压力测量和应变测量

第六章压力测量和应变测量压力测量•压力是反映发动机和试车台设备工作过程特性的重要参数。•燃烧室压力是发动机试验中测量的基本参数之一，测出压力随时间的变化关系，可以知道发动机的设计是否合理，装药能否正常燃烧，药柱是否符合质量要求等。•由压力－时间数据还可间接计算出发动机的推力、药柱的燃烧速度和发动机的流量系数等。•通常将发动机工作在设计状态的压力称为稳态压力(或称缓变压力)。•发动机工作过程中有时会产生不稳定的振荡燃烧，其压力变化的频率范围为100～20000Hz。通常称此频率范围内变化的压力为脉动压力。•不稳定燃烧是固体火箭发动机技术的关键问题之一，它不仅会产生很大的机械应力和强烈的振动，给导弹整体结构和弹上仪器设备带来不利影响，而且会出现发动机压力和传热率的迅速增长，导致燃烧室破坏。因此，脉动压力的测量是非常需要的。•发动机点火过程的压力称为点火压力。–点火压力本是指点火器(对于大型发动机，点火器实际是一个小型固体推进剂发动机)的压力，有时也包括燃烧室压力的上升段。–点火压力属于速变压力范畴。•在高模试验中需要测量的一个重要参数是真空压力。真空压力数据不仅描述了高空模拟环境的压力条件，而且还作为燃烧室压力和真空冲量的修正依据。•选择压力传感器应根据被测参数的幅值与频率、测量精度与灵敏度要求以及使用条件等综合考虑。•固体火箭发动机试验中，压力测量普遍采用电阻应变式和压阻式压力传感器，需要测量很高频率的压力时，也可采用压电式传感器。•稳态压力测量对传感器频率响应要求不高，而希望测量精度高一般选用结构较简单、输出较大的高精度应变式压力传感器。6.1传感器选择•用于测量点火压力和脉动压力的传感器，必须具有很高的频率响应特性。•由于高频传感器的过载能力低，选择传感器量程时，应充分估计到可能出现的最大值。•此外，为了使压力传递系统的动态响应好，在安装传感器时应使其敏感膜片与燃烧室内壁平齐，在不得不使用转接管道时，管道应尽可能短，所以还要求传感器的温度特性和抗冲击振动性能好。•最常用的测量速变压力的传感器是水冷应变式压力传感器。其壳体上装有冷却水进出管接头，以一定压力或一定流速的水直接冷却膜片，可使膜片受压面的工作温度达1000℃。此种传感器的固有频率为20～40kHz，各向抗冲击振动可达1000m/s2。其缺点是精度不高，灵敏度较低。•压阻式压力传感器是一种新型的传感器。–与应变式传感器相比，它的优点是灵敏度高、滞后与蠕变小、固有频率高、可靠性高、寿命长、抗干扰力强、体积小。–其缺点是非线性、电阻温度系数与灵敏度温度系数均较大，需采取补偿措施才可得到较好的结果。•压电式压力传感器的固有频率很高，动态响应很好，但由于其精度低，使用时应慎重选择。(1)静态校准•压力传感器静态校准一般用二等标准活塞式压力计作为标准压力源，必要时也可用一等标准压力计。•压力传感器静态校准与推力传感器静态校准所用仪器和校准过程相似。(2)动态校准•压力传感器动态校准通常采用阶跃压力激励和正弦压力激励两种方法。6.2传感器校准•激波管是一个较为理想的阶跃压力发生器，在传感器动态特性校准中最常使用。•由激波管作为动态压力源所组成的压力传感器动态校准系统如图所示，包括激波管、气源与控制系统、激波速度测量系统和瞬态数据记录与处理系统四大部分。阶跃压力激励1、2—压电式压力传感器；3—被校传感器；4—触发传感器.•激波管是一个具有恒等截面、内壁非常光滑、两端封闭的细长管，由膜片分隔成两个密封的腔室，具有较高压力的称为高压室，具有较低压力的称为低压室。•当两室压差达到一定值时，膜片爆破，高压室气体向低压室迅速膨胀，形成入射激波。•激波后面压力突变，产生一个正的阶跃压力。入射激波到达低压室端面后被反射，形成反射激波和反射激波阶跃压力。•选择不同材料和不同厚度的膜片，可得到需要的阶跃压力值和上升时间。•被校准的传感器安装在低压室端面或侧壁，其敏感面应与激波管内壁平齐。•传感器安装位置不同，所感受的激波亦不同。