譚正一　安豐增

摘要：針對(duì)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)多路壓力測量試驗(yàn)需求，利用美國PSI公司產(chǎn)品PSI 9116智能壓力掃描閥為測試核心，設(shè)計(jì)了一套多路壓力測量系統(tǒng)。本文對(duì)該系統(tǒng)的硬件組成、工作原理和測壓系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容作了詳細(xì)描述。系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)采用NI公司的LabVIEW圖形化編程，用戶界面簡潔直觀、操作簡單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，具備128路的壓力分布測量能力，較好地滿足了固沖發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)參數(shù)測量需求。

關(guān)鍵詞：固沖發(fā)動(dòng)機(jī)：壓力測量：智能壓力掃描閥

中圖分類號(hào)：V435 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2014）02-0044-05

0、引言

固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有比沖高、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是新一代導(dǎo)彈的優(yōu)選動(dòng)力裝置。固沖發(fā)動(dòng)機(jī)主要由燃?xì)獍l(fā)生器、補(bǔ)燃室和進(jìn)氣道等部件組成。在產(chǎn)品研制期間，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一系列的結(jié)構(gòu)特性、燃燒特性試驗(yàn)研究，為獲取準(zhǔn)確的特性參數(shù)，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、補(bǔ)燃室多個(gè)截面、不同方位的壓力參數(shù)進(jìn)行測量。傳統(tǒng)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測量系統(tǒng)有測量通道少、校準(zhǔn)過程繁瑣、準(zhǔn)備時(shí)間長等缺點(diǎn)，已不能滿足目前通道多、測試條件復(fù)雜的試驗(yàn)需求，研究簡單、高效的多路壓力測試手段成為新課題。

如今應(yīng)用于試驗(yàn)中的各種傳感器不斷朝著小型化、集成化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢發(fā)展，加之計(jì)算機(jī)技術(shù)和日益精進(jìn)的編程語言在軟、硬件上的支持，使得壓力測量系統(tǒng)的性能不斷改進(jìn)和提升。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，面對(duì)多通道壓力測試需求，從20世紀(jì)90年代起，已開始引進(jìn)電子掃描壓力測量系統(tǒng)用于流場及試驗(yàn)件的壓力測量。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，壓力掃描閥的掃描速率不斷提高，且通過植入芯片實(shí)現(xiàn)了傳感器的智能化，使該系統(tǒng)的技術(shù)日趨成熟、應(yīng)用更加廣泛。

1、系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)選用PSI 9116智能壓力掃描閥為測試核心，圖形化語言LabVIEW編程，模塊化設(shè)計(jì)，搭建了測量能力達(dá)到128路的多路壓力測量系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)組成

多路壓力測量系統(tǒng)主要由掃描閥單元、氣源操縱臺(tái)、主控計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)等組成，如圖1所示。

掃描閥單元由PSI 9116（智能壓力掃描閥）、PSI 90DB（掃描閥數(shù)據(jù)接口）、PSI 9032（大氣壓力計(jì)）、PSI 9034（標(biāo)準(zhǔn)壓力源）等部件組成。其中PSI9116智能壓力掃描閥為測試核心，共8個(gè)模塊，每個(gè)模塊集成16個(gè)傳感器，具有溫度補(bǔ)償功能；PSI90DB為PSI 9116提供24 VDC電源、同步觸發(fā)信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)接口；PSI 9032是精密大氣壓力計(jì)，用來測量大氣壓力，對(duì)測量參數(shù)進(jìn)行絕壓修正；PSI9034是標(biāo)準(zhǔn)壓力源，為絕對(duì)壓力輸出，精度0.01%，用于壓力掃描器PSI 9116的檢定和校準(zhǔn)。

氣源操縱臺(tái)配備高壓氮?dú)馄?、減壓閥、安全閥及操縱氣路，為系統(tǒng)提供操縱、校準(zhǔn)、檢漏和吹除用氣，操縱氣動(dòng)作由主控計(jì)算機(jī)控制。氣源操縱臺(tái)通過減壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓氮?dú)馄繙p壓，經(jīng)氣路輸送到PSI 9116使用，氣源操縱臺(tái)組成如圖2所示。

