壓力掃描閥測壓系統(tǒng)研究進展綜述

王 歡 曾慶華

（中山大學(xué)航空航天學(xué)院，深圳518107）

1 引言

隨著飛行器、發(fā)動機、風(fēng)洞等試驗中測試技術(shù)的發(fā)展，人們對于試驗中獲得壓力數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量要求越來越高，測壓設(shè)備的性能指標(biāo)對試驗結(jié)果的可靠性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(tǒng)集成化程度高、掃描速率快等優(yōu)點，不僅能滿足風(fēng)洞試驗中高準(zhǔn)確度的壓力測試需求，而且還應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)流場、葉輪機試驗、壓氣機試驗、橋梁風(fēng)工程等領(lǐng)域。

近年來，通過將智能壓力傳感器組件與小型嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成起來，構(gòu)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(xiàn)了傳感器檢測的智能化，使得該系統(tǒng)的測壓技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用于目前多通道以及測試條件復(fù)雜的試驗中。

2 壓力掃描閥測量技術(shù)的發(fā)展

壓力掃描閥是由早期的多點壓力測量系統(tǒng)發(fā)展而來，它的研究始于軍事和航空發(fā)展中測量風(fēng)洞和流體中分布力的需要，現(xiàn)在也應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。考慮其掃描速率、測壓準(zhǔn)確度、實時性、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，壓力掃描閥測壓技術(shù)一直被視為多通道測壓技術(shù)里的前沿領(lǐng)域。

二十世紀(jì)50年代以前，風(fēng)洞試驗和流體動力學(xué)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(shù)百個點，實驗后的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過人工處理，不僅任務(wù)繁重，而且測量的誤差較大、實時性差。

二十世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了各種新型的壓力傳感器，可以實現(xiàn)將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺@是壓力測量技術(shù)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(tǒng)，以此滿足多點壓力測量的任務(wù)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(xù)的周期檢定也難以提高其準(zhǔn)確度，最高準(zhǔn)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(shù)開始進入了以掃描閥為基礎(chǔ)的新發(fā)展方向。它采用高準(zhǔn)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(fēng)洞試驗對壓力采集的要求。

二十世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)的電子壓力掃描閥測量系統(tǒng)，是充分利用電子技術(shù)發(fā)展的新成果。系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)采集壓力數(shù)據(jù)的實時性，采集速率達到每秒數(shù)萬點，而且還可以通過聯(lián)機實時校準(zhǔn)技術(shù)修正傳感器的誤差，以此來提高測量準(zhǔn)確度。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國外研究進展

80年代初，美國壓力系統(tǒng)公司（Pressure System Inc，PSI）率先推出780B 型壓力測量系統(tǒng)，780B 系統(tǒng)由控制器、數(shù)據(jù)采集、控制單元、壓力校準(zhǔn)單元和電子掃描器組成，測量點數(shù)為512 點，掃描速率為20000 點/s，測量準(zhǔn)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(tǒng)，其組成和工作原理與780B 類似，測量點數(shù)為512 點，單點掃描次數(shù)50000 點/s。隨后幾年，PSI 公司繼續(xù)推出第二代測壓系統(tǒng)——PSI8400 壓力測量系統(tǒng)，它是通過一個模塊化的并行壓力采集處理系統(tǒng)，解決了過去技術(shù)上受到單個A/D 轉(zhuǎn)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(shù)。PSI8400 系統(tǒng)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(shù)據(jù)，準(zhǔn)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(tǒng)——HyScan2000 壓力測量系統(tǒng)。利用先進的硬件技術(shù)，該系統(tǒng)配有高速A/D 轉(zhuǎn)換器，掃描速率每秒10 萬測量點，測量準(zhǔn)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(zhǔn)確度達±0.03%FS。如圖1所示為9116 電子壓力掃描閥系統(tǒng)。

圖1 9116 電子壓力掃描閥系統(tǒng)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(zhǔn)確度達±0.05%FS。如圖2所示為DSA3217 電子壓力掃描閥系統(tǒng)。

圖2 DSA3217 電子壓力掃描閥系統(tǒng)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(zhǔn)確度達±0.10%FS。如圖3所示為KMPS-1-64 電子壓力掃描閥系統(tǒng)。

