黃 瑩 楊水旺 趙 博 郭洪巖 江 峰

(北京振興計量測試研究所,北京100074)

基于虛擬儀器的正弦動態(tài)壓力校準(zhǔn)技術(shù)研究

黃 瑩 楊水旺 趙 博 郭洪巖 江 峰

(北京振興計量測試研究所,北京100074)

本文針對壓力傳感器動態(tài)校準(zhǔn)需求,提出了一種基于虛擬儀器的正弦動態(tài)壓力校準(zhǔn)方法,設(shè)計了正弦動態(tài)壓力校準(zhǔn)系統(tǒng),分別從總體設(shè)計方案、硬件配置及軟件控制三方面進(jìn)行介紹,然后對正弦動態(tài)壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)及不確定度評定,結(jié)果表明該方法可行有效,可滿足航空航天、工業(yè)領(lǐng)域中對壓力動態(tài)測量要求。

壓力傳感器 動態(tài)校準(zhǔn) 虛擬儀器

1 引 言

隨著我國航空航天工業(yè)的快速發(fā)展,動態(tài)壓力已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域中。目前,在使用壓力傳感器前一般只進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn),得到其靜態(tài)性能參數(shù),然而在實(shí)際應(yīng)用中,壓力傳感器僅用于測量靜態(tài)壓力情況較少,因此需進(jìn)行動態(tài)特性校準(zhǔn),根據(jù)動態(tài)性能參數(shù)判斷壓力傳感器測量變化的壓力系統(tǒng)能力,以滿足航空航天、工業(yè)領(lǐng)域中對壓力動態(tài)測量要求。

2 正弦動態(tài)壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)

2.1 正弦動態(tài)壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)原理

正弦動態(tài)壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)組成如圖1所示,系統(tǒng)主要由氣源、氣壓減壓器、電磁閥、動態(tài)壓力發(fā)生器、電機(jī)及電機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、信號放大器等組成。正弦動態(tài)壓力校準(zhǔn)是一種相對法校準(zhǔn),采用出口調(diào)制式正弦壓力發(fā)生器,將標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器與被校壓力傳感器對稱齊平安裝,使其感受相同壓力[1]。通過氣源、氣壓減壓器及電磁閥給正弦動態(tài)壓力發(fā)生器提供恒定壓力。通過步進(jìn)電機(jī)和三相異步電機(jī)帶動正弦動態(tài)壓力發(fā)生器轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動,并調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來產(chǎn)生不同頻率的正弦壓力波。通過數(shù)據(jù)采集卡同步采集標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和被校壓力傳感器的輸出信號,分析、處理采集到的輸出信號,從而得到被校壓力傳感器的幅頻特性和相頻特性。

2.2 硬件系統(tǒng)

2.2.1 電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)正弦動態(tài)壓力發(fā)生器產(chǎn)生0.1Hz～20kHz壓力信號,壓力傳感器正弦動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)采用兩臺電機(jī)分別進(jìn)行控制,根據(jù)兩臺電機(jī)不同的運(yùn)行速度對應(yīng)正弦動態(tài)壓力發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的正弦壓力波,利用三相異步電機(jī)中高速運(yùn)動產(chǎn)生中高頻(20Hz～20kHz)正弦動態(tài)壓力波,利用步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)動產(chǎn)生低頻(0.01Hz～20Hz)正弦動態(tài)壓力波。

1)三相異步電機(jī)

三相異步電機(jī)是將交流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來驅(qū)動轉(zhuǎn)子盤運(yùn)轉(zhuǎn)和定位的一種電機(jī),其利用交流電和定子線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,根據(jù)電磁感應(yīng)定律帶動轉(zhuǎn)子線圈轉(zhuǎn)動。

三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式為:

式中:n——轉(zhuǎn)速;S——變轉(zhuǎn)差率;f1——電源頻率; P——變磁極對數(shù)。

因此,三相異步電機(jī)的調(diào)速方法有三種:變磁極對數(shù)P調(diào)速;變轉(zhuǎn)差率S調(diào)速;變電源頻率f調(diào)速。變電源頻率調(diào)速可實(shí)現(xiàn)大范圍無級平滑調(diào)速,調(diào)速后機(jī)械特性平行,硬度不變,帶負(fù)載能力不變。本文選用變電源頻率調(diào)速的方法,通過變頻器輸出0～10V的直流控制信號來控制三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2)步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的執(zhí)行元件,其運(yùn)轉(zhuǎn)由電脈沖信號控制,步進(jìn)電機(jī)的角位移量與脈沖數(shù)成正比,每給一個脈沖,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度。步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動固定的角度。通過改變脈沖輸入頻率可改變相應(yīng)單位時間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度,從而實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的目的。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

