壓力掃描閥測壓系統研究進展綜述

王 歡 曾慶華

（中山大學航空航天學院，深圳518107）

1 引言

隨著飛行器、發動機、風洞等試驗中測試技術的發展，人們對于試驗中獲得壓力數據的質量和數量要求越來越高，測壓設備的性能指標對試驗結果的可靠性和數據的準確性尤為重要。由于壓力掃描閥自身具有體積較小、安裝簡易、系統集成化程度高、掃描速率快等優點，不僅能滿足風洞試驗中高準確度的壓力測試需求，而且還應用于大規模的工業流場、葉輪機試驗、壓氣機試驗、橋梁風工程等領域。

近年來，通過將智能壓力傳感器組件與小型嵌入式數據采集系統集成起來，構成的多通道壓力掃描閥，在采集和掃描速率上得以提高。同時，芯片的快速升級實現了傳感器檢測的智能化，使得該系統的測壓技術日趨成熟，應用于目前多通道以及測試條件復雜的試驗中。

2 壓力掃描閥測量技術的發展

壓力掃描閥是由早期的多點壓力測量系統發展而來，它的研究始于軍事和航空發展中測量風洞和流體中分布力的需要，現在也應用在工業生產中。考慮其掃描速率、測壓準確度、實時性、穩定性等性能指標，壓力掃描閥測壓技術一直被視為多通道測壓技術里的前沿領域。

二十世紀50年代以前，風洞試驗和流體動力學實驗中的多點壓力測量通常采用的是液體排管法進行。每次所測量的壓力值可達數百個點，實驗后的數據需要經過人工處理，不僅任務繁重，而且測量的誤差較大、實時性差。

二十世紀60年代，出現了各種新型的壓力傳感器，可以實現將壓力信號轉變為電信號，這是壓力測量技術的重要進步。通過將多個壓力傳感器組成一個整體的測試系統，以此滿足多點壓力測量的任務要求。雖然在一定程度上提高了采集速度，但是成本昂貴。后續的周期檢定也難以提高其準確度，最高準確度一般為0.20%FS～0.30%FS。

之后一段時間，隨著機械壓力掃描閥的快速興起，多點壓力測量技術開始進入了以掃描閥為基礎的新發展方向。它采用高準確度的壓力傳感器以機械掃描的方式，輪流測量各個點的壓力值。盡管掃描周期可以達到（5～10）點/s，但依舊達不到高速風洞試驗對壓力采集的要求。

二十世紀80年代初，出現的電子壓力掃描閥測量系統，是充分利用電子技術發展的新成果。系統通過采用多個低成本的硅壓阻式傳感器，使得每一個壓力傳感器都可以對應一個通道的壓力點。電子掃描的方式，解決了機械式壓力掃描閥氣動滯后的問題，提高了系統采集壓力數據的實時性，采集速率達到每秒數萬點，而且還可以通過聯機實時校準技術修正傳感器的誤差，以此來提高測量準確度。

3 國內外研究現狀

3.1 國外研究進展

80年代初，美國壓力系統公司（Pressure System Inc，PSI）率先推出780B 型壓力測量系統，780B 系統由控制器、數據采集、控制單元、壓力校準單元和電子掃描器組成，測量點數為512 點，掃描速率為20000 點/s，測量準確度為±0.10%FS。1986年，美國掃描閥公司（Scanivalve Corp）推出ZOC 系列壓力測量系統，其組成和工作原理與780B 類似，測量點數為512 點，單點掃描次數50000 點/s。隨后幾年，PSI 公司繼續推出第二代測壓系統——PSI8400 壓力測量系統，它是通過一個模塊化的并行壓力采集處理系統，解決了過去技術上受到單個A/D 轉換器、微處理器的限制，可以用于測量氣體和液體的壓力參數。PSI8400 系統每一個輸入單元由一個8位微處理器和獨立采集的硬件組成，每秒可以采集40 萬個通道的數據，準確度可達±0.05%FS。1988年，美國掃描閥公司也開始推出第二代壓力測量系統——HyScan2000 壓力測量系統。利用先進的硬件技術，該系統配有高速A/D 轉換器，掃描速率每秒10 萬測量點，測量準確度達±0.06%FS。

