混　平，單　琳，劉　軍，耿　直（西安航天動力試驗研究所，陜西西安710100）

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水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準方法研究

混平，單琳，劉軍，耿直
（西安航天動力試驗研究所，陜西西安710100）

摘要：介紹了發(fā)動機試驗水擊壓力測量的重要性，水擊壓力傳感器進行現(xiàn)場校準方法研究的必要性。通過分析水擊壓力產(chǎn)生機理、水擊壓力傳感器測量原理，以及對國內外動態(tài)校準系統(tǒng)比較分析，設計了水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準系統(tǒng)，提出水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準裝置設計指標、工作方式，校準裝置設計難點，同時介紹了現(xiàn)場校準系統(tǒng)的關鍵技術。并重點論述了水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準方法，對水擊壓力傳感器現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)和發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)進行了比對，分析了水擊壓力現(xiàn)場校準裝置的設計可行性。最后利用校準裝置進行了水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準試驗，對現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)進行計算分析，得到水擊壓力傳感器靈敏度系數(shù)、系統(tǒng)校準曲線和上升時間等。還針對試驗中水擊壓力測量干擾信號提出了抗干擾措施。

關鍵詞：水擊壓力；現(xiàn)場校準；抗干擾

0　引言

液體火箭發(fā)動機水擊壓力參數(shù)是指在液體火箭發(fā)動機試驗點火和關機瞬間，由于發(fā)動機入口閥門的快速開啟和關閉導致推進劑的流速發(fā)生突然變化，瞬間產(chǎn)生的水擊壓力。水擊壓力大小與發(fā)動機入口管路結構、閥門開關速度、打開或關閉前介質流速、壓力等有關，而水擊壓力大小是發(fā)動機結構、主閥、試驗系統(tǒng)入口管路及試車架結構可靠性設計等的主要參考依據(jù)。

目前液體火箭發(fā)動機試驗中水擊壓力測量采用傳感器穩(wěn)態(tài)壓力靜態(tài)現(xiàn)場校準方式，而實際試驗中主要是瞬態(tài)沖擊方式。從以往液體發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)來看，開機段和關機段的水擊壓力通常在短短的幾毫秒內達到峰值，變化非常迅速。水擊壓力傳感器和測量系統(tǒng)的動態(tài)性能與靜態(tài)性能存在較大差異，直接使用靜態(tài)校準系數(shù)進行動態(tài)數(shù)據(jù)處理，處理結果不能真實反映水擊壓力動態(tài)特性，影響了水擊壓力測量數(shù)據(jù)的準確性。為了使測量結果更加真實、有效，有必要開展液體火箭發(fā)動機水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準方法研究。

1　水擊壓力現(xiàn)場校準

發(fā)動機試驗中水擊壓力測量原理是水擊壓力傳感器將感知到的管路壓力轉化為電量，通過測量電纜傳輸和信號調理（即對電信號的調理、A/D轉換、濾波及放大等），最終將水擊壓力電信號傳遞到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。目前測量用水擊壓力選用傳感器頻響50 kHz，固有頻率大于100 kHz，靈敏度為1～1.4 mv/V，傳感器前置膜片需具有較好的動態(tài)性能。目前在水擊壓力測量時對水擊壓力傳感采用靜態(tài)校準方式，即對水擊壓力傳感器通過標準壓力校驗儀加載定值壓力，水擊壓力傳感器輸出信號方式獲得校準系數(shù)，而水擊壓力傳感器在實際應用中是測量瞬態(tài)沖擊壓力，因此水擊壓力傳感器的動態(tài)性能比靜態(tài)性能更重要，通過對水擊壓力傳感器進行動態(tài)校準，才能獲得準確的水擊壓力測量結果。

對壓力傳感器的動態(tài)校準方式依據(jù)動態(tài)激勵信號類型基本上分為：階躍壓力、周期性壓力（主要為正弦壓力）及脈沖壓力（主要為半正弦壓力）三類。國外從上世紀60年代起開展了廣泛的研究，擁有了多種動態(tài)壓力校準設備，頒布了ANSIB88.1-1972A Guide For the Dynamic Cablibration of Pressure Transducers。我國從上世紀70年代開始了壓力動態(tài)校準理論研究，隨后建立了實驗室環(huán)境脈沖壓力校準裝置、激波管壓力校準裝置及落錘壓力校準裝置等等，但大多是在實驗室環(huán)境的壓力傳感器動態(tài)校準。由于水擊壓力測量現(xiàn)場環(huán)境和實驗室環(huán)境差異較大，因此進行水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準更有意義。

