董雪明，王敏林，秦朝俊，杜美林

(北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095)

隨著空天技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展，廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的飛行器己成為各國(guó)研究的重點(diǎn)，目前，對(duì)于飛行器而言，為有效檢測(cè)慣性器件能否滿足高空環(huán)境下的應(yīng)用要求，必須通過(guò)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能檢測(cè)[1-3]。 然而，目前的環(huán)境試驗(yàn)中，大都考慮了離心-振動(dòng)加速度、離心-溫度的復(fù)合環(huán)境測(cè)試，尚未開(kāi)展在離心加速度下的慣性器件的氣壓實(shí)驗(yàn)等相關(guān)研究[4]。 因此，開(kāi)展在不同離心加速度下的氣壓校準(zhǔn)研究對(duì)我國(guó)慣性器件的復(fù)合校準(zhǔn)研究具有重要的意義。

要開(kāi)展氣壓校準(zhǔn)研究首先要研制氣壓發(fā)生裝置，而氣壓發(fā)生裝置研制的關(guān)鍵是對(duì)氣體壓力的自動(dòng)精確控制。 德國(guó)首先研制出第一個(gè)氣動(dòng)伺服閥，大大推進(jìn)了氣動(dòng)伺服控制技術(shù)的發(fā)展[5]。 但由于氣動(dòng)伺服閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等因素，使其應(yīng)用范圍受到了一些限制。 意大利和美國(guó)通過(guò)將變結(jié)構(gòu)技術(shù)和PWM 控制技術(shù)應(yīng)用于伺服系統(tǒng)的控制中，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗介質(zhì)污染能力[6-8]。 在國(guó)內(nèi)的氣動(dòng)工業(yè)和氣動(dòng)技術(shù)的研究方面，北理工和哈工大相繼對(duì)氣壓開(kāi)關(guān)閥進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，所設(shè)計(jì)的高速開(kāi)關(guān)閥PWM 控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于氣動(dòng)控制系統(tǒng)的最佳形式之一[9-11]。 后來(lái)，浙江大學(xué)研制的一種用于高壓容積減壓控制系統(tǒng)的高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)控制閥，采用新型材料、新型密封方式和新型結(jié)構(gòu)，具有良好的應(yīng)用前景[12]。

在氣壓箱的研制方面，信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所[13]研制了GGV 高低溫低氣壓箱，可進(jìn)行高溫、低溫、高度試驗(yàn)等可靠性與模擬環(huán)境試驗(yàn)。 但由于并未進(jìn)行箱體內(nèi)氣壓穩(wěn)定性和均勻性分析，導(dǎo)致使用精度不高。 中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心[14]針對(duì)采用液氮制冷的低氣壓箱，進(jìn)行了低氣壓條件下降溫過(guò)程的冷負(fù)荷仿真模擬，減小了設(shè)計(jì)規(guī)模。 合肥工業(yè)大學(xué)[15]分析了不同溫度下氣壓箱內(nèi)的溫度場(chǎng)情況，并采用數(shù)值仿真，得出系統(tǒng)中間溫度隨蒸發(fā)溫度、冷凝溫度以線性規(guī)律變化。 然而上述分析并未考慮在離心加速度下的氣壓箱內(nèi)氣體分布情況，也沒(méi)有設(shè)計(jì)氣壓控制系統(tǒng)以保證氣壓箱內(nèi)的穩(wěn)定性。

本文基于國(guó)內(nèi)外的最新研究進(jìn)展，主要工作為研制一種可抗高離心加速度的氣壓箱結(jié)構(gòu)。 具體研究?jī)?nèi)容如下:①高密封低氣壓實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)；②氣壓實(shí)驗(yàn)箱箱體強(qiáng)度校核計(jì)算；③氣壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；④數(shù)值仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

所研制的氣壓箱具有密封性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，可抗高離心加速度，并且易于安裝和拆卸等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足離心-氣壓復(fù)合裝置開(kāi)展氣壓靈敏度系數(shù)校準(zhǔn)等試驗(yàn)要求，具有重要的工程價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。