近些年，PSI 公司相繼又推出了9000 系列，如：9116、9216、9816 型電子壓力掃描閥和ESP 系列多通道壓力掃描閥，可測量16、32、64 通道等，最高準確度達±0.03%FS。如圖1所示為9116 電子壓力掃描閥系統。

圖1 9116 電子壓力掃描閥系統Fig.1 9116 electronic pressure scanning valve system

美國掃描閥公司在完善ZOC 系列的同時，也推出了 DSA 系列和 MPS 系列， 最高準確度達±0.05%FS。如圖2所示為DSA3217 電子壓力掃描閥系統。

圖2 DSA3217 電子壓力掃描閥系統Fig.2 DSA3217 electronic pressure scanning valve system

2009年，美國Kulite 公司開始推出壓力掃描閥KMPS 系列，準確度達±0.10%FS。如圖3所示為KMPS-1-64 電子壓力掃描閥系統。

圖3 KMPS-1-64 電子壓力掃描閥系統Fig.3 KMPS-1-64 electronic pressure scanning valve system

在PSI 公司和美國掃描閥公司大力發展壓力掃描閥的同時，國外許多的單位和科研院校也對壓力掃描閥測壓技術進行了大量創新性的研究。針對早期的多點壓力測量系統，Vincent嘗試將壓力傳感器連接到多個壓力點，構成了多通道壓力掃描閥，提高了測壓系統的快速性和準確性。同樣為解決多通道測壓方面的問題，Colburn彈道研究實驗室研制了一種壓力掃描閥系統，能夠接收相當多的壓力，并將數據傳送給少量的記錄系統。氣動裝置還能檢查所有壓力引線和連接的設施，并為傳感器校準提供一個參考真空（或壓力），提供了任何容量的壓力掃描閥原型。

除了拓展壓力掃描閥的多通道研究之外，在極端環境下的測壓研究也在進行。Worst 等改進了一種堅固耐用的16 通道電子壓力掃描閥，它能夠承受與渦輪試驗相關的極端環境條件。它是由端口的傳感器、內部電路和允許在線校準的集成校準閥組成。考慮工作的極端環境，它的設計還包括一個加熱器或冷卻室，以允許極熱或極冷的應用。美國宇航局艾姆斯研究中心Coe 等開發了一種新型的電子壓力掃描閥（ESOP），用于安裝在風洞模型中。ESOP 系統包括多達20 個壓力模塊，每個模塊配有48 個壓力傳感器、1 個A/D 轉換器、1 個微處理器、1 個數據控制器、1 個監控單元和1 個加熱器控制器。Juanarena 等針對現代燃氣輪機設計和開發相關的極端環境條件，提出了一種改進的電子壓力掃描閥的方案，在保持高準確度測壓的同時對極端的溫度和振動免疫，并能夠現場更換壓力傳感器模塊。Kurtz 等提出了一種在惡劣條件下測量多種壓力的方法，包括傳感器接收壓力信號，處理器修改校正壓力信號，存儲器接收修正系數。

隨后，Juanaren 描述了壓力掃描閥的準確度可以在三個主要方面進行改進，包括模塊化設計、傳感器密度改進和壓力選擇基準，打開了壓力掃描閥準確度研究的新方向。在傳感器密度改進的方面，Dahland描述通過采用壓阻式硅壓力傳感器組成陣列的電子壓力掃描閥，對單個測試對象進行多次測量，已經成為許多工業測試和測量應用的主要工具。