壓力傳感器正弦動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)需同時采集標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和被校壓力傳感器輸出信號,所以數(shù)據(jù)采集卡至少需2個數(shù)據(jù)采集通道。若數(shù)據(jù)采集卡不能同步采集數(shù)據(jù)而引起相位差,將直接影響校準(zhǔn)結(jié)果。因此,數(shù)據(jù)采集卡需同步采集兩路信號。按模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號表示時一個正弦波形至少需10個數(shù)據(jù)點(diǎn)才能被準(zhǔn)確還原的原理,同時為盡可能提高校準(zhǔn)準(zhǔn)確度,要求一個正弦波形至少采集100～200個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,在設(shè)計時以一個正弦波采集200個數(shù)據(jù)點(diǎn)為依據(jù)選擇數(shù)據(jù)采集卡[3]。根據(jù)正弦動態(tài)壓力發(fā)生器產(chǎn)生的波形頻率為(0.1～20k)Hz的指標(biāo),因此選擇的數(shù)據(jù)采集卡的采樣率應(yīng)達(dá)到4MHz。

2.2.3 氣源及調(diào)壓系統(tǒng)

正弦動態(tài)壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)的調(diào)壓范圍為(0～10) MPa,根據(jù)氣源的最小壓力應(yīng)高于正弦動態(tài)壓力波峰值的1.5～3倍的原則,選擇供氣壓力為15MPa的氮?dú)飧邏簹馄恳缘玫椒€(wěn)定壓力,并通過氣壓減壓器達(dá)到減壓目的。高壓校準(zhǔn)時,控制高壓電磁閥給正弦動態(tài)壓力發(fā)生器供氣;低壓校準(zhǔn)時,控制低壓電磁閥給正弦動態(tài)壓力發(fā)生器供氣。

2.3 軟件系統(tǒng)

目前應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺是NI公司的Labview平臺,它是完全圖形化的開發(fā)工具,具有使用方便、易于學(xué)習(xí)等特點(diǎn),同時提供了豐富的人機(jī)界面開發(fā)控件和成熟穩(wěn)定的PXI硬件驅(qū)動接口。

2.3.1 軟件需求分析

根據(jù)正弦動態(tài)壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)的要求,軟件主要完成了以下任務(wù):

1)在主界面進(jìn)行壓力傳感器正弦動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置,包括傳感器編號、頻率設(shè)定值等;

2)數(shù)據(jù)采集控制模塊實(shí)現(xiàn)電磁閥控制、電機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集等功能;

3)數(shù)據(jù)分析模塊對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析,得到被校壓力傳感器的幅頻特性及相頻特性。

2.3.2 軟件流程圖

正弦動態(tài)壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。首先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,其次系統(tǒng)運(yùn)行,然后進(jìn)行正弦壓力調(diào)試。電機(jī)控制子程序開始運(yùn)行,與此同時打開電磁閥給正弦動態(tài)壓力發(fā)生器供氣,數(shù)據(jù)采集卡開始同步采集數(shù)據(jù)并對信號頻率進(jìn)行分析,得到標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器感受到的壓力信號的頻率值,當(dāng)此頻率值等于設(shè)定頻率值時,數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄,當(dāng)此頻率值小于設(shè)定頻率值,則電機(jī)加速運(yùn)行;當(dāng)此頻率值大于設(shè)定頻率值時,電機(jī)減速運(yùn)行;記錄完成后關(guān)閉電磁閥且電機(jī)停止運(yùn)行;同時對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、顯示。完成以上操作后,結(jié)束試驗(yàn)。

2.3.3 虛擬儀器界面設(shè)計

壓力傳感器正弦動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)的主界面即為系統(tǒng)控制界面,前面板如圖4所示。

在該界面上完成傳感器編號及頻率值設(shè)定、電機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制、電磁閥控制以及數(shù)據(jù)采集功能,并實(shí)時顯示采集到的壓力波形。

3 正弦動態(tài)壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)試驗(yàn)

將標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器與被校壓力傳感器安裝在正弦動態(tài)壓力發(fā)生器齊平對稱的安裝位置處,調(diào)節(jié)正弦動態(tài)壓力發(fā)生器的進(jìn)口壓力為2MPa,當(dāng)壓力值穩(wěn)定后,設(shè)置壓力變化頻率,得到壓力為2MPa時各頻率點(diǎn)的測量數(shù)據(jù),見表1。

表1 設(shè)定壓力為2MPa時各頻率點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)

正弦壓力發(fā)生器的壓力值由供氣壓力值確定。保持頻率一定,調(diào)節(jié)減壓調(diào)節(jié)器控制壓力大小。當(dāng)壓力小于1MPa時,采用低壓電磁閥控制氣路通斷,當(dāng)壓力大于1MPa時,采用高壓電磁閥控制氣路通斷。將頻率設(shè)為1kHz,被校壓力傳感器在各壓力值點(diǎn)的測試數(shù)據(jù),見表2。

當(dāng)壓力傳感器正弦動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)加壓至2MPa時,打開電磁閥,通過觀察安裝在壓力室入口處的數(shù)字壓力計的壓力值判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,壓力室入口壓力值穩(wěn)定性符合要求。

表3 壓力室穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器與被校壓力傳感器對稱齊平安裝在正弦壓力發(fā)生器兩端,在給定進(jìn)氣壓力不變的情況下,調(diào)節(jié)壓力發(fā)生頻率,得出被校壓力傳感器的測試數(shù)據(jù),見表4。