主控計(jì)算機(jī)為一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，配備IO板卡，完成數(shù)據(jù)記錄、PSI 9116模塊觸發(fā)及操縱氣控制等功能，主控計(jì)算機(jī)與PSI 9116模塊通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接。

1.2 工作原理

1.2.1 PSI 9116簡介

PSI 9116智能壓力掃描閥是一種高性能一體式氣體壓力測量裝置，用于多通道干燥無腐蝕性氣體的壓力測量，其內(nèi)部集成了壓力傳感器和氣路校準(zhǔn)閥。它采集的數(shù)據(jù)是保證系統(tǒng)精度的EU（工程單位）數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過上電時(shí)讀取傳感器內(nèi)部預(yù)置的EU轉(zhuǎn)換和溫度補(bǔ)償系數(shù)經(jīng)過內(nèi)部計(jì)算得到，系統(tǒng)還允許用戶使用計(jì)算機(jī)執(zhí)行多點(diǎn)校準(zhǔn)輔助微調(diào)內(nèi)部系數(shù)。

PSI 9116是網(wǎng)絡(luò)式智能壓力掃描閥NetScan，nerTM系列中的一員，采用自適應(yīng)10/100 M以太網(wǎng)接口，使用TCP/UDP/IP協(xié)議，支持全雙工/半雙工操作，多個(gè)掃描器可聯(lián)網(wǎng)組成一個(gè)多種參數(shù)分布式智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

PSI 9116具有16個(gè)測量通道，每個(gè)通道使用單獨(dú)的氣體壓力傳感器，每個(gè)傳感器內(nèi)部都具有記憶全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的嵌入式記憶電路芯片，精度高達(dá)±0.05%，通過內(nèi)部調(diào)零校準(zhǔn)、量程校準(zhǔn)或多點(diǎn)校準(zhǔn)功能來維持高精度；每個(gè)傳感器都包含一個(gè)單獨(dú)的溫度傳感器和內(nèi)部溫度補(bǔ)償系數(shù)供補(bǔ)償算法軟件使用，在校準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)，溫度漂移誤差低至±0.001%FS/℃：PSI 9116具有驅(qū)動(dòng)校準(zhǔn)閥，通過軟件命令可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零校準(zhǔn)、滿量程校準(zhǔn)和多點(diǎn)校準(zhǔn)，新的零位和增益系數(shù)在校準(zhǔn)后生效，并可寫入傳感器內(nèi)部永久記憶電路。

PSI 9116還具有一個(gè)專用的吹除/檢漏校準(zhǔn)氣動(dòng)閥組，如圖3所示。通過軟件命令和操縱氣源，可以將閥組推到以下4個(gè)位置：測量、校準(zhǔn)、吹除、檢漏充氣。圖3中示意了系統(tǒng)執(zhí)行測量功能時(shí)的閥位狀態(tài)，執(zhí)行推閥命令時(shí)須在PSI 9116的推閥控制壓力輸入端口上加560～860 kPa的壓力。

1.2.2 系統(tǒng)布局

系統(tǒng)采用上下位機(jī)形式，根據(jù)現(xiàn)場布局情況分為現(xiàn)場測量端和遠(yuǎn)程控制端兩部分，上位機(jī)與下位機(jī)采用以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與控制，如圖4所示?，F(xiàn)場測量端位于試車臺(tái)，放置PSI 9116智能壓力掃描閥（下位機(jī)）及一些輔助測量設(shè)備，負(fù)責(zé)試驗(yàn)參數(shù)的測量：遠(yuǎn)程控制端為一臺(tái)工業(yè)控制機(jī)，即上位機(jī)，上位機(jī)程序基于LabVIEW編程，負(fù)責(zé)下位機(jī)和氣源操縱臺(tái)控制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)視、記錄及分析等功能：為便于操作，氣源操縱臺(tái)亦放置在遠(yuǎn)程控制端。

