔助測(cè)試系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)在正式投入使用前，必須對(duì)其進(jìn)行全系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定/校準(zhǔn)，僅對(duì)動(dòng)態(tài)壓力傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢定或校準(zhǔn)，不能全面反映測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，因而應(yīng)盡量對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)標(biāo)定或校準(zhǔn)。

結(jié)合被測(cè)試對(duì)象的特點(diǎn)，可以確定動(dòng)態(tài)標(biāo)定方案為動(dòng)態(tài)壓力傳感器、溫度傳感器和虛擬儀器設(shè)備整套送檢方式，將所用的動(dòng)態(tài)壓力裝置送檢到304 所等可以用激波管動(dòng)態(tài)壓力標(biāo)準(zhǔn)或正弦壓力標(biāo)準(zhǔn)檢定動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)的計(jì)量機(jī)構(gòu)，或者自行設(shè)計(jì)制作符合動(dòng)態(tài)標(biāo)定要求的動(dòng)態(tài)標(biāo)定/校準(zhǔn)設(shè)備。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定/校準(zhǔn)前，根據(jù)使用條件，盡量要求標(biāo)定方確定標(biāo)定時(shí)的標(biāo)定條件與使用條件接近或一致，以確保動(dòng)態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、有效。

4 設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)的需要注意的其他問題

4.1 測(cè)壓管路(或傳壓管)的設(shè)計(jì)和安裝

前面已經(jīng)提到，動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試的取壓點(diǎn)應(yīng)在被測(cè)介質(zhì)流動(dòng)的直線管道上，而不能在急彎、閥門、死角或渦流處，同時(shí)又便于儀表的維護(hù)和檢修。安裝位置應(yīng)符合安裝狀態(tài)的要求，注意安裝位置與測(cè)壓點(diǎn)的液柱差修正，且要保證密封性，不應(yīng)有泄漏或滲漏現(xiàn)象發(fā)生。

壓力測(cè)試時(shí)，在很大場(chǎng)合下測(cè)壓傳感器不能直接、準(zhǔn)確地安裝在需測(cè)試的部位，往往需要用連接管道將被測(cè)壓力引向測(cè)壓傳感器，這樣的連接管道成為傳壓管。

圖1 測(cè)壓管路實(shí)物圖

但是，如果動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)采用傳壓管，由于傳壓管的加入，測(cè)壓系統(tǒng)增加了一個(gè)環(huán)節(jié)，被測(cè)壓力信號(hào)先通過傳壓管再作用到傳感器，并被處理、記錄。增加的這個(gè)環(huán)節(jié)，因其自身固有頻率的限制會(huì)對(duì)測(cè)壓系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，會(huì)顯著影響傳感器的頻響特性，會(huì)使測(cè)壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變壞，甚至?xí)斐蓜?dòng)態(tài)壓力測(cè)試曲線的嚴(yán)重失真。

在測(cè)量靜態(tài)壓力時(shí)，傳壓管對(duì)測(cè)量精度沒有多大影響。然而，管道會(huì)使壓力測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變壞，造成動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量誤差。如果管道長(zhǎng)度比較短，壓力波在管道中的一階共振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被測(cè)壓力的頻率，則尚能維持足夠的精度。但是，若連接管道較長(zhǎng)，管道的共振頻率接近甚至低于被測(cè)壓力的頻率，則測(cè)量結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)很大的測(cè)試誤差。

因此，如何準(zhǔn)確地將動(dòng)態(tài)壓力傳感器安裝在所需測(cè)試的部位，通過何種方式安裝，是我們?cè)趧?dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作中的一個(gè)難點(diǎn)。

4.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析和處理

由于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性取決于系統(tǒng)本身以及輸入信號(hào)的形式，因此，工程上常用正弦函數(shù)或單位階躍函數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，從而確立精密測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

按照《測(cè)量不確定度評(píng)定表示指南》，測(cè)量不確定度常采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行評(píng)定，但是在一些實(shí)際工程領(lǐng)域中，傳統(tǒng)評(píng)定方法難以達(dá)到精確的評(píng)定效果。

基于非統(tǒng)計(jì)原理的不確定度評(píng)定主要是通過對(duì)測(cè)量過程中各種有關(guān)信息的分析，以先驗(yàn)概率分布為基礎(chǔ)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參照統(tǒng)計(jì)不確定度的方法，以等價(jià)標(biāo)準(zhǔn)差的形式進(jìn)行估計(jì)。非統(tǒng)計(jì)原理不同于經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，其理論基礎(chǔ)不再是大數(shù)定律和中心極限定理，在處理實(shí)際問題時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)樣本的分布，樣本量的大小沒有特殊的要求，并且在大樣本量的條件下，處理結(jié)果與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法相吻合。

小樣本非統(tǒng)計(jì)原理主要以灰色系統(tǒng)理論、模糊集合理論、貝葉斯理論、信息熵理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、蒙特卡洛理論、自助法和灰自助法等為理論基礎(chǔ)，可研究精密儀器測(cè)量的各種技術(shù)問題，并可以對(duì)一些難以采用統(tǒng)計(jì)方法的問題進(jìn)行處理。

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