表4 不同頻率下被校傳感器測試數(shù)據(jù)

4 不確定度評定

壓力傳感器正弦動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)主要用于校準(zhǔn)動態(tài)壓力傳感器的幅值靈敏度和相移,校準(zhǔn)結(jié)果的可信度可通過測量不確定度來表征。

4.1 建立數(shù)學(xué)模型

4.1.1 幅值靈敏度

在確定的頻率點(diǎn)下,被校壓力傳感器的幅值靈敏度為:

式中:U——被校壓力傳感器的測量電壓;P——被校傳感器的壓力幅值;Ub——標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的測量電壓;Kb——標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的幅值靈敏度。

由于式(1)中的U,Ub,Kb互不相關(guān),所以被校壓力傳感器的幅值靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

被校傳感器的幅值靈敏度的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

4.1.2 相移

在確定的頻率點(diǎn)下,被校壓力傳感器的相移為:

式中:φ——被校壓力傳感器輸出的相位值;φb——標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器輸出的相位值[5]。

由于式(4)中的φ、φb互不相關(guān),所以被校壓力傳感器的相移的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

4.2 幅值靈敏度測量不確定來源

1)標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器引入的不確定度分量

標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器幅值靈敏度的測量不確定度為1%,k=2,所以標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器引入的幅值靈敏度不確定度分量為urel(Kb)=1%/2=0.5%。

2)數(shù)據(jù)采集引入的不確定度分量

3)信號調(diào)理引入的不確定度分量

4)計算方法引入的不確定度分量

計算方法引入的幅值靈敏度不確定度分量為urel(Ub3)≈0.23%。

5)測量重復(fù)性引入不確定度分量

測量重復(fù)性引入不確定度分量為urel(c)=0.56%。

6)正弦壓力發(fā)生器中傳感器安裝位置不同引入的不確定度分量

由于以上各不確定度分量各不相關(guān),因此合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

因此,當(dāng)k=2時,幅值靈敏度的相對擴(kuò)展不確定度為Urel(K)=k·urel=1.7%。

4.3 相移測量不確定度來源

1)標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器引入的不確定度分量

標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器相位的測量不確定度為1°, k=2,標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(φb)=1°/2=0.5°。

2)數(shù)據(jù)采集引入的不確定度分量

3)信號調(diào)理引入的不確定度分量

4)計算方法引入的不確定度分量

計算方法引入的相移不確定度分量為u(φb3)≈0.01°。

5)測量重復(fù)性引入的不確定度分量

測量重復(fù)性引入不確定度分量為 u(Δφc) =0.14°。

6)正弦壓力發(fā)生器中傳感器安裝位置不同引入的不確定度分量

由于以上各不確定度分量各不相關(guān),因此合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

當(dāng)k=2時,相移的擴(kuò)展不確定度為U(Δφ)= 2×u(Δφ)=1.2°。

5 結(jié)束語

本文采用正弦動態(tài)壓力發(fā)生器,提出一種基于虛擬儀器的正弦動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)方案,利用步進(jìn)電機(jī)和三相異步電機(jī)帶動正弦動態(tài)壓力發(fā)生器的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動,通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同頻率的正弦壓力波,通過數(shù)據(jù)采集卡同步采集標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和被校壓力傳感器輸出信號,經(jīng)分析處理后可獲得被校壓力傳感器幅頻特性和相頻特性。

[1] 劉向陽,方繼明.正弦壓力發(fā)生器在傳感器動態(tài)校準(zhǔn)中的應(yīng)用[J].傳感器技術(shù),2001(3):36～38.

[2] JJG 624—2005,動態(tài)壓力傳感器檢定規(guī)程[S].

[3] 王德兵.正弦壓力試驗(yàn)裝置的組建[J].計測技術(shù), 2009,29:36～39.

[4] 陳樹學(xué),劉萱.Labview寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社.

[5] 中國計量測試學(xué)會壓力計量專業(yè)委員會.壓力測量不確定度評定實(shí)例[M].中國質(zhì)檢出版社,2012.

Research on Sinusoidal Dynamic Pressure Calibration based on Virtual Instrument

HUANG Ying YANG Shui-wang ZHAO Bo GUO Hong-yan JIANG Feng
(Beijing Zhenxing Institute of Metrology and Measurement,Beijing 100074,China)

According to the dynamic calibration needs of pressure transducer,a method of sinusoidal dynamic pressure calibration based on virtual instrument is proposed.The system of sinusoidal dynamic pressure calibration based on Labview is designed in this paper,including overall design schemes,hardware configuration and software control.This paper also performs a test on the system of sinusoidal dynamic pressure and gives the uncertainty evaluation.The result shows that the method is feasible and effective and it meets the need of dynamic pressure measurement in aerospace and industrial areas.

Pressure transducer Dynamic calibration Virtual instrument

1000-7202(2017)01-0055-05

TP74.5

A

2016-07-12,

2017-01-25

黃瑩(1991-),女,助理工程師,主要研究方向:力學(xué)計量校準(zhǔn)技術(shù)。