陳敏，曾建德，介克

(北京航科發(fā)動機控制系統(tǒng)科技有限公司，北京102200)

0 引言

在航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)鏈上使用的每臺專用測試設(shè)備都與航空發(fā)動機系列產(chǎn)品的質(zhì)量息息相關(guān)，如何確保這些專用測試設(shè)備的測試試驗質(zhì)量，是一個非常重要的問題。近年來，隨著航空發(fā)動機在研型號任務(wù)的逐漸增多，用于對航空發(fā)動機及其附件產(chǎn)品做各項測試試驗的專用測試設(shè)備也隨著型號測試的需求不斷增多，對各類專用測試設(shè)備的測試要求也逐漸多元化、自動化、現(xiàn)代化，對專用測試設(shè)備的設(shè)計、制作、維護(hù)等各個方面的要求都達(dá)到了前所未有的高度。

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

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

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

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

2 專用測試設(shè)備動態(tài)壓力測試系統(tǒng)的總體設(shè)計要求

通過以下工作，可以基本完成動態(tài)測試系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試工作，完成動態(tài)測試系統(tǒng)樣機的試制。

2.1 測試方案設(shè)計

為了設(shè)計一個符合要求的動態(tài)壓力測試系統(tǒng)，一般先選擇一個理想的方案(主要是測試變換原理)，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，這對設(shè)計成功與否具有非常重要的作用。

2.2 測試系統(tǒng)構(gòu)成方框圖的確定

選定測試方案之后，就應(yīng)對測試系統(tǒng)構(gòu)成方框圖進(jìn)行設(shè)計?？梢哉倚﹨⒖挤桨福欢ㄒC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，隨之確定對各環(huán)節(jié)的要求。

2.3 環(huán)節(jié)的設(shè)計和制造

對于動態(tài)壓力測試系統(tǒng)，必須具有非常高的自動化程度。因此，我們必須對測試系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)分別進(jìn)行自動化相關(guān)設(shè)計，包括機械、電氣線路、軟件等設(shè)計。主要困難在于動態(tài)傳感器的選用、測試系統(tǒng)的機械和電氣系統(tǒng)的自動化相關(guān)設(shè)計，另外，虛擬儀器的硬件、軟件設(shè)計也是設(shè)計測試系統(tǒng)的難點，可能要經(jīng)歷多次模擬運行才可能適合設(shè)計需要，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)成需要的動態(tài)測試系統(tǒng)后再進(jìn)行聯(lián)調(diào)。一般要與擬被測對象相聯(lián)系來進(jìn)行調(diào)試。往往在總裝調(diào)試中會出現(xiàn)一些問題，如設(shè)計不合理、器件匹配不當(dāng)?shù)?，?yīng)加以修改。通常，問題的多少與設(shè)計者的經(jīng)驗相關(guān)，因此，設(shè)計者在設(shè)計籌備階段，必須盡可能多地了解相關(guān)知識，掌握與動態(tài)測試和動態(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，就可以對動態(tài)測試系統(tǒng)進(jìn)行基本性能的測試試驗，包括精度分析、基本誤差的測定、外界使用條件的性能試驗(如電源波動、溫度、濕度、氣壓、振動、磁場、電場等)等。通過測試試驗，分析出各種誤差的大小。為了確定動態(tài)測試系統(tǒng)的基本誤差，還要對測試條件、手段進(jìn)行誤差分析，最后給出動態(tài)測試誤差的綜合指標(biāo)。

3 建立動態(tài)壓力測試系統(tǒng)的具體實施方案時需要注意的問題

3.1 測壓點的選擇、布置、壓力傳感器安裝

根據(jù)動態(tài)壓力的測試原理，動態(tài)壓力的取壓點，應(yīng)在被測介質(zhì)流動的直線管道上，而不能在急彎、閥門、死角或渦流處，同時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，注意安裝位置與測壓點的液柱差的修正，且要保證密封性，不應(yīng)有泄漏或滲漏現(xiàn)象發(fā)生。對工作介質(zhì)為腐蝕性、高溫等情況，或被測壓力有劇烈變化的情況，均應(yīng)采取一定的保護(hù)設(shè)計措施。