本系統(tǒng)應(yīng)用于自由射流工況下的固沖發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)測量，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在高空艙內(nèi)，試驗(yàn)中，艙內(nèi)氣流高速流動(dòng)，振動(dòng)劇烈。PSI 9116為差壓式測量儀器，系統(tǒng)將掃描閥單元安裝于高空艙外，測試管路經(jīng)預(yù)設(shè)通道進(jìn)入高空艙與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，同時(shí)保證了設(shè)備運(yùn)行的安全和穩(wěn)定，避免了惡劣環(huán)境對(duì)設(shè)備的破壞。為便于測壓管路連接安裝操作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)專門的轉(zhuǎn)接板，轉(zhuǎn)接板接口按掃描閥模塊呈矩陣式分布，便于測壓通道查找及插接。轉(zhuǎn)接板與發(fā)動(dòng)機(jī)之間預(yù)置轉(zhuǎn)接管路，試驗(yàn)前，根據(jù)測試需求可快速連接。

1.2.3 系統(tǒng)工作

系統(tǒng)工作主要有試驗(yàn)前準(zhǔn)備、試驗(yàn)參數(shù)測量及試驗(yàn)后處理三階段工作。試驗(yàn)前準(zhǔn)備主要完成測量通道配置、管路檢漏、通道校準(zhǔn)和管路連接等工作；試驗(yàn)階段完成數(shù)據(jù)測量、文件保存及數(shù)據(jù)處理分析等內(nèi)容；試驗(yàn)后期需對(duì)測量管路進(jìn)行吹除、關(guān)閉操縱氣等操作，以下詳細(xì)介紹主要操作。

（1）管路檢漏

試驗(yàn)前，為確保測試準(zhǔn)確，需進(jìn)行氣路泄漏檢查。執(zhí)行檢漏功能時(shí)，測量輸入管路的外端用堵頭堵死，在校準(zhǔn)端口加上合適的檢漏壓力，將閥組推到檢漏位置，使壓力充滿到各測量管路內(nèi)，充氣完畢，再將閥組推回到測量位置，然后周期性地采集壓力數(shù)據(jù)，分析每個(gè)輸入通道的壓力降低過程，以判斷其泄漏程度。

（2）通道校準(zhǔn)

為使儀器測試準(zhǔn)確，達(dá)到高精度測量，不僅要求所用壓力傳感器的重復(fù)性、線性度好，溫漂滯后小，更重要的是在試驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)。

用戶可以通過校準(zhǔn)軟件控制PSI 9116模塊內(nèi)部固件，對(duì)模塊傳感器進(jìn)行調(diào)零和滿量程校準(zhǔn)操作，獲得最佳的測量精度。在執(zhí)行調(diào)零和量程校準(zhǔn)功能時(shí)，先將閥組推到校準(zhǔn)位置，然后才執(zhí)行校準(zhǔn)操作，校準(zhǔn)完畢通過軟件控制回到測量位置。

其中調(diào)零校準(zhǔn)不需要校準(zhǔn)器（源），PSI 9116為智能式電子壓力掃描器，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)字溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償功能，傳感器補(bǔ)償參數(shù)出廠時(shí)已經(jīng)校準(zhǔn)并記憶到內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器。使用時(shí)，量程校準(zhǔn)是指對(duì)PSI 9116進(jìn)行滿量程校準(zhǔn)，執(zhí)行量程校準(zhǔn)需要連接標(biāo)準(zhǔn)壓力源PSI 9034，輸出滿量程壓力到校準(zhǔn)端口。

（3）數(shù)據(jù)測量

主控計(jì)算機(jī)可控制PSI 9116采樣速率，同時(shí)按預(yù)設(shè)時(shí)間間隔讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，記錄并顯示實(shí)時(shí)壓強(qiáng)曲線，數(shù)據(jù)記錄可根據(jù)需求選擇手動(dòng)或自動(dòng)兩種不同的啟動(dòng)方式。

現(xiàn)場測量端觸發(fā)后，PSI 9116按照通道順序自動(dòng)掃描（采集）所有傳感器輸出，掃描器以設(shè)定掃描速率執(zhí)行，數(shù)據(jù)保存到內(nèi)部緩沖區(qū)，供主機(jī)存取，同時(shí)模塊將根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測溫度，調(diào)取內(nèi)部保存的溫度補(bǔ)償系數(shù)，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)字溫度補(bǔ)償和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