進入二十一世紀以后，在試驗研究中出現了與壓力掃描閥共同使用的數據采集或處理軟件。Muthusamy 等利用印度馬德拉斯理工學院亞音速風洞中的壓力掃描閥、六分量平衡和數據采集系統，對飛機模型上的壓力分布、力和力矩進行了估計，確定了模型表面壓力系數的變化。Mack 等通過由內部軟件控制的Pressure Systems 98RK 壓力掃描閥測量所有剖面的壓力分布。Maeda 等在風洞測量中，通過安裝在輪轂上的多端口壓力掃描閥測量了直葉垂直軸風力機的流場和壓力分布，并將測量到的壓力信號通過無線局域網傳輸給固定系統。運輸和交通科學學院航空系空氣動力學實驗室Meznaric 等采用PSI 公司生產的9016 型智能壓力掃描閥，測定了氣動型物體在氣流中周圍的壓力分布，通過以太網鏈路傳輸到計算機，壓力數據的處理采用NUSS 和LabVIEW 軟件。Kumar 等開發了LabVIEW 的特殊算法，用于自動橫移偏航和俯仰方向，也用于壓力掃描閥的壓力數據采集。

最近五年來，面對使用壓力掃描閥進行非定常氣動測量不斷增加的需求， Naughton 等和Nikoueeyan 等提出小型、緊湊、直接安裝式的壓力掃描閥，可以減少連接測量端口到掃描閥系統所需的氣動管道長度，從而提高非定常壓力測量的動態范圍。Hind 等解釋了雖然減小管道的長度可以減少管道摩擦產生的衰減和延遲，但氣動諧振仍然會扭曲采集到壓力信號。Hind 研究了不同的嵌入式氣動管道配置到一個嵌入式壓力掃描閥的動態響應過程，以及不同變形對嵌入式油管系統幾何形狀的依賴性，考慮和量化了隨機誤差和偏差的來源。Semmelmayer 等提出了美國主要風洞設施中壓力掃描閥系統離散噪聲的概率分布，解釋了關于不確定性報告的討論，特別是誤差界定義。為滿足傳感器噪聲和模數轉換不確定性的要求，擬合了一種離散的四參數beta 分布。

3.2 國內研究進展

相對來說，多點壓力測量系統在國內的發展起步比較晚。60年代仍然停留在多點巡回的檢測階段，70年代的研究內容主要是以小型計算機為中心的數據采集和處理系統。自80年代起，微型計算機在我國快速發展，自動檢測技術也日趨成熟。到了90年代，由于高準確度的壓力掃描閥測壓技術受限于美國，多數單位采用單個壓力傳感器組成的測壓系統或采用機械式壓力掃描閥。但也有一些單位、科研院校為了獲得風洞和發動機等試驗中高準確度和可靠的測試數據，選擇引入美國電子壓力掃描閥。

為突破壓力掃描閥測壓技術的封鎖，1991年至1994年期間，西北工業大學鐘誠文團隊先后成功研制出第一代DSY64 電子掃描測壓系統和DSY128電子掃描測壓系統，準確度達±0.10%FS，掃描速率為20000 點/s。1994年1月通過部級鑒定，認為此測壓系統達到國外80年代同類產品的水平。1998年，西工大團隊繼續推出第二代DSY-JB 電子掃描測壓系統，相比于第一代，第二代在結構上也更趨向于標準化和商品化。2001年，西工大團隊研制出DSY2000 電子掃描測壓系統，準確度達±0.05% FS，在掃描速率上可達50000 點/s。2002年，西工大團隊研制出ZDS 智能電子壓力掃描閥，采用最小二乘擬合算法進行數字溫度補償，準確度達±0.06%FS，掃描速率為1000 點/s，測量溫度范圍為0℃～40℃。2004年，西工大團隊繼續研制出DSY2000K 電子掃描測壓系統。2004年底，我國自行研制的兩套發動機試驗自動測控系統——DSY2000 壓力測量系統和ZDS 智能電子壓力掃描閥，通過了專家組驗收。

