浅谈如何对专用测试设备应用动态压力测试技术

陈敏，曾建德，介克

(北京航科发动机控制系统科技有限公司，北京102200)

0 引言

在航空发动机产业链上使用的每台专用测试设备都与航空发动机系列产品的质量息息相关，如何确保这些专用测试设备的测试试验质量，是一个非常重要的问题。近年来，随着航空发动机在研型号任务的逐渐增多，用于对航空发动机及其附件产品做各项测试试验的专用测试设备也随着型号测试的需求不断增多，对各类专用测试设备的测试要求也逐渐多元化、自动化、现代化，对专用测试设备的设计、制作、维护等各个方面的要求都达到了前所未有的高度。

我们知道，作为测试试验设备，专用测试设备大多数既是测量系统，又是控制系统，往往与传感器等其它测试设备相连互动，并装有多种模块，结构复杂。它不仅包括用于监测试验各个环节数据的测试系统，还必须有动力系统、机械液压系统等。从仪器设备的角度来分析，如果测试系统是专用测试设备的表，那么，动力系统和机械液压系统就是专用测试设备的源，测试表和测试源组合在一起，才能成为可以测试产品所要求试验数据的专用测试设备。

要将专用测试设备建成动态测试系统，必须是能覆盖测试设备所涉及的各类试验参数指标，但完全实现起来是很困难的。一般而言，压力参数是动力工业产品最重要的测试参数之一，也是最常见、最具代表性的试验指标之一。因此，本文将着眼于以压力测试为主要测试系统的专用测试设备进行动态压力测试的相关技术，浅谈如何对专用测试设备应用动态压力测试技术，以作为专用测试设备综合动态测试系统的研究基础。

1 专用测试设备应用动态压力测试技术的初步研究

以往在压力测试领域，人们大多注重如何提高静态测试的准确度，压力动态过程往往被忽略，这导致许多问题。20 世纪60 年代，动态压力测试校准技术研究逐渐被重视起来。航空航天、汽车、工业自动化等领域涉及大量的压力测量任务，技术的不断发展和更新，使得动态压力测量在工业生产和科研方面存在着广泛而重要的需求。事实上，动态压力广泛存在于工业生产和科研领域中，例如内燃机、燃气轮机和火箭发动机中的压力基本都是动态的;飞机及火箭中的压力大多也是动态的;各种工业控制设备和动力机械中的液压、气动装置的脉动压力等均是动态压力。

2 专用测试设备动态压力测试系统的总体设计要求

通过以下工作，可以基本完成动态测试系统的设计、调试工作，完成动态测试系统样机的试制。

2.1 测试方案设计

为了设计一个符合要求的动态压力测试系统，一般先选择一个理想的方案(主要是测试变换原理)，从使用要求出发，比较各类可用的变换原理，最后选定最佳方案。必要时需在大量调查的基础上，进行方案论证，以确保正确的起点，这对设计成功与否具有非常重要的作用。

2.2 测试系统构成方框图的确定

选定测试方案之后，就应对测试系统构成方框图进行设计。可以找些参考方案，但一定要综合工作原理、精度要求及条件等重要的相关因素来确定。在确定方框图以后，随之确定对各环节的要求。

2.3 环节的设计和制造

对于动态压力测试系统，必须具有非常高的自动化程度。因此，我们必须对测试系统的各个环节分别进行自动化相关设计，包括机械、电气线路、软件等设计。主要困难在于动态传感器的选用、测试系统的机械和电气系统的自动化相关设计，另外，虚拟仪器的硬件、软件设计也是设计测试系统的难点，可能要经历多次模拟运行才可能适合设计需要，然后进行加工制造和组装调试。

2.4 总装调试和试验分析

在各环节制造、调试完毕之后，可以进行总装，构成需要的动态测试系统后再进行联调。一般要与拟被测对象相联系来进行调试。往往在总装调试中会出现一些问题，如设计不合理、器件匹配不当等，应加以修改。通常，问题的多少与设计者的经验相关，因此，设计者在设计筹备阶段，必须尽可能多地了解相关知识，掌握与动态测试和动态标定相关的各类技术资料。

2.5 基本特性、指标的测试和性能考核

在完成所有的修改及调试工作后，就可以对动态测试系统进行基本性能的测试试验，包括精度分析、基本误差的测定、外界使用条件的性能试验(如电源波动、温度、湿度、气压、振动、磁场、电场等)等。通过测试试验，分析出各种误差的大小。为了确定动态测试系统的基本误差，还要对测试条件、手段进行误差分析，最后给出动态测试误差的综合指标。

3 建立动态压力测试系统的具体实施方案时需要注意的问题

3.1 测压点的选择、布置、压力传感器安装

根据动态压力的测试原理，动态压力的取压点，应在被测介质流动的直线管道上，而不能在急弯、阀门、死角或涡流处，同时又要便于仪表的维护和检修。而且，安装位置应符合安装状态的要求，注意安装位置与测压点的液柱差的修正，且要保证密封性，不应有泄漏或渗漏现象发生。对工作介质为腐蚀性、高温等情况，或被测压力有剧烈变化的情况，均应采取一定的保护设计措施。