（4）管路吹除

試驗(yàn)過程中，灰塵、水汽等不可避免地進(jìn)入測試管路，可能帶來管路堵塞、傳感器腐蝕等危害，因此，試驗(yàn)完畢需對(duì)管路進(jìn)行吹除清理。在執(zhí)行吹除功能時(shí)，PSI 9116閥組推到吹除位置，在輸入端口加上適當(dāng)吹除壓力，吹除氣流將通過各測量通道的輸入管路排出，將異物吹出輸入管路。

2、軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)

發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)測量軟件設(shè)計(jì)采用美國NI公司圖形化語言LabVIEW編程，LabVIEW是一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，是第一個(gè)借助虛擬面板用戶界面和方框圖建立虛擬儀器的圖形程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該語言面向測試工程師，編程方便，人機(jī)交互界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力，并提供了許多子VI供編程者直接調(diào)用。利用IabVIEW模塊化和圖形化的編程方法，可以在很短時(shí)間里設(shè)計(jì)、構(gòu)建和修改自己的虛擬儀器系統(tǒng)，無需進(jìn)行任何繁瑣的計(jì)算機(jī)代碼編寫。

2.2 軟件流程

軟件運(yùn)行時(shí)首先建立網(wǎng)絡(luò)連接，主控計(jì)算機(jī)與PSI 9116模塊實(shí)現(xiàn)通訊，如果網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤，用戶進(jìn)行故障檢查，重新運(yùn)行軟件；連接成功后，軟件自動(dòng)讀取配置文件，配置文件自動(dòng)默認(rèn)最近一次試驗(yàn)信息設(shè)置，如果本次試驗(yàn)信息需要更改，進(jìn)人參數(shù)設(shè)置界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：參數(shù)設(shè)置完畢可以進(jìn)行檢漏、校準(zhǔn)、調(diào)零等操作；完成以上操作后，試驗(yàn)準(zhǔn)備完畢，方可進(jìn)行參數(shù)測量，參數(shù)測量結(jié)束可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；試驗(yàn)完畢，最后完成管路吹除，軟件流程如圖5所示。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)基于事件，模塊化設(shè)計(jì)。程序根據(jù)使用需求，設(shè)計(jì)了參數(shù)設(shè)置模塊、主界面和數(shù)據(jù)分析模塊等三大模塊。

（1）參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊主要完成測點(diǎn)位置信息配置、通道顯示狀態(tài)設(shè)置、PSI 9116采樣頻率等信息，并生成配置表，供本次試驗(yàn)應(yīng)用。試驗(yàn)件差異以及同一試驗(yàn)件不同的試驗(yàn)?zāi)康?，測量參數(shù)會(huì)隨之產(chǎn)生變化，因此，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置模塊是相當(dāng)重要的模塊，對(duì)后續(xù)參數(shù)對(duì)照、數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通道信息沒有固化，可根據(jù)實(shí)測需求隨時(shí)改動(dòng)；在實(shí)際試驗(yàn)中，測量通道最多可達(dá)128路，不可能對(duì)所有通道都進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通道顯示狀態(tài)設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)重要參數(shù)的顯示勾選，達(dá)到重要通道參數(shù)清晰直觀顯示的目的。

試驗(yàn)參數(shù)默認(rèn)讀取前一次配置文件，沿用上次試驗(yàn)配置信息，如果本次試驗(yàn)測試通道、顯示曲線需更改，可按實(shí)際情況重新進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

（2）主界面

軟件的各項(xiàng)主要功能都集中在主界面，不僅實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)波形實(shí)時(shí)顯示和記錄，同時(shí)下位機(jī)檢漏、校準(zhǔn)和吹除等功能都在此界面完成。軟件主界面分三大區(qū)塊：圖形顯示區(qū)、功能區(qū)和參數(shù)顯示區(qū)，如圖6所示。

