动态压力的分析研究

孙娟萍 安巧绒

中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089

动态压力的分析研究

孙娟萍 安巧绒

中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089

为了避免以往实际应用中只关注压力传感器的静态指标，忽略了它的动态性能指标而导致的潜在问题，提出了对压力传感器进行动态分析研究，并通过Matlab仿真得到了某型压力传感器的动态性能指标，为更全面地了解传感器的工作性能提供了有利依据。

动态压力；压力传感器；Matlab仿真

引言

目前，动态压力广泛应用于工业生产和科研领域中，例如内燃机、汽轮机、火箭发动机中的压力基本都是动态的，枪炮的膛压及爆炸冲击波均是动态压力，各种工业控制设备和动力机械中的液压、气动装置的脉冲压力也是动态压力的。而在飞机试飞阶段，以往大多只注重如何提高静态测试的准确度，传感器的动态特性常常被忽略，这将导致许多潜在问题，如发动机喘振[1]、失速及停车问题，就是因为只考虑到稳态畸变而未考虑到动态畸变。本文主要进行压力传感器的动态研究分析。

1.动态压力基本原理

1.1 动态压力的激励信号

动态压力常用的激励信号有周期型和非周期型两类，具体如图1所示。

图1 动态压力校准常用的激励信号类型

1.2 动态压力的校准装置

对于不同的激励信号所选用的校准装置也是不同的，校准装置也可分为周期型和非周期型[2][3]。对于周期型激励信号，如正弦波激励信号，可选用现场校准装置，它变质量类、出口调制型动态压力发生器，体积小，产生的压力频率和幅值范围宽。对于非周期型激励信号，如阶跃激励信号常用激波管和快开阀装置来校准，其中激波管可产生上升时间非常短的阶跃信号，且校准频率上限可达1M H Z以上，但它的校准压力低，且无法获得低频的频响特性；快开阀可提供的校准压力高，且幅值误差小，但上升时间长。另外，对于非周期型激励信号如脉冲激励信号常用落锤式脉冲压力发生器和准δ函数发生器来校准，其中落锤式脉冲压力发生器的结构简单，校准压力大，但不适合对其进行全面的动态响应校准；准δ函数发生器的校准频率范围很宽，数据处理方便，但波形难以确定，干扰大。所以具体应用中，必须根据被校压力传感器的量程、使用场合、校准目的和要求，选择校准装置和方法。

2.压力传感器的系统分析

压力传感器一般是一个多自由度系统，为了研究方便，可将它简化为单自由度二阶线性系统[4]，其传递函数可设为：

其中K为静态灵敏度，ε为阻尼比，ω n为系统的固有频率。由于（1）式中K可视为一个放大系数，所以此处只对如下的（2）式进行研究。

（2）式也可写成下面（3）式的形式，其中（2）式常用于压力传感器的时域分析中，（3）式常用于压力传感器的频域分析中。

压力传感器对阶跃输入时的时域响应如图2所示，图中四条曲线分别为ε=0、0. 3、1.0、2.0，其中ε=0表示零阻尼状态，ε=0.3表示欠阻尼状态，ε=1.0表示临界阻尼状态，ε=2.0表示过阻尼状态。从图2中可得到我们关心的上升时间、峰值、调节时间、超调量、灵敏度和阻尼比等参数值，有利于分析传感器的动态特性。

图2 单位阶跃响应曲线

将（3）式传递函数中的s用j ω代替，即可得到相应的频率特性，其传递函数就变为（4）式：

则可得到幅频关系为：

相频关系为：

通过幅频关系和相频关系可得到谐振频率和谐振峰值，即当ω从零变化到无穷大的过程中，A(ω)达到极大值时对应的幅值就是谐振峰值，对应的频率就是谐振频率。这对于找到共振频率点是极其重要的。

3.实例分析

当某型压力传感器的传递函数为（5）式所示：

通过Matlab仿真[5]出它对单位阶跃激励信号的响应曲线，如图3所示，并可知该传感器的动态性能指标为：固有频率ωn=10；阻尼比ε=0.5；超调量σ%=16.3%；调节时间ts=0.7s；峰值时间tp=0.363s等。

图3 某传感器的单位阶跃响应曲线将（5）式可变换成下式所示：

通过Matlab仿真出它的幅相频率特性曲线，如图4所示，并可知该传感器的谐振频率为7.07，谐振峰值为1.15。这对避免共振提供了重要的数据。

图4 幅相频率特性曲线

4.结束语

对动态压力进行研究是十分有必要的，如有些直流低频传感器对于相同的静态或动态输入压力可能产生不同的响应；所有压力传感器的输出都由频率决定。所以本文通过对压力传感器施加激励信号，产生动态响应，分析了其响应时间、峰值、幅频特性、相频特性以及动态灵敏度等动态指标，为后续的相关分析提供了重要依据。

[1].李世林.飞行中喘振的预防与处置[J]. 北京:中国科技信息.2011年第10期:50-52

[2].张力,盛晓岩,李程. 几种动态压力校准装置[J]. 北京:中国航空工业第三零四所.139-143

[3].T.Kobata, A.Ooiwa. Development of dynamic pressure generator using new rotati value system, Proceedings 14th Imeko World Congress, Tampere, Finland, June1-6, 199pp:122-127

[4].卢京潮.自动控制原理[M]. 陕西:西北工业大学出版社.2004:127-136

[5].张平. MATLAB基础与应用简明教程[M].北京:北京航空航天科技大学出版社.2003: 80-129

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.018

孙娟萍 毕业于西北工业大学检测技术与自动化装置专业，现为助理工程师，主要工作以传感器为主。