1 高密封低氣壓實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

由于在進(jìn)行加速度計(jì)的離心—?dú)鈮簭?fù)合計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要將整個(gè)實(shí)驗(yàn)箱置于離心加速度可達(dá)20gn的離心機(jī)上，實(shí)驗(yàn)箱將承受高g的離心加速度，因此要求實(shí)驗(yàn)箱具有抗大離心力的能力。 除此之外，由于采用靜止控壓，旋轉(zhuǎn)保壓的氣壓控制方案，所以在離心機(jī)工作狀態(tài)下，對(duì)氣壓實(shí)驗(yàn)箱的密封性有很高的要求。

考慮到實(shí)驗(yàn)箱自身體積、質(zhì)量受到很大的限制，而且在結(jié)構(gòu)上應(yīng)該盡量避免有一定質(zhì)量的部件非剛性連接。 選取了圓柱形腔壁，保證加速度計(jì)在實(shí)驗(yàn)時(shí)有盡量大的安裝面積，在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)箱與離心機(jī)的連接方式采用法蘭連接的方式。 法蘭連接強(qiáng)度高，能夠承受較大的壓力，方便拆卸、密封性能好。實(shí)驗(yàn)箱的基本結(jié)構(gòu)及工作示意圖如圖1 所示，圖中規(guī)定了本文中采取的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系x方向?yàn)殡x心機(jī)臂軸向，y為反重力方向，z為水平方向。

圖1 實(shí)驗(yàn)箱工作結(jié)構(gòu)示意圖

高密封低氣壓實(shí)驗(yàn)箱采用圓柱形腔體結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)箱裝配圖如圖2 所示。

圖2 高密封低氣壓實(shí)驗(yàn)箱裝配圖

從圖2 中可以看出，實(shí)驗(yàn)箱主要由氣壓腔和附屬部件組成。 根據(jù)離心加速度的要求，采用屈服強(qiáng)度、焊接性較好的304 不銹鋼無(wú)縫鋼管作為氣壓腔材料，內(nèi)徑為261 mm，壁厚為6 mm。 304 不銹鋼無(wú)縫鋼管組織類型為奧氏體類不銹鋼，表面光潔，有較高的塑性、韌性和機(jī)械強(qiáng)度，耐酸、堿性氣體、溶液和其他介質(zhì)的腐蝕。 總體來(lái)說(shuō)，奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的焊接性。 幾乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奧氏體，奧氏體不銹鋼的熱物理性能和組織特點(diǎn)決定了其焊接工藝要點(diǎn)。 氣壓腔外殼上航空插頭安裝座結(jié)構(gòu)可安裝一個(gè)19 芯的密封航空插頭，固定在氣壓腔內(nèi)的加速度計(jì)通過(guò)航空插頭與腔體外電纜相連接，用螺釘完成航空插座與安裝座的連接固定，中間采用密封橡膠墊密封。 實(shí)驗(yàn)箱底部焊接一安裝法蘭，氣壓實(shí)驗(yàn)箱與離心機(jī)機(jī)臂采用法蘭安裝方式，通過(guò)螺栓與離心機(jī)機(jī)臂上的安裝座固定連接，考慮到對(duì)密封性的要求，采用O 形密封圈密封。 這種安裝密封方式不僅容易安裝和拆卸，也有利于了加速度計(jì)與氣壓實(shí)驗(yàn)箱獨(dú)立安裝，互不影響。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)氣壓腔內(nèi)氣壓的測(cè)量與控制，在氣壓腔壁上加工焊接內(nèi)徑為16 mm 的三通結(jié)構(gòu)，通過(guò)連接法蘭，一端用來(lái)連接壓力傳感器，另一端用來(lái)連接真空球閥。在離心機(jī)靜止時(shí)，打開(kāi)真空球閥，通過(guò)氣壓精密測(cè)控系統(tǒng)使氣壓腔內(nèi)氣壓達(dá)到設(shè)定值，然后關(guān)閉真空球閥，斷開(kāi)真空球閥與地面氣路的連接，實(shí)驗(yàn)箱就可以單獨(dú)在離心機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 氣壓實(shí)驗(yàn)箱箱體強(qiáng)度校核計(jì)算

