淺談如何對專用測試設備應用動態(tài)壓力測試技術(shù)

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備都與航空發(fā)動機系列產(chǎn)品的質(zhì)量息息相關，如何確保這些專用測試設備的測試試驗質(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備也隨著型號測試的需求不斷增多，對各類專用測試設備的測試要求也逐漸多元化、自動化、現(xiàn)代化，對專用測試設備的設計、制作、維護等各個方面的要求都達到了前所未有的高度。

我們知道，作為測試試驗設備，專用測試設備大多數(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備相連互動，并裝有多種模塊，結(jié)構(gòu)復雜。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。從儀器設備的角度來分析，如果測試系統(tǒng)是專用測試設備的表，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)的專用測試設備。

要將專用測試設備建成動態(tài)測試系統(tǒng)，必須是能覆蓋測試設備所涉及的各類試驗參數(shù)指標，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)的專用測試設備進行動態(tài)壓力測試的相關技術(shù)，淺談如何對專用測試設備應用動態(tài)壓力測試技術(shù)，以作為專用測試設備綜合動態(tài)測試系統(tǒng)的研究基礎。

1 專用測試設備應用動態(tài)壓力測試技術(shù)的初步研究

以往在壓力測試領域，人們大多注重如何提高靜態(tài)測試的準確度，壓力動態(tài)過程往往被忽略，這導致許多問題。20 世紀60 年代，動態(tài)壓力測試校準技術(shù)研究逐漸被重視起來。航空航天、汽車、工業(yè)自動化等領域涉及大量的壓力測量任務，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)和科研領域中，例如內(nèi)燃機、燃氣輪機和火箭發(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 專用測試設備動態(tài)壓力測試系統(tǒng)的總體設計要求

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 測試方案設計

為了設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)查的基礎上，進行方案論證，以確保正確的起點，這對設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，就應對測試系統(tǒng)構(gòu)成方框圖進行設計?？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)分別進行自動化相關設計，包括機械、電氣線路、軟件等設計。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)的自動化相關設計，另外，虛擬儀器的硬件、軟件設計也是設計測試系統(tǒng)的難點，可能要經(jīng)歷多次模擬運行才可能適合設計需要，然后進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，可以進行總裝，構(gòu)成需要的動態(tài)測試系統(tǒng)后再進行聯(lián)調(diào)。一般要與擬被測對象相聯(lián)系來進行調(diào)試。往往在總裝調(diào)試中會出現(xiàn)一些問題，如設計不合理、器件匹配不當?shù)龋瑧右孕薷?。通常，問題的多少與設計者的經(jīng)驗相關，因此，設計者在設計籌備階段，必須盡可能多地了解相關知識，掌握與動態(tài)測試和動態(tài)標定相關的各類技術(shù)資料。

2.5 基本特性、指標的測試和性能考核

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、手段進行誤差分析，最后給出動態(tài)測試誤差的綜合指標。

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和檢修。而且，安裝位置應符合安裝狀態(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，均應采取一定的保護設計措施。

3.2 動態(tài)壓力測試系統(tǒng)虛擬儀器設計

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用，越來越多地應用在科研開發(fā)、測試控制、計量檢測、生產(chǎn)等各個領域，是不可多得的好工具，為提高科學技術(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行并行設計，為了保證動態(tài)測試系統(tǒng)的準確性，必須采用采用速率足夠高的單元數(shù)據(jù)采集設備，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)設計搭建工作的同時，完全了解測試系統(tǒng)設計要求、傳感器性能、虛擬儀器的I/O 接口設備技術(shù)特性，在軟件的設計應用上下足功夫。

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)絡建立虛擬儀器測量的非參數(shù)測量模型，推導出測量模型的解析表達式、測量不確定度傳播系數(shù)、測量不確定度來源相關系數(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，另外還要設計安裝一些可對壓力測試系統(tǒng)進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，必須對其進行全系統(tǒng)的動態(tài)標定/校準，僅對動態(tài)壓力傳感器進行動態(tài)檢定或校準，不能全面反映測試系統(tǒng)的動態(tài)特性，因而應盡量對測試系統(tǒng)進行系統(tǒng)動態(tài)標定或校準。

結(jié)合被測試對象的特點，可以確定動態(tài)標定方案為動態(tài)壓力傳感器、溫度傳感器和虛擬儀器設備整套送檢方式，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)壓力標準或正弦壓力標準檢定動態(tài)壓力測試系統(tǒng)的計量機構(gòu)，或者自行設計制作符合動態(tài)標定要求的動態(tài)標定/校準設備。在進行動態(tài)標定/校準前，根據(jù)使用條件，盡量要求標定方確定標定時的標定條件與使用條件接近或一致，以確保動態(tài)標定數(shù)據(jù)的準確、有效。

4 設計動態(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)的設計和安裝

前面已經(jīng)提到，動態(tài)壓力測試的取壓點應在被測介質(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和檢修。安裝位置應符合安裝狀態(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)響應變壞，甚至會造成動態(tài)壓力測試曲線的嚴重失真。

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遠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)作為標準輸入信號，對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行分析，從而確立精密測量系統(tǒng)動態(tài)特性的評價指標。

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)計學的方法進行評定，但是在一些實際工程領域中，傳統(tǒng)評定方法難以達到精確的評定效果。

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信息的分析，以先驗概率分布為基礎，根據(jù)經(jīng)驗參照統(tǒng)計不確定度的方法，以等價標準差的形式進行估計。非統(tǒng)計原理不同于經(jīng)典的統(tǒng)計學方法，其理論基礎不再是大數(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)絡理論、蒙特卡洛理論、自助法和灰自助法等為理論基礎，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)計方法的問題進行處理。

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