圖3 KMPS-1-64 電子壓力掃描閥系統(tǒng)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(fā)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(shù)進行了大量創(chuàng)新性的研究。針對早期的多點壓力測量系統(tǒng)，Vincent嘗試將壓力傳感器連接到多個壓力點，構(gòu)成了多通道壓力掃描閥，提高了測壓系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)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(tǒng)，能夠接收相當(dāng)多的壓力，并將數(shù)據(jù)傳送給少量的記錄系統(tǒng)。氣動裝置還能檢查所有壓力引線和連接的設(shè)施，并為傳感器校準(zhǔn)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(huán)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(guān)的極端環(huán)境條件。它是由端口的傳感器、內(nèi)部電路和允許在線校準(zhǔn)的集成校準(zhǔn)閥組成。考慮工作的極端環(huán)境，它的設(shè)計還包括一個加熱器或冷卻室，以允許極熱或極冷的應(yīng)用。美國宇航局艾姆斯研究中心Coe 等開發(fā)了一種新型的電子壓力掃描閥（ESOP），用于安裝在風(fēng)洞模型中。ESOP 系統(tǒng)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(zhuǎn)換器、1 個微處理器、1 個數(shù)據(jù)控制器、1 個監(jiān)控單元和1 個加熱器控制器。Juanarena 等針對現(xiàn)代燃?xì)廨啓C設(shè)計和開發(fā)相關(guān)的極端環(huán)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(zhǔn)確度測壓的同時對極端的溫度和振動免疫，并能夠現(xiàn)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(shù)。

隨后，Juanaren 描述了壓力掃描閥的準(zhǔn)確度可以在三個主要方面進行改進，包括模塊化設(shè)計、傳感器密度改進和壓力選擇基準(zhǔn)，打開了壓力掃描閥準(zhǔn)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(jīng)成為許多工業(yè)測試和測量應(yīng)用的主要工具。

進入二十一世紀(jì)以后，在試驗研究中出現(xiàn)了與壓力掃描閥共同使用的數(shù)據(jù)采集或處理軟件。Muthusamy 等利用印度馬德拉斯理工學(xué)院亞音速風(fēng)洞中的壓力掃描閥、六分量平衡和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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(shù)的變化。Mack 等通過由內(nèi)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(fēng)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(fēng)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(wǎng)傳輸給固定系統(tǒng)。運輸和交通科學(xué)學(xué)院航空系空氣動力學(xué)實驗室Meznaric 等采用PSI 公司生產(chǎn)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(wǎng)鏈路傳輸?shù)接嬎銠C，壓力數(shù)據(jù)的處理采用NUSS 和LabVIEW 軟件。Kumar 等開發(fā)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(shù)據(jù)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(tǒng)所需的氣動管道長度，從而提高非定常壓力測量的動態(tài)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(chǎn)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(tài)響應(yīng)過程，以及不同變形對嵌入式油管系統(tǒng)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(fēng)洞設(shè)施中壓力掃描閥系統(tǒng)離散噪聲的概率分布，解釋了關(guān)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(shù)轉(zhuǎn)換不確定性的要求，擬合了一種離散的四參數(shù)beta 分布。

3.2 國內(nèi)研究進展

相對來說，多點壓力測量系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)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(nèi)容主要是以小型計算機為中心的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。自80年代起，微型計算機在我國快速發(fā)展，自動檢測技術(shù)也日趨成熟。到了90年代，由于高準(zhǔn)確度的壓力掃描閥測壓技術(shù)受限于美國，多數(shù)單位采用單個壓力傳感器組成的測壓系統(tǒng)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(fēng)洞和發(fā)動機等試驗中高準(zhǔn)確度和可靠的測試數(shù)據(jù)，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(shù)的封鎖，1991年至1994年期間，西北工業(yè)大學(xué)鐘誠文團隊先后成功研制出第一代DSY64 電子掃描測壓系統(tǒng)和DSY128電子掃描測壓系統(tǒng)，準(zhǔn)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(rèn)為此測壓系統(tǒng)達到國外80年代同類產(chǎn)品的水平。1998年，西工大團隊繼續(xù)推出第二代DSY-JB 電子掃描測壓系統(tǒng)，相比于第一代，第二代在結(jié)構(gòu)上也更趨向于標(biāo)準(zhǔn)化和商品化。2001年，西工大團隊研制出DSY2000 電子掃描測壓系統(tǒng)，準(zhǔn)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(shù)字溫度補償，準(zhǔn)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(xù)研制出DSY2000K 電子掃描測壓系統(tǒng)。2004年底，我國自行研制的兩套發(fā)動機試驗自動測控系統(tǒng)——DSY2000 壓力測量系統(tǒng)和ZDS 智能電子壓力掃描閥，通過了專家組驗收。