考慮到氣壓實(shí)驗(yàn)箱工作在高離心加速度的離心機(jī)上，將承受較大的離心力作用，因此為了安全起見(jiàn)，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行強(qiáng)度校核。 實(shí)驗(yàn)箱中所有的焊接工藝要求都采用等組配或高組配的焊接接頭，焊縫應(yīng)具有與母材同等的綜合機(jī)械性能。 由于試驗(yàn)箱的質(zhì)量中心與離心機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線的距離R大于加速度計(jì)質(zhì)心與離心機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線的距離r，試驗(yàn)箱實(shí)際承受的加速度A1大于加速度計(jì)承受的加速度A0。 初步估計(jì)r＝2 m，R＝2.15 m，加速度計(jì)承受的最大離心加速度為20gn，可計(jì)算出實(shí)驗(yàn)箱承受的最大離心加速度為:

2.1 氣壓腔安裝法蘭強(qiáng)度校核

根據(jù)加速度計(jì)及其夾具所需空間尺寸，查詢國(guó)標(biāo)選定外徑為273 mm 的流體輸送用不銹鋼焊接鋼管，厚度為6 mm。 通過(guò)鋼管外徑，查詢標(biāo)準(zhǔn)法蘭，選用公稱直徑DN ＝250 mm 的真空固定法蘭，其外形尺寸如表1 所示。

表1 真空固定法蘭外形尺寸單位:mm

裝置整體設(shè)計(jì)重量約為44 kg，加速度峰值為21.5gn，需核算的最大離心力為:

即為裝置自身在離心力場(chǎng)下所需要克服的最大拉力。

對(duì)于DN＝250 mm 的固定法蘭，鋼管所受等效拉力為:

即為正常使用中法蘭與鋼管焊接時(shí)，鋼管所能承受的最大拉力，此強(qiáng)度僅為法蘭與鋼管的焊接強(qiáng)度，與法蘭厚度、公稱直徑、焊接接頭和坡口尺寸有關(guān)，與鋼管本身強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

由上二式可知:

故最大離心加速度下，所選法蘭與鋼管焊接強(qiáng)度滿足要求。

2.2 法蘭螺栓組受軸向載荷強(qiáng)度校核

法蘭所需承重裝置總設(shè)計(jì)質(zhì)量為44 kg。 將裝置的工作情況視作變載荷，其殘余預(yù)緊力系數(shù)K＝1.0。因?yàn)橛玫剿姆坠軌|片，其螺栓連接相對(duì)剛度情況沒(méi)有查到數(shù)據(jù)，相對(duì)剛度取λ＝0.3，與金屬相同，能保證安全性。 在離心機(jī)上的運(yùn)轉(zhuǎn)相當(dāng)于靜載荷，螺栓為M10 碳素鋼，螺栓小徑d1＝8.376 mm，其安全系數(shù)取Ss＝4，機(jī)械性能等級(jí)按普通螺栓取6.8，故屈服強(qiáng)度σs＝480 MPa。 螺栓組數(shù)量為12，其載荷通過(guò)螺栓組形心，因此各螺栓分擔(dān)的工作載荷相等。

每個(gè)螺栓所受到的軸向載荷為:

殘余預(yù)緊力為:

預(yù)緊力為:

總載荷為:

許用應(yīng)力為:

所以為

可知，螺栓組軸向受力情況符合要求，且軸向受力情況遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力要求，故因重力引起的橫向力及翻轉(zhuǎn)力矩?zé)o需計(jì)算。

3 離心場(chǎng)下氣壓場(chǎng)分布仿真及分析

離心—?dú)鈮簭?fù)合計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)離心加速度與氣壓的復(fù)合，離心力場(chǎng)不可避免地會(huì)對(duì)氣壓分布產(chǎn)生影響，因此下面主要討論離心力場(chǎng)下，氣壓場(chǎng)的分布情況，這對(duì)離心—?dú)鈮簭?fù)合計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有參考和指導(dǎo)價(jià)值。