1.1水擊壓力現(xiàn)場校準的基本概念

水擊壓力測量系統(tǒng)的性能指標包括靜態(tài)性能指標和動態(tài)性能指標。靜態(tài)性能指標反映了系統(tǒng)的靜態(tài)特性，主要有線性度、重復性及遲滯等；動態(tài)性能指標通過時間域表示，如時間常數(shù)T，響應時間ts，上升時間tr及工作頻帶等來反映系統(tǒng)的動態(tài)特性。在對測試系統(tǒng)進行特性分析時，不能只考慮靜態(tài)性能指標，因為即使是2個靜態(tài)性能相當?shù)臏y試系統(tǒng)同時測量同一點的壓力變化時，2條快速記錄的曲線形狀差異較大。

1.2水擊壓力現(xiàn)場校準系統(tǒng)原理及組成

水擊壓力傳感器現(xiàn)場校原理是比較，也叫相對比較，是將被校準的傳感器與通過絕對法校準的標準傳感器相比較得到被校傳感器的靈敏度、上升時間及工作特性曲線等。該校準方法是將標準傳感器和測試用傳感器對稱地安裝在水擊壓力現(xiàn)場校準系統(tǒng)管路同一截面上，使兩者在任何時刻都經(jīng)受同一時刻的沖擊激勵。當受到?jīng)_擊時，信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊同時記錄，并對記錄信號進行比較分析，進而得到系統(tǒng)斜率。

水擊壓力現(xiàn)場校準系統(tǒng)主要由介質容器、快速閥門、標準傳感器、被校準水擊傳感器、自動控制裝置及數(shù)據(jù)采集裝置等相應的配套設備組成。水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準系統(tǒng)原理組成框圖見圖1。

圖1　水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準組成框圖Fig.1　Composition block diagram of field calibration system for water hammer pressure sensor

1.3水擊壓力現(xiàn)場校準系統(tǒng)設計

水擊壓力現(xiàn)場校準系統(tǒng)設計：根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境及水擊壓力傳感器校準原理，設計通過快速閥門產(chǎn)生水擊壓力，壓力自動調節(jié)技術控制水擊壓力的大小，節(jié)流孔板方式實現(xiàn)對介質流速進行控制，穩(wěn)定水擊壓力產(chǎn)生的初始邊界條件；通過調節(jié)快速閥門開啟速度，改變水擊壓力發(fā)生條件，獲得不同水擊壓力值。根據(jù)實際水擊壓力傳感器測量工作范圍，設計的水擊壓力現(xiàn)場校準系統(tǒng)校準范圍為1～10 MPa，校準頻帶范圍為0.2～3 kHz，上升時間不大于5 ms。水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準系統(tǒng)設計原理圖見圖2。

系統(tǒng)工作時，推進劑供應系統(tǒng)內加注推進劑，通過壓力調節(jié)裝置設定推進劑初始壓力，控制系統(tǒng)控制快速閥門快速開閉產(chǎn)生水擊；通過安裝在管道截面上的被測傳感器和標準傳感器分別測量水擊壓力值，并由高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集傳感器信號；通過被校準傳感器和標準傳感器所測數(shù)據(jù)比較，得出幅值靈敏度、輸出時間和幅值等。水擊壓力傳感器的安裝接口、安裝力矩與發(fā)動機試驗工作狀態(tài)保持一致，盡可能減小傳感器安裝過程對校準結果的影響。動態(tài)校準的過程能夠比較準確地反映水擊壓力傳感器在實際工作環(huán)境下動態(tài)特性。

圖2　水擊壓力現(xiàn)場校準系統(tǒng)原理圖Fig.2　Principe diagram for field calibration system of the water hammer pressure

水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準以標準壓力傳感器測量結果為基準，對被校準水擊壓力傳感器測量進行比對分析，獲得被校準壓力傳感器的靈敏度系數(shù)、響應時間及上升時間等。因此，對標準壓力傳感器性能要求較高，通過對市場上測壓傳感器的技術指標及應用效果比對后，選用了Endvoc壓力傳感器作為標準測壓傳感器，其主要技術指標為：量程2 000 Psi，靈敏度1.05 mV/Psi，非線性0.25%FSO，共振頻率 900 kHz，沖擊極限1 000 g。

1.4水機壓力校準系統(tǒng)設計技術難點

水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準系統(tǒng)設計關鍵一是穩(wěn)定可控的水擊壓力發(fā)生源產(chǎn)生，解決辦法是利用自動控制技術調節(jié)校準裝置壓力，同時利用加裝節(jié)流孔板方式，對管路介質流速進行控制，穩(wěn)定水擊壓力產(chǎn)生的初始條件；二是快速閥門裝置設計，閥門設置高壓室和低壓室2個介質腔，在高壓室和低壓室之間用閥芯頂桿密封隔離。采用脆性材料斷裂的方法來提高閥桿的開閥速度，利用不同尺寸的脆性材料和改變簡支梁模型來控制不同的斷裂力值，利用一個單活塞桿雙行程的液壓缸（密封液壓缸）來提高閥桿的密封力并使脆性材料斷裂，控制閥門以不同的速度打開。