•由于受敏感面形状和尺寸的影响，侧壁安装比末端安装所感受压力的上升时间长。•如果传感器实际使用时是通过连接管道安装，则应将传感器与连接管道作为一个系统进行校准。•气源与控制系统用于对激波管各室充气。•要求具有压力调节器，用于调节高压气体压力，使加压平稳。系统中有差压室，在校准压差传感器时，差压室用于给传感器加平衡压力或参考压力。•在校准低量程传感器时，为使激波管处于最佳工作状态，采用真空泵使低压室压力低于大气压，并需用差压室保持传感器两边的压力平衡。•气源和激波管各室均装有压力指示仪表。•在低压室侧壁上相隔一定距离安装两只压力传感器，用于测量激波经过的时间间隔，确定激波速度。•传感器应具有高的固有频率，通常选用压电式传感器。•传感器的敏感面应与激波管内壁平齐安装。其输出经过匹配电路接至电子计时仪器。测量的数据除用于计算激波速度外，还可计算激波传递过程的衰减梯度。•记录系统中一般不用滤波器，以免丢失有用信息。只有在校准固有频率低的传感器时，为了消除干扰，可使用低通滤波器。••根据记录数据或波形曲线，按照被校传感器的安装位置，采用一定的计算方法，给出传感器动态特性参数：上升时间、阻尼比、超调量、振荡频率和固有频率等，或用频率响应函数表示。正弦压力法•正弦压力发生器是利用机械装置对气体或液体进行周期性的压缩而获得正弦变化的压力的设备。下图是一种正弦压力发生器校准系统框图。•正弦信号发生器输出的电信号，经功率放大后加到电磁振荡器上，使其产生一定频率和振幅的机械振动。振动作用于压力室，压缩其中的介质，获得正弦变化的压力。被校传感器和标准传感器安装在压力室上，它们的输出同时送入记录仪器，功率放大器的输出亦接至记录器。•改变正弦信号发生器的频率，可得到传感器在不同频率压力作用下的输出，由这些数据就可求出被校传感器的频率特性(幅频特性和相频特性)。6.3稳态压力测量(1)测量系统•测量系统在试验现场一般用机械校准，也可用电校准。•机械校准采用二等标准活塞式压力计作压力源。传感器连同安装转接件一起装在压力计上，测量系统按照试验状态连接和调节，压力计产生的标准压力施加于传感器，对整个测量系统进行校准。•此法可以得到较高的测量精度，但是试验现场的条件不易保证标准压力计对工作环境的要求，校准时间也长。(2)传感器安装位置•测量发动机燃烧室压力时，传感器的安装位置对于能否准确测量有着重要作用。•为了获取可靠的测量数据，需使测压位置与装药和燃烧室形状无关，应选择在无气体速度的地区。否则，必须分析由动压头引起的压力分量，这样会造成很大的困难。因此，通常将测压点选在发动机的前底区。6.4脉动压力与点火压力测量•脉动压力与点火压力统称为速变压力，测量系统基本相同。•测量系统的组成与校准•传感器的安装测量系统的组成与校准•采用应变式或压阻式传感器时，组成测量系统的仪器与推力测量系统相同。•但由于光线示波器频响不够高，通常不直接用于记录试验数据，而用磁带记录器记录。•磁带记录器以高的带速记录，以较低的带速重放，由光线示波器记录曲线，供分析处理，或由数字式动态信号分析仪进行处理。也可以用高速数据采集，用计算机系统记录与分析试验数据。•高频压力传感器的灵敏度较低，一般需经放大后输入记录器，应选用宽频带的直流放大器，以保证被测信号不失真。低通滤波器;的截止频率应根据被测信号的最高频率来选择。•如果选用压电式压力传感器，则应配电荷放大器或输入阻抗极高的电压放大器。•对于脉动压力测量，通常需对原始数据进行频谱分析。•测量系统在试验现场一般只进行静态校准，校准方法与稳态压力测量系统相同。使用水冷却传感器时，由于冷却水对传感器的灵敏度和零点都会产生影响，因此最好在通冷却水的条件下进行校准。•现代测量仪器具有很宽的频响范围，只要选用恰当，整个测量系统的动态特性主要决定于传感器本身及其安装方式。所以，通常只需在实验室测定传感器及其安装组件的动态响应特性，而不必在试验现场对测量系统进行动态校准。传感器的安装•a.空腔的影响•b.振动的影响•c.