田俊琦， 秦會斌， 華詠竹

(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018)

0 引 言

風(fēng)動壓又稱沖擊波動壓，是高速運動的氣流產(chǎn)生的壓力，從而在運動方向上產(chǎn)生沖擊壓強，也可以表示為單位體積的空氣所具有的動能[1～3]。對于風(fēng)動壓的實時監(jiān)測和監(jiān)控可以讓人們及時對較大的風(fēng)動壓及時做出應(yīng)對措施，保證工廠、農(nóng)場日常工作的正常進(jìn)行，從而減少損失。目前風(fēng)動壓測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和風(fēng)速風(fēng)壓測量領(lǐng)域。動態(tài)壓力測量技術(shù)主要用于實現(xiàn)壓力測量，但在超音速流動中，測量管頭會產(chǎn)生體外沖擊，無法準(zhǔn)確測量流動壓力，并且其動態(tài)特性會嚴(yán)重限制管腔效應(yīng)。在一些試驗中會使用動態(tài)壓力探測法來測量風(fēng)壓，但是由于試驗環(huán)境的特殊性，傳感器動態(tài)特性較低。所以研究一種新型測量風(fēng)動壓的方法十分必要。

本文研究了基于薄膜電阻的風(fēng)動壓檢測系統(tǒng)，試驗結(jié)果表明這種檢測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測風(fēng)動壓，具有良好的應(yīng)用前景。

1 研究背景

目前,國內(nèi)外在風(fēng)動壓的具體測量方法上進(jìn)展不多，主要側(cè)重于理論和仿真的研究。在國內(nèi)，對于風(fēng)動壓超壓理論的研究有優(yōu)秀進(jìn)展的學(xué)者有很多，他們對各自實驗中的風(fēng)動壓超壓衰減規(guī)律和分布進(jìn)行了詳細(xì)的計算[4～8]，理論研究已經(jīng)較為成熟，因此，對于風(fēng)動壓的測量方法的研究已經(jīng)是迫在眉睫。

國內(nèi)現(xiàn)階段設(shè)計的傳感器基本都是擴(kuò)散硅壓力變送器，量程一般都在60 MPa左右，量程無法滿足較大風(fēng)動壓的環(huán)境。測量方式都是直接正面測量，難以安裝固定在實際環(huán)境中，而且在測量環(huán)境中存在一定的損毀風(fēng)險，故需要采用更為有效且穩(wěn)定的測量方法。

2 系統(tǒng)總體框圖

風(fēng)動壓信號具有持續(xù)時間短，變化快，干擾大的特點，屬于非平穩(wěn)隨機信號，要求風(fēng)動壓測量器件具有很好的動態(tài)特性和較高的頻率。風(fēng)動壓測量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)動壓測量系統(tǒng)框圖

風(fēng)動壓傳感器通過兩根低噪同軸電纜將測量到的數(shù)據(jù)傳入信號調(diào)理器，然后通過信號線傳入數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)進(jìn)行信號分析處理，從而得到最后的風(fēng)動壓數(shù)據(jù)?？梢钥闯鲲L(fēng)動壓傳感器是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，決定了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，故傳感器的設(shè)計是本文系統(tǒng)設(shè)計的重中之重。

3 系統(tǒng)設(shè)計與分析

3.1 熱敏電阻的選取

由于在產(chǎn)生較大風(fēng)動壓時，同時會伴隨著環(huán)境溫度的大幅升高，因此，所選擇的熱敏電阻的測量范圍需要達(dá)到1 000 ℃，對電阻薄膜化可以使其對溫度變化更加敏感。鉑材料在物理化學(xué)性能上表現(xiàn)很穩(wěn)定，所以鉑電阻在測量溫度上很適合，表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性，經(jīng)常被用于中低溫區(qū)的溫度測量電阻，是一個理想的、精度高的、穩(wěn)定的測溫元件[9]。鉑電阻在0～850 ℃的中低溫區(qū)呈現(xiàn)線性關(guān)系其線性關(guān)系如下

Rt=Ro[1+A×t+B×t2+C(t-100)×t3]

(1)

式中Ro=100 Ω，A=3.908 3×10-3,B=-5.775×10-2,C=-418 3×10-4。

對于鉑電阻高溫區(qū)呈現(xiàn)的非線性，需要利用其非線性曲線獲取溫度值，因此薄膜鉑電阻符合風(fēng)動壓的檢測。

3.2 熱敏電阻阻值采樣

熱敏電阻測量溫度需要將熱敏電阻的阻值轉(zhuǎn)換成電壓，利用單片機進(jìn)行A/D采樣處理獲取電阻值變化量。

在鉑電阻高精度測量系統(tǒng)中，需要把引線的電阻去除，通常消除鉑電阻引線電阻采用四限制接法。四線制接法如圖2所示。

圖2 四線制接線法

四線制接法原理圖如圖所示，主要有兩個部分組成，一部分是恒流源動力引線，包含了R1和R2兩條引線，作用是將薄膜電阻連接到恒流源；另一部分是電壓驅(qū)動引線，包含了R3,R4兩條引線，作用是將鉑電阻的電壓信號連接到儀用放大電路。四線制接線法將電路分為兩部分，可以通過消除引線上電阻的影響來保證溫度測量的精度，因此可以運用于高精度溫度測量的場景[10]。