圖形顯示區(qū)用于顯示測量通道實(shí)時(shí)波形曲線，由于通道較多，采用按模塊分頁顯示的方式，現(xiàn)場測量端的8個(gè)PSI 9116模塊采集的參數(shù)分別在對(duì)應(yīng)的分頁內(nèi)顯示，每個(gè)圖形顯示框最多可選8路曲線，顯示曲線由參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)定；參數(shù)顯示區(qū)主要顯示校準(zhǔn)信息，在通道校準(zhǔn)時(shí)，顯示各通道校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)壓力、實(shí)測壓力參數(shù)及校準(zhǔn)精度，大氣壓力值由大氣壓力計(jì)測得，用于壓力測量的絕壓校正，該顯示區(qū)也采用分頁設(shè)計(jì)，由一個(gè)下拉勾選框?qū)崿F(xiàn)模塊切換；功能區(qū)用于執(zhí)行檢漏、校準(zhǔn)、吹除、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)等功能，由圖6可以看出，模塊狀態(tài)欄有連接、測量、校準(zhǔn)、吹除和檢漏等呈矩陣分布的狀態(tài)燈，每一行表示一個(gè)模塊，每一列表示執(zhí)行的功能，在執(zhí)行該功能時(shí)可以單選或全選，全選時(shí)可通過全選框勾選實(shí)現(xiàn)。

（3）數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊是對(duì)試驗(yàn)后期數(shù)據(jù)的再現(xiàn)和分析，數(shù)據(jù)分析模塊實(shí)現(xiàn)了以下功能：數(shù)據(jù)回放，各通道壓力曲線顯示；為便于數(shù)據(jù)分析，用戶可以對(duì)曲線進(jìn)行一系列操作：曲線選擇、移動(dòng)、局部放大、縮小，單、雙光標(biāo)讀數(shù)功能；對(duì)波形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)濾波處理；數(shù)據(jù)積分及FFT功能，實(shí)現(xiàn)總沖計(jì)算及頻譜分析功能；完成數(shù)據(jù)剪輯、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等功能。

3、系統(tǒng)應(yīng)用

多路壓力測量系統(tǒng)已成功應(yīng)用于彈發(fā)匹配試驗(yàn)系統(tǒng)流場測量和某型固沖發(fā)動(dòng)機(jī)地面轉(zhuǎn)級(jí)吹試試驗(yàn)。彈發(fā)匹配試驗(yàn)系統(tǒng)流場壓力分布測試試驗(yàn)在限流噴管出口處特定位置安裝特制的總壓耙，總壓耙布置的測點(diǎn)能反映試驗(yàn)系統(tǒng)來流的壓力分布情況，裝置感受到的壓力由多路壓力測量系統(tǒng)測量并記錄，彈發(fā)匹配試驗(yàn)系統(tǒng)流場壓力分布測試曲線如圖7所示，圖中壓力曲線為來流流場在該測點(diǎn)的壓力測量值，表征了試驗(yàn)系統(tǒng)來流流場壓力分布的一致性。在流場測試中，實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算相符，為彈發(fā)匹配試驗(yàn)系統(tǒng)一來流分系統(tǒng)調(diào)試提供了有效參數(shù)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，為系統(tǒng)驗(yàn)收提供了幫助：在某型固沖發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行的多次考核試驗(yàn)中，利用多路壓力測量系統(tǒng)取得了發(fā)動(dòng)機(jī)的許多重要參數(shù)，為該型發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，促進(jìn)型號(hào)研制的進(jìn)展。

4、結(jié)論

本文研制的多路壓力測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，工作性能穩(wěn)定，測試精度高，測量通道多，可以完成128路測量通道的測試要求，較好地滿足了固沖發(fā)動(dòng)機(jī)多路壓力測量的試驗(yàn)要求。系統(tǒng)具備自動(dòng)校準(zhǔn)功能，使用方便，試驗(yàn)效率大大提高。應(yīng)用軟件功能齊全，用戶界面直觀，操作簡單，軟件編程采用虛擬儀器編程方法，充分利用了虛擬儀器在設(shè)備研制中的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了多路壓力測量系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果處理等功能。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，為將來系統(tǒng)更新、擴(kuò)展提供了良好的基礎(chǔ)平臺(tái)。