3.2 動態(tài)壓力測試系統(tǒng)虛擬儀器設(shè)計

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，升級換代方便快捷，計算機普及以來，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)、測試控制、計量檢測、生產(chǎn)等各個領(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。硬件主要包括信號調(diào)理與采集單元、電路轉(zhuǎn)換及測試單元等。信號調(diào)理電路主要完成系統(tǒng)中控制信號、數(shù)據(jù)信號和測試信號等的規(guī)整、調(diào)理及控制等功能。動態(tài)測試系統(tǒng)對采用處理的實時性要求非常高，所有測試通道都必須進(jìn)行并行設(shè)計，為了保證動態(tài)測試系統(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)的信號調(diào)理電路、電路轉(zhuǎn)換及測試單元等虛擬儀器硬件設(shè)施都必須考慮到系統(tǒng)的實時性處理要求。

虛擬儀器的軟件設(shè)計是整個動態(tài)壓力測試系統(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)都同時匯集到此一起分析、處理，還要有友好的操作、顯示、動態(tài)標(biāo)定界面，要想做好這個環(huán)節(jié)的工作，必須在踏實做好前期的采集系統(tǒng)設(shè)計搭建工作的同時，完全了解測試系統(tǒng)設(shè)計要求、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)計應(yīng)用上下足功夫。

3.3 動態(tài)壓力測試系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的分析和處理

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

3.4 動態(tài)壓力測試系統(tǒng)的標(biāo)定方案選取

動態(tài)壓力測試系統(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)計安裝一些可對壓力測試系統(tǒng)進(jìn)行實時溫度測量的輔助測試系統(tǒng)。動態(tài)測試系統(tǒng)在正式投入使用前，必須對其進(jìn)行全系統(tǒng)的動態(tài)標(biāo)定/校準(zhǔn)，僅對動態(tài)壓力傳感器進(jìn)行動態(tài)檢定或校準(zhǔn)，不能全面反映測試系統(tǒng)的動態(tài)特性，因而應(yīng)盡量對測試系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)動態(tài)標(biāo)定或校準(zhǔn)。

結(jié)合被測試對象的特點，可以確定動態(tài)標(biāo)定方案為動態(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，將所用的動態(tài)壓力裝置送檢到304 所等可以用激波管動態(tài)壓力標(biāo)準(zhǔn)或正弦壓力標(biāo)準(zhǔn)檢定動態(tài)壓力測試系統(tǒng)的計量機構(gòu)，或者自行設(shè)計制作符合動態(tài)標(biāo)定要求的動態(tài)標(biāo)定/校準(zhǔn)設(shè)備。在進(jìn)行動態(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)定時的標(biāo)定條件與使用條件接近或一致，以確保動態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、有效。

4 設(shè)計動態(tài)壓力測試系統(tǒng)的需要注意的其他問題

4.1 測壓管路(或傳壓管)的設(shè)計和安裝

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

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

圖1 測壓管路實物圖

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

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

因此，如何準(zhǔn)確地將動態(tài)壓力傳感器安裝在所需測試的部位，通過何種方式安裝，是我們在動態(tài)壓力測試系統(tǒng)設(shè)計制作中的一個難點。

4.2 動態(tài)測試數(shù)據(jù)的分析和處理

由于系統(tǒng)的動態(tài)特性取決于系統(tǒng)本身以及輸入信號的形式，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，對系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行分析，從而確立精密測量系統(tǒng)動態(tài)特性的評價指標(biāo)。

按照《測量不確定度評定表示指南》，測量不確定度常采用統(tǒng)計學(xué)的方法進(jìn)行評定，但是在一些實際工程領(lǐng)域中，傳統(tǒng)評定方法難以達(dá)到精確的評定效果。

基于非統(tǒng)計原理的不確定度評定主要是通過對測量過程中各種有關(guān)信息的分析，以先驗概率分布為基礎(chǔ)，根據(jù)經(jīng)驗參照統(tǒng)計不確定度的方法，以等價標(biāo)準(zhǔn)差的形式進(jìn)行估計。非統(tǒng)計原理不同于經(jīng)典的統(tǒng)計學(xué)方法，其理論基礎(chǔ)不再是大數(shù)定律和中心極限定理，在處理實際問題時，對數(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)計方法相吻合。

小樣本非統(tǒng)計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)，可研究精密儀器測量的各種技術(shù)問題，并可以對一些難以采用統(tǒng)計方法的問題進(jìn)行處理。

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