压力扫描阀测压系统研究进展综述

王 欢 曾庆华

（中山大学航空航天学院，深圳518107）

1 引言

随着飞行器、发动机、风洞等试验中测试技术的发展，人们对于试验中获得压力数据的质量和数量要求越来越高，测压设备的性能指标对试验结果的可靠性和数据的准确性尤为重要。由于压力扫描阀自身具有体积较小、安装简易、系统集成化程度高、扫描速率快等优点，不仅能满足风洞试验中高准确度的压力测试需求，而且还应用于大规模的工业流场、叶轮机试验、压气机试验、桥梁风工程等领域。

近年来，通过将智能压力传感器组件与小型嵌入式数据采集系统集成起来，构成的多通道压力扫描阀，在采集和扫描速率上得以提高。同时，芯片的快速升级实现了传感器检测的智能化，使得该系统的测压技术日趋成熟，应用于目前多通道以及测试条件复杂的试验中。

2 压力扫描阀测量技术的发展

压力扫描阀是由早期的多点压力测量系统发展而来，它的研究始于军事和航空发展中测量风洞和流体中分布力的需要，现在也应用在工业生产中。考虑其扫描速率、测压准确度、实时性、稳定性等性能指标，压力扫描阀测压技术一直被视为多通道测压技术里的前沿领域。

二十世纪50年代以前，风洞试验和流体动力学实验中的多点压力测量通常采用的是液体排管法进行。每次所测量的压力值可达数百个点，实验后的数据需要经过人工处理，不仅任务繁重，而且测量的误差较大、实时性差。

二十世纪60年代，出现了各种新型的压力传感器，可以实现将压力信号转变为电信号，这是压力测量技术的重要进步。通过将多个压力传感器组成一个整体的测试系统，以此满足多点压力测量的任务要求。虽然在一定程度上提高了采集速度，但是成本昂贵。后续的周期检定也难以提高其准确度，最高准确度一般为0.20%FS～0.30%FS。

之后一段时间，随着机械压力扫描阀的快速兴起，多点压力测量技术开始进入了以扫描阀为基础的新发展方向。它采用高准确度的压力传感器以机械扫描的方式，轮流测量各个点的压力值。尽管扫描周期可以达到（5～10）点/s，但依旧达不到高速风洞试验对压力采集的要求。

二十世纪80年代初，出现的电子压力扫描阀测量系统，是充分利用电子技术发展的新成果。系统通过采用多个低成本的硅压阻式传感器，使得每一个压力传感器都可以对应一个通道的压力点。电子扫描的方式，解决了机械式压力扫描阀气动滞后的问题，提高了系统采集压力数据的实时性，采集速率达到每秒数万点，而且还可以通过联机实时校准技术修正传感器的误差，以此来提高测量准确度。

3 国内外研究现状

3.1 国外研究进展

80年代初，美国压力系统公司（Pressure System Inc，PSI）率先推出780B 型压力测量系统，780B 系统由控制器、数据采集、控制单元、压力校准单元和电子扫描器组成，测量点数为512 点，扫描速率为20000 点/s，测量准确度为±0.10%FS。1986年，美国扫描阀公司（Scanivalve Corp）推出ZOC 系列压力测量系统，其组成和工作原理与780B 类似，测量点数为512 点，单点扫描次数50000 点/s。随后几年，PSI 公司继续推出第二代测压系统——PSI8400 压力测量系统，它是通过一个模块化的并行压力采集处理系统，解决了过去技术上受到单个A/D 转换器、微处理器的限制，可以用于测量气体和液体的压力参数。PSI8400 系统每一个输入单元由一个8位微处理器和独立采集的硬件组成，每秒可以采集40 万个通道的数据，准确度可达±0.05%FS。1988年，美国扫描阀公司也开始推出第二代压力测量系统——HyScan2000 压力测量系统。利用先进的硬件技术，该系统配有高速A/D 转换器，扫描速率每秒10 万测量点，测量准确度达±0.06%FS。

近些年，PSI 公司相继又推出了9000 系列，如：9116、9216、9816 型电子压力扫描阀和ESP 系列多通道压力扫描阀，可测量16、32、64 通道等，最高准确度达±0.03%FS。如图1所示为9116 电子压力扫描阀系统。

图1 9116 电子压力扫描阀系统Fig.1 9116 electronic pressure scanning valve system

美国扫描阀公司在完善ZOC 系列的同时，也推出了 DSA 系列和 MPS 系列， 最高准确度达±0.05%FS。如图2所示为DSA3217 电子压力扫描阀系统。

图2 DSA3217 电子压力扫描阀系统Fig.2 DSA3217 electronic pressure scanning valve system

2009年，美国Kulite 公司开始推出压力扫描阀KMPS 系列，准确度达±0.10%FS。如图3所示为KMPS-1-64 电子压力扫描阀系统。

图3 KMPS-1-64 电子压力扫描阀系统Fig.3 KMPS-1-64 electronic pressure scanning valve system

在PSI 公司和美国扫描阀公司大力发展压力扫描阀的同时，国外许多的单位和科研院校也对压力扫描阀测压技术进行了大量创新性的研究。针对早期的多点压力测量系统，Vincent尝试将压力传感器连接到多个压力点，构成了多通道压力扫描阀，提高了测压系统的快速性和准确性。同样为解决多通道测压方面的问题，Colburn弹道研究实验室研制了一种压力扫描阀系统，能够接收相当多的压力，并将数据传送给少量的记录系统。气动装置还能检查所有压力引线和连接的设施，并为传感器校准提供一个参考真空（或压力），提供了任何容量的压力扫描阀原型。