但高準確度的壓力掃描閥和國外相比，特別是準確度指標、穩定性和溫度范圍上仍有很大差距。近十年來，很多科研單位、企業仍然選擇引進國外現有設備，轉而在軟件上進行二次開發應用或者通過校準技術達到應用需求。高穎等通過分析美國掃描閥公司DSA3217 型壓力掃描閥的結構原理和技術，提出了一種現場原位校準方法，此方法在解決現場原位校準難題的同時，避免了繁瑣的高度差修正工作。經過現場校準后，壓力掃描閥的測量準確度達到±0.10%FS，滿足試驗的技術要求。尹付強在風洞試驗中，引入美國PSI 公司開發的高速高準確度多用途的98RK 電子壓力掃描系統，此款系統的高準確度壓力測量值為±0.05%FS。白雪等首次引入以美國PSI 公司DTC 系列ESP 掃描閥為核心的數據采集系統，提出一種多通道的系統校準方案，根據方案進行比對校準試驗，校準試驗的結果用于分析系統準確度，評定試驗數據的不確定度。王艷介紹了美國PSI 公司PSI8400 電子壓力掃描閥在風洞的應用，并且以VB6 為軟件平臺，研制開發該系統的軟件。曾星等對美國掃描閥公司的DSA3217 和美國PSI 公司的9016 型壓力掃描閥進行分析測試，設計了一套風洞通用的壓力掃描閥數據采集系統，滿足了風洞中常用壓力掃描閥的數據采集要求。譚正一等針對固沖發動機多路壓力測量試驗需求，以美國PSI 公司產品PSI 9116 智能壓力掃描閥為測試核心，設計了一套多路壓力測量系統。邢威介紹了美國掃描閥公司的DSA3200 型產品，分析了壓力掃描閥的校準技術和不確定性評估。

最近一段時間，面對美國在高準確度測壓領域的持續施壓，我國的科研機構也開始進行高準確度壓力測量系統的國產化研究，張鍇等針對飛行器地面試驗大規模壓力測量需求，研制了一套分布式壓力測量系統，測量準確度±0.5%FS。中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室顧洪斌2016年研制高準確度電子壓力掃描系統，系統為128 通道，絕對壓力為45PSI 量程，準確度±0.05%FS，掃描頻率100Hz。2020年北京大學設計風雷電子壓力掃描閥，具有體積小，抗干擾度高等優點。2021年北京大學馬盛林團隊提出大規模氣動壓力傳感器集群采集處理芯片系統與產業化，以32 通道高準確度壓力掃描閥的總體進行結構設計和優化為研究對象，在底層硬件上，開展MEMS 芯片的關鍵流片工藝及批量制備技術研究，在掃描速率上，設計壓力掃描閥陣列的高速接口，同時對批量測試與標定技術等核心關鍵技術進行研究，使得準確度優于±0.10%FS，相較于國外成熟的技術，該壓力掃描閥具有抗沖擊，性價比高等優點。國內外的主要產品數據比較如表1所示。

表1 國內外產品數據比較Tab.1 Comparison of domestic and foreign product data

4 結束語

壓力掃描閥測壓技術是集計算機技術、傳感器技術和通信技術為一體化的綜合應用，這些技術的發展都對系統性能指標的提升起著至關重要的作用。目前國外高準確度壓力掃描閥及其相應配套產品的發展已經較為成熟，雖然我國近些年也開始加大壓力掃描閥測壓系統自主研制的力度，但在研發設計過程中，系統的高準確度、穩定性和強抗干擾性依然是亟待解決的問題。而這些指標的實現一方面依賴于對MEMS 芯片的關鍵工藝進行研究，另一方面，則需要根據大量的標定校準測試試驗，研究高準確度有效的溫度補償算法。

現階段，通過采用合適的校準方法，壓力掃描閥可以在一定程度上提高準確度指標，但想實現在試驗環境下系統的自動原位校準，仍然是一個比較棘手的問題。尤其對于多通道壓力掃描閥來說，傳感器依次校準的工作量大。因此，建立標準化規范化的校準方法和不確定性評估是今后研究的方向。

算法上，我國針對壓力掃描閥的溫度補償算法依然停留在最小二乘擬合、四階擬合等傳統多元回歸法。未來，隨著機器學習和神經網絡算法的發展，高效智能的溫度補償算法仍是很有前途的研究方向。