3.1 離心—?dú)鈮簭?fù)合試驗(yàn)箱簡(jiǎn)化物理模型

根據(jù)初步設(shè)想，我們所要設(shè)計(jì)的氣壓試驗(yàn)箱為圓柱形密閉腔體，懸掛安裝，圖3 所示為氣壓試驗(yàn)箱的簡(jiǎn)化物理模型，腔體直徑為260 mm，圓柱高為300 mm。

圖3 氣壓試驗(yàn)箱簡(jiǎn)化物理模型

①為了節(jié)約計(jì)算資源，將現(xiàn)有條件簡(jiǎn)化，作如下假設(shè):A. 離心機(jī)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)；B. 試驗(yàn)箱內(nèi)流體為空氣；C. 試驗(yàn)箱內(nèi)空氣以較小的馬赫數(shù)流動(dòng)，不考慮溫度對(duì)氣壓場(chǎng)的影響；D. 采用布斯涅斯克近似假設(shè)；E. 除動(dòng)量方程中的密度外，其余物性看作不隨溫度變化。

②確定初始條件與邊界條件

離心機(jī)帶動(dòng)試驗(yàn)箱做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)箱中心到離心機(jī)中心的距離為2.15 m，離心加速度范圍為0~20gn，試驗(yàn)箱密閉性良好，流體模型的邊界默認(rèn)為wall 條件，內(nèi)部流體為空氣，重力加速度g＝9.8 m/s2，沿負(fù)y軸方向。 選擇SIMPLE 方式進(jìn)行壓力速度耦合求解，選擇k-epsilon 模型作為k~e 湍流模型。

③計(jì)算網(wǎng)格劃分

利用前處理軟件GAMBIT 進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格數(shù)為953 754 個(gè)。

3.2 氣壓場(chǎng)在不同離心加速度下數(shù)值仿真

利用仿真軟件fluent 對(duì)離心—?dú)鈮簭?fù)合試驗(yàn)箱內(nèi)的氣壓場(chǎng)分布進(jìn)行仿真，首先分析不同離心加速度對(duì)氣壓場(chǎng)的分布的影響。 假定試驗(yàn)箱內(nèi)初始?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓P0＝101.325 kPa，得到的仿真結(jié)果如圖4~圖7 所示。

圖4 離心加速度為20 gn

圖5 離心加速度為10 gn

由圖6、圖7 可以看出，試驗(yàn)箱內(nèi)部的氣體在離心加速度的作用下，沿離心力方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致試驗(yàn)箱的遠(yuǎn)端壓力增大，導(dǎo)致圖中不同區(qū)域的形成，而離旋轉(zhuǎn)中心近的一端氣體壓力減小，試驗(yàn)箱因?yàn)殡x心力的作用，使得試驗(yàn)箱內(nèi)在離心力方向的壓力分布不均勻，不均勻程度與離心力大小有關(guān)，從圖8 可以看出，沿離心力方向的氣壓呈梯度分布，當(dāng)初始?xì)鈮号c離心加速度一定時(shí)，沿離心力方向距離差若一定則氣體壓差也一定。

圖6 離心加速度為5 gn

圖7 離心加速度為1 gn

圖8 離心加速度20 gn，P0 ＝101.325 kPa沿離心力方向氣壓分布

表2 所示為不同離心加速度下試驗(yàn)箱內(nèi)最大壓差，可以看出離心加速度越大，最大壓差越大。 而當(dāng)離心加速度達(dá)到最大值時(shí)，氣壓箱內(nèi)的最大壓差僅為68 Pa，相比于初始?xì)鈮褐?00 kPa 來(lái)說(shuō)，可以忽略不計(jì)。