除了拓展压力扫描阀的多通道研究之外，在极端环境下的测压研究也在进行。Worst 等改进了一种坚固耐用的16 通道电子压力扫描阀，它能够承受与涡轮试验相关的极端环境条件。它是由端口的传感器、内部电路和允许在线校准的集成校准阀组成。考虑工作的极端环境，它的设计还包括一个加热器或冷却室，以允许极热或极冷的应用。美国宇航局艾姆斯研究中心Coe 等开发了一种新型的电子压力扫描阀（ESOP），用于安装在风洞模型中。ESOP 系统包括多达20 个压力模块，每个模块配有48 个压力传感器、1 个A/D 转换器、1 个微处理器、1 个数据控制器、1 个监控单元和1 个加热器控制器。Juanarena 等针对现代燃气轮机设计和开发相关的极端环境条件，提出了一种改进的电子压力扫描阀的方案，在保持高准确度测压的同时对极端的温度和振动免疫，并能够现场更换压力传感器模块。Kurtz 等提出了一种在恶劣条件下测量多种压力的方法，包括传感器接收压力信号，处理器修改校正压力信号，存储器接收修正系数。

随后，Juanaren 描述了压力扫描阀的准确度可以在三个主要方面进行改进，包括模块化设计、传感器密度改进和压力选择基准，打开了压力扫描阀准确度研究的新方向。在传感器密度改进的方面，Dahland描述通过采用压阻式硅压力传感器组成阵列的电子压力扫描阀，对单个测试对象进行多次测量，已经成为许多工业测试和测量应用的主要工具。

进入二十一世纪以后，在试验研究中出现了与压力扫描阀共同使用的数据采集或处理软件。Muthusamy 等利用印度马德拉斯理工学院亚音速风洞中的压力扫描阀、六分量平衡和数据采集系统，对飞机模型上的压力分布、力和力矩进行了估计，确定了模型表面压力系数的变化。Mack 等通过由内部软件控制的Pressure Systems 98RK 压力扫描阀测量所有剖面的压力分布。Maeda 等在风洞测量中，通过安装在轮毂上的多端口压力扫描阀测量了直叶垂直轴风力机的流场和压力分布，并将测量到的压力信号通过无线局域网传输给固定系统。运输和交通科学学院航空系空气动力学实验室Meznaric 等采用PSI 公司生产的9016 型智能压力扫描阀，测定了气动型物体在气流中周围的压力分布，通过以太网链路传输到计算机，压力数据的处理采用NUSS 和LabVIEW 软件。Kumar 等开发了LabVIEW 的特殊算法，用于自动横移偏航和俯仰方向，也用于压力扫描阀的压力数据采集。

最近五年来，面对使用压力扫描阀进行非定常气动测量不断增加的需求， Naughton 等和Nikoueeyan 等提出小型、紧凑、直接安装式的压力扫描阀，可以减少连接测量端口到扫描阀系统所需的气动管道长度，从而提高非定常压力测量的动态范围。Hind 等解释了虽然减小管道的长度可以减少管道摩擦产生的衰减和延迟，但气动谐振仍然会扭曲采集到压力信号。Hind 研究了不同的嵌入式气动管道配置到一个嵌入式压力扫描阀的动态响应过程，以及不同变形对嵌入式油管系统几何形状的依赖性，考虑和量化了随机误差和偏差的来源。Semmelmayer 等提出了美国主要风洞设施中压力扫描阀系统离散噪声的概率分布，解释了关于不确定性报告的讨论，特别是误差界定义。为满足传感器噪声和模数转换不确定性的要求，拟合了一种离散的四参数beta 分布。

3.2 国内研究进展

相对来说，多点压力测量系统在国内的发展起步比较晚。60年代仍然停留在多点巡回的检测阶段，70年代的研究内容主要是以小型计算机为中心的数据采集和处理系统。自80年代起，微型计算机在我国快速发展，自动检测技术也日趋成熟。到了90年代，由于高准确度的压力扫描阀测压技术受限于美国，多数单位采用单个压力传感器组成的测压系统或采用机械式压力扫描阀。但也有一些单位、科研院校为了获得风洞和发动机等试验中高准确度和可靠的测试数据，选择引入美国电子压力扫描阀。