3.2 动态压力测试系统虚拟仪器设计

虚拟仪器是一种可以由用户自己定义、自己专用的新型仪器系统，这类仪器功能灵活，容易构建，升级换代方便快捷，计算机普及以来，虚拟仪器技术得到了越来越广泛的应用，越来越多地应用在科研开发、测试控制、计量检测、生产等各个领域，是不可多得的好工具，为提高科学技术发展起到了非常积极的作用。

虚拟仪器包括硬件和软件两大部分。硬件主要包括信号调理与采集单元、电路转换及测试单元等。信号调理电路主要完成系统中控制信号、数据信号和测试信号等的规整、调理及控制等功能。动态测试系统对采用处理的实时性要求非常高，所有测试通道都必须进行并行设计，为了保证动态测试系统的准确性，必须采用采用速率足够高的单元数据采集设备，在选择虚拟仪器系统的信号调理电路、电路转换及测试单元等虚拟仪器硬件设施都必须考虑到系统的实时性处理要求。

虚拟仪器的软件设计是整个动态压力测试系统中最后的也是最重要的一环，系统采集到的所有数据都同时汇集到此一起分析、处理，还要有友好的操作、显示、动态标定界面，要想做好这个环节的工作，必须在踏实做好前期的采集系统设计搭建工作的同时，完全了解测试系统设计要求、传感器性能、虚拟仪器的I/O 接口设备技术特性，在软件的设计应用上下足功夫。

3.3 动态压力测试系统测试数据的分析和处理

建立动态压力测试系统，可采用神经网络建立虚拟仪器测量的非参数测量模型，推导出测量模型的解析表达式、测量不确定度传播系数、测量不确定度来源相关系数的计算公式，从而实现动态压力测试系统的测量不确定度评定。

3.4 动态压力测试系统的标定方案选取

动态压力测试系统一般是由压力传感器、数据采集调理系统、显示及输出系统等组成，另外还要设计安装一些可对压力测试系统进行实时温度测量的辅助测试系统。动态测试系统在正式投入使用前，必须对其进行全系统的动态标定/校准，仅对动态压力传感器进行动态检定或校准，不能全面反映测试系统的动态特性，因而应尽量对测试系统进行系统动态标定或校准。

结合被测试对象的特点，可以确定动态标定方案为动态压力传感器、温度传感器和虚拟仪器设备整套送检方式，将所用的动态压力装置送检到304 所等可以用激波管动态压力标准或正弦压力标准检定动态压力测试系统的计量机构，或者自行设计制作符合动态标定要求的动态标定/校准设备。在进行动态标定/校准前，根据使用条件，尽量要求标定方确定标定时的标定条件与使用条件接近或一致，以确保动态标定数据的准确、有效。

4 设计动态压力测试系统的需要注意的其他问题

4.1 测压管路(或传压管)的设计和安装

前面已经提到，动态压力测试的取压点应在被测介质流动的直线管道上，而不能在急弯、阀门、死角或涡流处，同时又便于仪表的维护和检修。安装位置应符合安装状态的要求，注意安装位置与测压点的液柱差修正，且要保证密封性，不应有泄漏或渗漏现象发生。

压力测试时，在很大场合下测压传感器不能直接、准确地安装在需测试的部位，往往需要用连接管道将被测压力引向测压传感器，这样的连接管道成为传压管。

图1 测压管路实物图

但是，如果动态压力测试系统采用传压管，由于传压管的加入，测压系统增加了一个环节，被测压力信号先通过传压管再作用到传感器，并被处理、记录。增加的这个环节，因其自身固有频率的限制会对测压系统产生一定的影响，会显著影响传感器的频响特性，会使测压系统的动态响应变坏，甚至会造成动态压力测试曲线的严重失真。

在测量静态压力时，传压管对测量精度没有多大影响。然而，管道会使压力测量系统的动态响应变坏，造成动态压力测量误差。如果管道长度比较短，压力波在管道中的一阶共振频率远远高于被测压力的频率，则尚能维持足够的精度。但是，若连接管道较长，管道的共振频率接近甚至低于被测压力的频率，则测量结果就会出现很大的测试误差。

因此，如何准确地将动态压力传感器安装在所需测试的部位，通过何种方式安装，是我们在动态压力测试系统设计制作中的一个难点。

4.2 动态测试数据的分析和处理

由于系统的动态特性取决于系统本身以及输入信号的形式，因此，工程上常用正弦函数或单位阶跃函数作为标准输入信号，对系统的动态特性进行分析，从而确立精密测量系统动态特性的评价指标。

按照《测量不确定度评定表示指南》，测量不确定度常采用统计学的方法进行评定，但是在一些实际工程领域中，传统评定方法难以达到精确的评定效果。

基于非统计原理的不确定度评定主要是通过对测量过程中各种有关信息的分析，以先验概率分布为基础，根据经验参照统计不确定度的方法，以等价标准差的形式进行估计。非统计原理不同于经典的统计学方法，其理论基础不再是大数定律和中心极限定理，在处理实际问题时，对数据样本的分布，样本量的大小没有特殊的要求，并且在大样本量的条件下，处理结果与经典统计方法相吻合。

小样本非统计原理主要以灰色系统理论、模糊集合理论、贝叶斯理论、信息熵理论、人工神经网络理论、蒙特卡洛理论、自助法和灰自助法等为理论基础，可研究精密仪器测量的各种技术问题，并可以对一些难以采用统计方法的问题进行处理。

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