表2 不同離心加速度下試驗(yàn)箱內(nèi)最大壓差

3.3 氣壓場(chǎng)在不同初始?xì)鈮合聰?shù)值仿真

假定離心加速度為一定值20gn，相應(yīng)的初始?xì)鈮涸O(shè)置為P0，得到不同初始?xì)鈮合碌姆抡娼Y(jié)果，如圖9~圖12 所示。

圖9 初始?xì)鈮篜0 ＝100 kPa

圖10 初始?xì)鈮篜0 ＝60 kPa

圖11 初始?xì)鈮篜0 ＝10 kPa

圖12 初始?xì)鈮篜0 ＝1 kPa

由圖9~圖12 可以看出，試驗(yàn)箱在固定離心加速度的作用下，試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓不均勻程度與試驗(yàn)箱內(nèi)初始?xì)鈮捍笮∮嘘P(guān)，表3 所示為不同初始?xì)鈮合略囼?yàn)箱內(nèi)最大壓差，可以看出初始?xì)鈮涸酱?，壓差越大?通過(guò)計(jì)算最大壓差和初始?xì)鈮旱谋戎祦?lái)分析氣壓箱內(nèi)氣體不均勻?qū)Ρ恍鞲衅鞯挠绊?，可以發(fā)現(xiàn)比值均在10-3量級(jí)，因此氣壓箱內(nèi)的氣體壓差可以忽略不計(jì)。

表3 不同初始?xì)鈮合略囼?yàn)箱內(nèi)最大壓差

3.4 仿真結(jié)果分析

通過(guò)研究離心力場(chǎng)下的試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓場(chǎng)的分布，對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓在不同離心加速度和不同初始?xì)鈮簵l件下的分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論:

①離心加速度對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)沿離心力方向的氣壓分布有很大影響，呈梯度分布，對(duì)垂直離心力方向上的同一截面上氣壓沒(méi)有多大影響；

②試驗(yàn)箱內(nèi)初始?xì)鈮旱拇笮∫彩怯绊懺囼?yàn)箱內(nèi)氣壓不均勻的因素之一；

③在離心加速度與試驗(yàn)箱內(nèi)初始?xì)鈮阂欢〞r(shí)，沿離心力方向上的兩點(diǎn)若距離差一定則氣壓差也恒定，這對(duì)試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)有一定參考意義。

④通過(guò)數(shù)值仿真分析，發(fā)現(xiàn)在不同離心加速度下，氣壓箱內(nèi)靠近氣壓箱外壁位置的氣壓值和初始?xì)鈮褐祷疽恢隆?因此可以將被校傳感器安裝在靠近氣壓箱外壁位置，以保證傳感器受到的氣壓和初始?xì)鈮褐狄恢隆?/p>

⑤對(duì)氣壓箱內(nèi)氣體不均勻性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在不同離心加速度和不同初始?xì)鈮簵l件下，氣壓箱內(nèi)的最大壓差相比于初始?xì)鈮褐祦?lái)說(shuō)，可以忽略不記。 因此，在離心力作用下壓力場(chǎng)的不均勻性對(duì)傳感器的校準(zhǔn)精度產(chǎn)生影響較小，可以忽略。

4 氣壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由高密封低氣壓實(shí)驗(yàn)箱、氣壓控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣壓精密測(cè)控系統(tǒng)、高精度壓力傳感器和真空泵五部分組成。

高密封低氣壓實(shí)驗(yàn)箱為加速度計(jì)提供安裝和校準(zhǔn)環(huán)境，真空泵提供負(fù)氣壓源，氣壓精密測(cè)控單元通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱氣壓的高精度測(cè)量及對(duì)氣壓控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制，使高密封低氣壓實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)氣壓最終精確達(dá)到設(shè)定值。

4.1 氣壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)

氣壓精密控制系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)合理的氣路結(jié)構(gòu)和選擇恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)了氣壓試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓的精密控制，使各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照一定的步驟動(dòng)作，并解決了氣路結(jié)構(gòu)與氣壓試驗(yàn)箱連接密封性及易于拆卸等問(wèn)題，下面逐一介紹。

氣路元器件的選擇對(duì)實(shí)現(xiàn)高密封氣壓試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓的精密控制至關(guān)重要，從圖13 可以看出氣路控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括真空泵、升壓閥、降壓閥、粗調(diào)閥、精調(diào)閥。 下面進(jìn)行逐一分析。