为突破压力扫描阀测压技术的封锁，1991年至1994年期间，西北工业大学钟诚文团队先后成功研制出第一代DSY64 电子扫描测压系统和DSY128电子扫描测压系统，准确度达±0.10%FS，扫描速率为20000 点/s。1994年1月通过部级鉴定，认为此测压系统达到国外80年代同类产品的水平。1998年，西工大团队继续推出第二代DSY-JB 电子扫描测压系统，相比于第一代，第二代在结构上也更趋向于标准化和商品化。2001年，西工大团队研制出DSY2000 电子扫描测压系统，准确度达±0.05% FS，在扫描速率上可达50000 点/s。2002年，西工大团队研制出ZDS 智能电子压力扫描阀，采用最小二乘拟合算法进行数字温度补偿，准确度达±0.06%FS，扫描速率为1000 点/s，测量温度范围为0℃～40℃。2004年，西工大团队继续研制出DSY2000K 电子扫描测压系统。2004年底，我国自行研制的两套发动机试验自动测控系统——DSY2000 压力测量系统和ZDS 智能电子压力扫描阀，通过了专家组验收。

但高准确度的压力扫描阀和国外相比，特别是准确度指标、稳定性和温度范围上仍有很大差距。近十年来，很多科研单位、企业仍然选择引进国外现有设备，转而在软件上进行二次开发应用或者通过校准技术达到应用需求。高颖等通过分析美国扫描阀公司DSA3217 型压力扫描阀的结构原理和技术，提出了一种现场原位校准方法，此方法在解决现场原位校准难题的同时，避免了繁琐的高度差修正工作。经过现场校准后，压力扫描阀的测量准确度达到±0.10%FS，满足试验的技术要求。尹付强在风洞试验中，引入美国PSI 公司开发的高速高准确度多用途的98RK 电子压力扫描系统，此款系统的高准确度压力测量值为±0.05%FS。白雪等首次引入以美国PSI 公司DTC 系列ESP 扫描阀为核心的数据采集系统，提出一种多通道的系统校准方案，根据方案进行比对校准试验，校准试验的结果用于分析系统准确度，评定试验数据的不确定度。王艳介绍了美国PSI 公司PSI8400 电子压力扫描阀在风洞的应用，并且以VB6 为软件平台，研制开发该系统的软件。曾星等对美国扫描阀公司的DSA3217 和美国PSI 公司的9016 型压力扫描阀进行分析测试，设计了一套风洞通用的压力扫描阀数据采集系统，满足了风洞中常用压力扫描阀的数据采集要求。谭正一等针对固冲发动机多路压力测量试验需求，以美国PSI 公司产品PSI 9116 智能压力扫描阀为测试核心，设计了一套多路压力测量系统。邢威介绍了美国扫描阀公司的DSA3200 型产品，分析了压力扫描阀的校准技术和不确定性评估。

最近一段时间，面对美国在高准确度测压领域的持续施压，我国的科研机构也开始进行高准确度压力测量系统的国产化研究，张锴等针对飞行器地面试验大规模压力测量需求，研制了一套分布式压力测量系统，测量准确度±0.5%FS。中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室顾洪斌2016年研制高准确度电子压力扫描系统，系统为128 通道，绝对压力为45PSI 量程，准确度±0.05%FS，扫描频率100Hz。2020年北京大学设计风雷电子压力扫描阀，具有体积小，抗干扰度高等优点。2021年北京大学马盛林团队提出大规模气动压力传感器集群采集处理芯片系统与产业化，以32 通道高准确度压力扫描阀的总体进行结构设计和优化为研究对象，在底层硬件上，开展MEMS 芯片的关键流片工艺及批量制备技术研究，在扫描速率上，设计压力扫描阀阵列的高速接口，同时对批量测试与标定技术等核心关键技术进行研究，使得准确度优于±0.10%FS，相较于国外成熟的技术，该压力扫描阀具有抗冲击，性价比高等优点。国内外的主要产品数据比较如表1所示。

表1 国内外产品数据比较Tab.1 Comparison of domestic and foreign product data

4 结束语

压力扫描阀测压技术是集计算机技术、传感器技术和通信技术为一体化的综合应用，这些技术的发展都对系统性能指标的提升起着至关重要的作用。目前国外高准确度压力扫描阀及其相应配套产品的发展已经较为成熟，虽然我国近些年也开始加大压力扫描阀测压系统自主研制的力度，但在研发设计过程中，系统的高准确度、稳定性和强抗干扰性依然是亟待解决的问题。而这些指标的实现一方面依赖于对MEMS 芯片的关键工艺进行研究，另一方面，则需要根据大量的标定校准测试试验，研究高准确度有效的温度补偿算法。

现阶段，通过采用合适的校准方法，压力扫描阀可以在一定程度上提高准确度指标，但想实现在试验环境下系统的自动原位校准，仍然是一个比较棘手的问题。尤其对于多通道压力扫描阀来说，传感器依次校准的工作量大。因此，建立标准化规范化的校准方法和不确定性评估是今后研究的方向。

算法上，我国针对压力扫描阀的温度补偿算法依然停留在最小二乘拟合、四阶拟合等传统多元回归法。未来，随着机器学习和神经网络算法的发展，高效智能的温度补偿算法仍是很有前途的研究方向。