1.5水機壓力現(xiàn)場校準系統(tǒng)調試

水擊壓力現(xiàn)場校準系統(tǒng)搭建后進行了現(xiàn)場調試試驗，調試試驗數(shù)據(jù)曲線圖見圖4，某次發(fā)動機試驗水擊壓力測量的曲線圖見圖5。

圖3　利用水擊壓力校準系統(tǒng)校準某次數(shù)據(jù)曲線Fig.3　Data from a certain test with water hammer pressure field calibration system

圖4　某次發(fā)動機試驗水擊壓力曲線Fig.4　Water hammer pressure curve of one engine test

從圖3和圖4分析，圖3曲線上升時間為1.6 ms，圖4曲線上升時間為1.7 ms，水擊壓力校準系統(tǒng)產(chǎn)生水擊壓力上升時間和發(fā)動機試驗水擊壓力上升時間接近，水擊壓力峰值在同量級范圍內，說明校準系統(tǒng)設計符合設計要求，能夠模擬發(fā)動機地面試驗水擊壓力產(chǎn)生。

2　水擊壓力現(xiàn)場校準及校準數(shù)據(jù)分析

2.1水擊壓力現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)處理方法

水擊壓力傳感器的動態(tài)靈敏度可以由以下公式計算：

式中：pi為對應標準壓力傳感器輸出的壓力幅值峰值；Ai為對應于被校準壓力傳感器輸出的信號的幅值峰值；i=1，2，3，…，n。

水擊壓力傳感器的上升時間為傳感器輸出從穩(wěn)定值的10%上升到水擊壓力信號峰值的時間，上升時間是研究水擊壓力傳感器的幅頻特性的重要參數(shù)之一。

2.2水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準試驗

利用水擊壓力現(xiàn)場校準系統(tǒng)進行校準時將標準水擊壓力傳感器和被校準水擊壓力傳感器對稱安裝在校準裝置管道上，傳感器的安裝接口及安裝力矩將和發(fā)動機地面試驗保持一致，安裝力矩40 N.m， 校準時由標準傳感器和被校準水擊壓力傳感器同時輸出信號進行采集。為了準確的獲取校準數(shù)據(jù)，首先要保證校準裝置及安裝方式要與真實的使用環(huán)境一致，校準裝置產(chǎn)生的壓力信號的幅值和頻率，應接近發(fā)動機試驗的壓力。

根據(jù)水擊壓力傳感器在實際應用中的范圍，校準范圍從1 MPa校準至6 MPa，共進行10個點的標定。由水擊壓力校準系統(tǒng)按照設定的水擊壓力值，控制壓力調節(jié)裝置對貯箱初始壓力進行調節(jié)，控制校準裝置的壓力值范圍在2～5MPa之間，通過標準傳感器和被校準傳感器同時測量水擊信號，并將校準數(shù)據(jù)進行對比和分析，總結校準數(shù)據(jù)變化規(guī)律，水擊壓力輸入的壓力信號與輸出壓力信號之間的傳遞關系。通過水擊壓力現(xiàn)場校準系統(tǒng)加載5 MPa壓力，重復進行10次現(xiàn)場校準，用貝塞耳公式進行計算，獲得水擊壓力測量結果的在最佳頻帶范圍的分散性。

2.3水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)分析

利用水擊壓力現(xiàn)場系統(tǒng)分檔加載產(chǎn)生水擊壓力信號，現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)見表1，對校準數(shù)據(jù)利用最小二乘法進行擬合，獲得校準直線方程P= 0.226007+0.00097*Vc，Vc為傳感器輸出電壓值；P為計算壓力傳感器物理量。

用水擊壓力現(xiàn)場校準系統(tǒng)進行10次同檔位重復性校準，獲得的數(shù)據(jù)見表2。利用貝塞爾法計算獲得校準數(shù)據(jù)的標準偏差為1.119%，上升時均在5 ms以內。

表1　傳感器試驗數(shù)據(jù)Tab.1　Test data of sensor

通過對水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準試驗及現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)比對分析，得到傳感器工作直線方程、上升時間；對校準數(shù)據(jù)比對分析，得到水擊壓力傳感器現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)一致性較好。上升時間在1.2 ms左右，符合水擊壓力測量要求，水擊壓力現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)能作為發(fā)動機試驗水擊壓力測量提供準確依據(jù)。