圖13 試驗(yàn)箱氣壓生成原理圖

①真空泵的選擇

真空泵是產(chǎn)生負(fù)壓的一種新型、高效、清潔的氣源發(fā)生裝置，本系統(tǒng)使用油潤(rùn)滑旋片式真空泵，這種真空泵是利用泵腔內(nèi)活塞做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將氣體吸入、壓縮并排除，以達(dá)到抽氣目的，最大的特點(diǎn)是當(dāng)進(jìn)口端氣體壓強(qiáng)大于一定閾值時(shí)，抽氣速率(體積流量)是一個(gè)定值。 考慮到本系統(tǒng)目標(biāo)氣壓范圍為(1~100)kPa，選用真空泵的流量為20 m3/h，極限真空為2 mbar，極限壓力為200 Pa 可滿足要求。

②升、降壓閥及粗調(diào)閥的選擇

本系統(tǒng)統(tǒng)一選用直動(dòng)電磁閥，控制電壓為24 V直流電，通徑為4 mm。 直動(dòng)電磁閥用于壓力控制與調(diào)節(jié)場(chǎng)合，控制簡(jiǎn)單，流量比較大，可提高控制效率。由于這種電磁閥通電后，閥門(mén)開(kāi)度保持不變，類似孔板流量計(jì)，一般可以認(rèn)為流過(guò)電磁閥的流量與電磁閥前后壓差的平方成正比。 即:

式中:Q為流過(guò)閥的體積流量，P1為閥前壓力，P2為閥后壓力，a為比例常數(shù)，對(duì)于氣體一定，結(jié)構(gòu)一定的電磁閥其值變化不大。

從公式中可以看出，當(dāng)閥門(mén)前后壓差一定時(shí)，通過(guò)閥門(mén)的氣體流量也就一定。 對(duì)于直動(dòng)電磁閥，在加電時(shí)其閥門(mén)開(kāi)度基本是按線性急速增大，到完全開(kāi)度的時(shí)間極短，通常小于10 ms，而關(guān)閉時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)一些，因此當(dāng)通過(guò)閥的氣體流量較大時(shí)，需要考慮由于閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的延時(shí)而導(dǎo)致氣體過(guò)沖的問(wèn)題。

③精調(diào)閥的選擇

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高密封氣壓試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓小范圍的精確控制，要求精調(diào)閥在小范圍內(nèi)能連續(xù)、準(zhǔn)確地控制流量的大小，從而控制氣壓試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓的大小。本系統(tǒng)選用比例電磁調(diào)節(jié)閥作為精調(diào)閥，這種調(diào)節(jié)閥本質(zhì)上可看作一個(gè)局部阻力可變的元件，根據(jù)能量守恒定理，當(dāng)流過(guò)調(diào)節(jié)閥的流體為不可壓縮流體時(shí)，可得到如下流量方程:

式中:Q為流過(guò)閥的體積流量，A為閥連接管的截面積，P1為閥前壓力，P2為閥后壓力，ξ為閥的阻力系數(shù)(與閥結(jié)構(gòu)形式、流體性質(zhì)及閥的開(kāi)度有關(guān))。

當(dāng)閥口徑一定、閥兩端壓差一定時(shí)，通過(guò)控制比例電磁調(diào)節(jié)閥兩端的電壓大小，改變閥芯行程(開(kāi)度)來(lái)改變流通截面積，從而改變阻力系數(shù)，調(diào)節(jié)流入或流出試驗(yàn)箱的氣體流量，從而實(shí)現(xiàn)氣壓壓力控制。 本系統(tǒng)選用進(jìn)口的高精度PSV-2 比例電磁調(diào)節(jié)閥，通徑為1.02 mm，最大氣體流量為13 L/min，調(diào)節(jié)電壓選用(0~12)V，利用幅值為12 V 的PWM信號(hào)通過(guò)一階濾波電路RC 實(shí)現(xiàn)D/A 變換，通過(guò)改變PWM 的占空比，改變輸出的模擬電壓值，從而控制比例電磁閥的開(kāi)度。