為了濾除電路中的干擾信號，四線制接法采用了抗混疊濾波和采樣保持電路，這樣可以對混疊信號進(jìn)行更有效的處理，衰減信號直至濾除。原理圖中的R0和C1組成RC低通濾波電路，目的是濾除頻率大于1/2πRC的高頻信號。C2為采樣保持電容，用于減少誤差和增強A/D轉(zhuǎn)換器性能，此外還能濾除高頻諧波。

3.3 流速和風(fēng)動壓計算

風(fēng)動壓具有破壞性強的特點，因此需要間接測量流速，再轉(zhuǎn)換成風(fēng)動壓。測量流速時需要給薄膜電阻添加一個穩(wěn)定的直流電阻IC，使其有一個初始溫度，當(dāng)薄膜電阻周圍空氣介質(zhì)的流速不為0時，流體介質(zhì)的溫度將影響薄膜電阻表面的熱量，使薄膜電阻表面溫度發(fā)生變化，根據(jù)熱平衡方程，如下

ε=A+BVn

(2)

(3)

式中A,B,n為薄膜電阻引線熱參數(shù)及其它影響的常數(shù)，V為氣流速度，IC為流過薄膜電阻的電流，T為薄膜電阻溫度，T0為氣流溫度，ε為散熱系數(shù)，Rt為溫度為T時的薄膜電阻阻值。

忽略流動時的高度差影響，理想流體沿著一個方向定向流動時，流體的伯努利方程可表達(dá)為

P+ρv2/2+ρgh=c

(4)

式中P為壓強，ρ為密度，v為速度，g為重力加速度，c為常量。

也就是說流體的流動過程中，流速V和壓強P成反比[5]。因此,利用熱平衡方程可以根據(jù)薄膜電阻測量到流速，再根據(jù)伯努利方程可以得到風(fēng)動壓。

3.4 數(shù)字濾波算法

由于薄膜電阻溫度特性具有波動性，所以,需要對一組垂直于流速方向上的電阻進(jìn)行多次采樣。薄膜電阻分布如圖3所示。

圖3 薄膜電阻分布

采樣的結(jié)果需要進(jìn)行數(shù)字濾波處理。其工作原理是使用一些數(shù)學(xué)方法算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理，去除掉頻率段范圍外的信號，留下較為準(zhǔn)確的信號。為了得到更好的濾波結(jié)果，可以將多種功能不同的濾波器組合起來，來共同處理一個信號，這種濾波器被稱為復(fù)合數(shù)字濾波器[7]。通過限幅濾波算法和算術(shù)平均值濾波算法相結(jié)合，根據(jù)實際的測量環(huán)境先設(shè)定測量數(shù)據(jù)的上限和下限，在測量過程中先去除超過上限和下限的數(shù)據(jù)，連續(xù)采集10次數(shù)據(jù)進(jìn)行取平均值，去除采集過程中異常數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波前后數(shù)據(jù)對比如圖4所示。

圖4 字濾波前后數(shù)據(jù)

3.5 滯后補償

由于在測量過程中，電阻檢測溫度和電阻阻值變化過程都存在一定的時滯，時滯的累積會導(dǎo)致較長的延時，使得系統(tǒng)不能準(zhǔn)確地跟蹤到輸入量。而且當(dāng)外部信號干擾系統(tǒng)時，系統(tǒng)的超調(diào)量會慢慢增加，造成數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，因此，需要對滯后進(jìn)行一定的補償。在控制系統(tǒng)中，需要W(s)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)對上一個預(yù)估器實現(xiàn)對純滯后性的施密斯補償。

Gp(s)*e-τs為系統(tǒng)的控制對象傳遞函數(shù),Gp(s)是G(s)中不包含純時滯特性部分的傳遞函數(shù),W(s)為系統(tǒng)的前向控制器。史密斯預(yù)估器的原理便是在控制器W(s)兩端并聯(lián)一個補償環(huán)節(jié),用來補償控制對象的時滯部分,這個補償環(huán)節(jié)即是預(yù)估補償器[8]。施密斯補償傳遞函數(shù)如圖5所示。

圖5 施密斯補償傳遞函數(shù)

4 測試結(jié)果

由于測量環(huán)境的特殊性和局限性，在模擬環(huán)境中放置固定基于薄膜電阻的風(fēng)動壓檢測系統(tǒng)。將實驗環(huán)境中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理保存，根據(jù)最終采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，所得的風(fēng)動壓波形數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 風(fēng)動壓測量波形

從波形可以看出，在45 ms左右處有劇烈波動，分析可知是由于模擬環(huán)境影響了系統(tǒng)工作，從而產(chǎn)生了較大的毛刺?？傮w來看，風(fēng)動壓測量系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確的測量出風(fēng)動壓的值。

5 結(jié)束語

將電阻變化量根據(jù)熱平衡方程將轉(zhuǎn)換成流速，根據(jù)伯努利方程把流速轉(zhuǎn)換成風(fēng)動壓，利用數(shù)字濾波和滯后補償獲取到準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明：基于薄膜電阻的風(fēng)動壓檢測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測到風(fēng)動壓，體積小，性能穩(wěn)定，適用于各種復(fù)雜的測量環(huán)境。