2.4試驗中降噪措施

試驗中發(fā)現(xiàn)每次采集的信號均有一定噪聲，分析原因是由地回路干擾引起。在傳感器中，如果同一根接地導線兩端不在同一地點接地，在負載不平衡或有其他因素影響時，會使中線兩端電位不等于0，就會在大地、導體和電源之間形成環(huán)路。這個地環(huán)路的電流會產(chǎn)生干擾現(xiàn)象，傳感器信號和干擾信號就會疊加在一起。在水擊壓力信號測量中解決干擾的措施主要有：

1） 利用測量電纜的選擇與鋪設方法抑制干擾信號傳輸線即測量電纜是測量系統(tǒng)的重要組成部分，主要選用正規(guī)廠家生產(chǎn)的雙膠屏蔽電纜。在鋪設時應注意對易產(chǎn)生噪聲的導線盡量遠離低電平信號線，避免把它們捆扎在一起或平行走線；對測量電纜布線時應力求短、直并固定好電纜；低電平信號傳輸線布線時避免通過產(chǎn)生噪聲的設備；在滿足阻抗匹配的情況下盡量減少電路的輸入阻抗。

表2　傳感器試驗數(shù)據(jù)Tab.2　Test data of sensor

2）利用信號放大器對干擾的抑制

由于水擊壓力傳感器的輸出信號一般都比較微弱，并在傳輸過程中易受環(huán)境的電磁干擾，為此在緩變測量系統(tǒng)中，在信號調節(jié)器輸入端增加濾波放大環(huán)節(jié)，對信號采用放大-濾波-放大的形式，通過這種方式達到消除部分干擾的目的。

3）利用濾波器來抑制干擾

由于測量環(huán)境中的各種電子干擾以及測量系統(tǒng)本身的影響，通常測量信號中會有多種頻率成分的噪聲，噪聲有時會淹沒正常的輸入信號，在這種情況下需要采取濾波措施，抑制不需要的噪聲。濾波器的作用是選出有用的頻率信號，抑制雜亂無用的頻率信號，使一定頻率范圍內的信號通過，且衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號衰減很大，從而提高系統(tǒng)的信噪比，達到抑制干擾的作用。

4） 利用水擊壓力測量系統(tǒng)在信號采集環(huán)節(jié)機殼接地一點接地方式有效抑制干擾。

3　結束語

利用研制的水擊壓力現(xiàn)場校準系統(tǒng)，對水擊壓力傳感器進行了現(xiàn)場動態(tài)校準試驗，并對現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)進行了分析計算，得到了水擊壓力傳感器的動態(tài)靈敏度系數(shù)。在此基礎上分析了影響水擊壓力測量的干擾因素，給出了去除干擾的方法。為發(fā)動機水擊壓力的動態(tài)特性分析和提高液體火箭發(fā)動機試驗水擊壓力參數(shù)準確測量奠定基礎。

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（編輯：馬杰）

中圖分類號：V416-34

文獻標識碼：A

文章編號：1672-9374（2016）03-0093-06

收稿日期：2016-02-16；修回日期：2016-04-30

基金項目：國防科工局計量課題（項目編號JSJC2013203A001）

作者簡介：混平（1977—），女，高級工程師，研究領域為液體火箭發(fā)動機試驗測控技術

Research on field calibration method of water hammer pressure sensor

HUN Ping，SHAN Lin，LIU Jun，GENG Zhi
（Xi'an Aerospace Propulsion Test Technology Institute，Xi'an 710100，China）

Abstract:The importance of the water hammer pressure measurement and the necessity of the field calibration method of the water hammer pressure sensor for rocket engine are introduced in this paper.Based on the analyses on generation principle of water hammer pressure，measurement principle of water hammer pressure sensor and dynamic calibration systems at home and abroad，a field calibration system of the water hammer pressure sensor was designed，and the design indexes，working mode and difficulty in design of the field calibration device for the water hammer pressure sensor were proposed.The field calibration method of the water hammer pressure sensor is discussed in this paper. The field test data of the water hammer pressure sensor and engine test data are compared.The design feasibility of the water hammer pressure field calibration device is analyzed.The field calibration test of the water hammer pressure sensor was carried out with the designed calibration device.The sensitivity coefficient，system calibration curve and the rise time of the water hammer pressure sensorwere got after calculation and analysis of the data from the field test.In addition，the anti-interference measures are also put forward in allusion to the interference signal in water hammer pressure measurement.

Keywords:water hammer pressure，field calibration，calibration data