安装位置•d.安装力矩•e.热传导与热辐射的影响a.空腔的影响•为了准确地测量高频压力振荡，应使传感器敏感膜片与燃烧室内壁平齐安装。•但是，发动机内猛烈的振荡燃烧可能引起严重的热交换，以致于水冷却的传感器也难免受破坏。•这就需要通过转接管道来安装传感器。此外，由于结构尺寸等原因，传感器的安装也常常需要使用转接件。•如图下所示，传感器膜片前方存在空腔。•堵在管道和前空腔中的燃气并不参加发动机燃烧室内的燃气流动过程。燃烧室内的压力振荡要通过这段气体的传递，才能作用于膜片上。•由于转接管道的加入，将使测量系统的频率响应降低。•当要求测压系统频率响应高时，必须考虑传感器安装的影响。最好是使传感器敏感膜片与燃烧室内壁平齐安装，不得不使用转接件时，应使管道尽可能粗而短，容腔尽可能小，以使转接件对测压系统频率响应的影响尽量小。•由于液体介质中的音速较气体介质中高，且液体具有更好的隔热作用，因此在实际使用中，常常在转接管道内充满合适的液体介质(如硅油)，可获得好的频响特性。但是，必须注意，腔内液体中不能混有气体，否则将会产生气击，难以估计其动态特性。•对于使用转接管道安装的传感器，应将传感器与转接件按实际使用形式安装后进行动态校准，以确定压力传递系统的实际频率特性。•测压管道、接口及传感器内腔本身都应尽可能连续平滑，防止发生反射。反射作用出现在信一号中类似噪声，会带来测量误差。b.振动的影响•不稳定燃烧产生的强烈振动，将会影响压力传感器的输出。•在发动机上安装两只型号规格完全相同的压力传感器，一只按正常方式安装用于侧量压力，另一只安装在承受相同振动但不与压力相通的位置。•比较发动机工作时这两只传感器的输出，即可得知振动对压力传感器输出所造成的影响。必要时，可采用加速度补偿压力传感器，或采用加速度计测出加速度值，再对压力传感器的输出进行修正。c.安装位置•测量点火压力的传感器安装在点火器的测压位置。•测量脉动压力的传感器安装位置的选择原则是应使燃烧室内不稳定燃烧的各种振型可根据测得的瞬时相位和幅值加以判别。•纵向振型的判别是用三个传感器沿轴向排成一列，分别安装在燃烧室顶部、喷管收敛段和二者之间。用这三个传感器测得的相位、幅值和频率，就可以确定纵向的各次谐波。•为判别切向振型，需在同一横截面上不同位置安装几个传感器。图是两种较为合适的方案。d.安装力矩•传感器的安装力矩必须符合规定。力矩过小会因密封不良引起泄漏，严重时可能导致试验失败。•不合适的安装力矩(过大或过小)还会影响传感器的灵敏度和其他性能。e.热传导与热辐射的影响•由于热传导与热辐射造成的温度变化会影响传感器的性能，特别是温度灵敏度和温度零漂，它们可能成为一种主要的误差源。除了选用温度性能好的传感器外，还可采取以下措施来减小温度影响。–在传感器膜片上涂敷各种形式的烧蚀涂层，以保护膜片;–采用隔热或加温的方法使传感器温度保持恒定;–在不能消除温度对传感器输出产生的影响时，应在数据处理中对这些影响予以修正。6.5其它压力测量(1)真空压力测量•a.传感器选择–测量真空压力一般选用应变式或压阻式差压传感器或绝压传感器，量程为98kPa或稍高。•b.测点位置–真空舱内可能存在压力梯度，测压位置的选择原则是保证测量数据能真实地反映高空模拟环境的特征。–对于新使用的试验舱，需进行多点测量，以确定在所关心的区域内的压力梯度，然后选择合适的测点位置。–发动机点火试验至少应有两个检测点，一般选在发动机前封头中心和喷管出口面附近。•c.传感器与测量系统的校准–传感器的静态校准采用活塞式真空压力计作为标准压力源。校准方法及所用仪器与一般压力传感器相同。–测量系统的校准可用真空压力计施加标准压力，也可用电校准。••d.传感器的安装–采用差压传感器测量真空压力时，实际测量的是舱压与大气压之差。传感器需要通过连接管道来安装，传感器的两个压力腔分别接至测压位置和试验舱外。–管道的延迟时间可以通过实验来测定，然后在数据处理中对测量结果予以修正。–由于低压传感器对振