但高準(zhǔn)確度的壓力掃描閥和國外相比，特別是準(zhǔn)確度指標(biāo)、穩(wěn)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(yè)仍然選擇引進國外現(xiàn)有設(shè)備，轉(zhuǎn)而在軟件上進行二次開發(fā)應(yīng)用或者通過校準(zhǔn)技術(shù)達到應(yīng)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(jié)構(gòu)原理和技術(shù)，提出了一種現(xiàn)場原位校準(zhǔn)方法，此方法在解決現(xiàn)場原位校準(zhǔn)難題的同時，避免了繁瑣的高度差修正工作。經(jīng)過現(xiàn)場校準(zhǔn)后，壓力掃描閥的測量準(zhǔn)確度達到±0.10%FS，滿足試驗的技術(shù)要求。尹付強在風(fēng)洞試驗中，引入美國PSI 公司開發(fā)的高速高準(zhǔn)確度多用途的98RK 電子壓力掃描系統(tǒng)，此款系統(tǒng)的高準(zhǔn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提出一種多通道的系統(tǒng)校準(zhǔn)方案，根據(jù)方案進行比對校準(zhǔn)試驗，校準(zhǔn)試驗的結(jié)果用于分析系統(tǒng)準(zhǔn)確度，評定試驗數(shù)據(jù)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(fēng)洞的應(yīng)用，并且以VB6 為軟件平臺，研制開發(fā)該系統(tǒng)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(shè)計了一套風(fēng)洞通用的壓力掃描閥數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，滿足了風(fēng)洞中常用壓力掃描閥的數(shù)據(jù)采集要求。譚正一等針對固沖發(fā)動機多路壓力測量試驗需求，以美國PSI 公司產(chǎn)品PSI 9116 智能壓力掃描閥為測試核心，設(shè)計了一套多路壓力測量系統(tǒng)。邢威介紹了美國掃描閥公司的DSA3200 型產(chǎn)品，分析了壓力掃描閥的校準(zhǔn)技術(shù)和不確定性評估。

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

表1 國內(nèi)外產(chǎn)品數(shù)據(jù)比較Tab.1 Comparison of domestic and foreign product data

4 結(jié)束語

壓力掃描閥測壓技術(shù)是集計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)為一體化的綜合應(yīng)用，這些技術(shù)的發(fā)展都對系統(tǒng)性能指標(biāo)的提升起著至關(guān)重要的作用。目前國外高準(zhǔn)確度壓力掃描閥及其相應(yīng)配套產(chǎn)品的發(fā)展已經(jīng)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(tǒng)自主研制的力度，但在研發(fā)設(shè)計過程中，系統(tǒng)的高準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和強抗干擾性依然是亟待解決的問題。而這些指標(biāo)的實現(xiàn)一方面依賴于對MEMS 芯片的關(guān)鍵工藝進行研究，另一方面，則需要根據(jù)大量的標(biāo)定校準(zhǔn)測試試驗，研究高準(zhǔn)確度有效的溫度補償算法。

現(xiàn)階段，通過采用合適的校準(zhǔn)方法，壓力掃描閥可以在一定程度上提高準(zhǔn)確度指標(biāo)，但想實現(xiàn)在試驗環(huán)境下系統(tǒng)的自動原位校準(zhǔn)，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(zhǔn)的工作量大。因此，建立標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化的校準(zhǔn)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(tǒng)多元回歸法。未來，隨著機器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的發(fā)展，高效智能的溫度補償算法仍是很有前途的研究方向。