4.2 氣壓精密測(cè)控

氣壓精密測(cè)控系統(tǒng)主要思路:離心機(jī)未工作狀態(tài)下將試驗(yàn)箱壓力控制到設(shè)定值，在離心機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行保壓監(jiān)測(cè)，測(cè)控原理如圖14 所示。

圖14 氣壓精密測(cè)控原理圖

首先，通過(guò)測(cè)控單元給定壓力設(shè)定值，在控制的過(guò)程中，采用硅諧振壓力傳感器檢測(cè)試驗(yàn)箱內(nèi)的壓力值，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理與采集送入測(cè)控單元中心，形成壓力反饋，然后根據(jù)一定的控制策略產(chǎn)生控制信號(hào)，該控制信號(hào)經(jīng)過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)作用到壓力執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，用來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)中閥門(mén)的開(kāi)度以調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱內(nèi)氣體的壓力值，最終使試驗(yàn)箱的壓力值達(dá)到設(shè)定值，然后關(guān)閉真空手動(dòng)球閥，斷開(kāi)與試驗(yàn)箱的氣路連接，進(jìn)入保壓監(jiān)測(cè)階段。 離心機(jī)與地面電路連接通過(guò)滑環(huán)轉(zhuǎn)接，保證離心機(jī)工作時(shí)，能對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.3 氣壓傳感器的選擇

傳感器的選擇關(guān)系到系統(tǒng)測(cè)試精度的高低，以及后面電路的設(shè)計(jì)，因此必須最先確定。 在此我們選擇壓電激勵(lì)諧振筒式壓力傳感器。 該傳感器是由一薄壁金屬筒作為感受壓力的敏感元件，輸出形式為頻率量，是測(cè)量氣體絕對(duì)壓力的傳感器。 該傳感器具有測(cè)試精度高，帶有溫度補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，由于振筒傳感器是以頻率量輸出，具有Q值高，阻尼小，對(duì)外界沖擊、振動(dòng)和加速度以及電源電壓變化等都不敏感的特點(diǎn)，在任何恒定溫度下使用時(shí)，誤差可以忽略不計(jì)，當(dāng)傳感器使用的溫度范圍大時(shí)，因被測(cè)量氣體的密度有較大的變化，測(cè)量的壓力誤差也增大，因此在寬溫度范圍使用傳感器時(shí)，需加以溫度誤差補(bǔ)償。硅諧振壓力傳感器精度高，可達(dá)到0.01%，測(cè)量范圍為0~130 kPa，適合氣壓精密測(cè)控系統(tǒng)。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)定離心加速度為20gn的情況下，分別設(shè)定定點(diǎn)壓力控制目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，降壓過(guò)程分別為70 kPa、40 kPa 和10 kPa，升壓過(guò)程為40 kPa、70 kPa 和99 kPa。

根據(jù)數(shù)值仿真的分析結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)中將被校傳感器固定在氣壓箱內(nèi)靠近氣壓箱外壁的位置以保證傳感器受到的氣壓和初始?xì)鈮褐狄恢隆?并設(shè)置高精度氣壓傳感器放置在慣性傳感器附近，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)慣性傳感器受到的氣壓值，以保證氣壓測(cè)量的準(zhǔn)確性。

對(duì)所設(shè)計(jì)的氣壓箱進(jìn)行試驗(yàn)，得到氣壓控制穩(wěn)態(tài)精度情況，如表4 所示。

表4 壓力控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取降壓過(guò)程中40 kPa 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制控制過(guò)程曲線進(jìn)行分析，如圖15~圖16 所示。 從圖中可以看出，當(dāng)試驗(yàn)箱氣壓值遠(yuǎn)離目標(biāo)值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入粗控階段，粗調(diào)閥開(kāi)啟，精調(diào)閥關(guān)閉，試驗(yàn)箱氣壓值迅速降低；當(dāng)試驗(yàn)箱氣壓值接近目標(biāo)值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入精調(diào)階段，粗調(diào)閥關(guān)閉，精調(diào)閥開(kāi)始控制，并且隨著壓力值不斷逼近目標(biāo)值，精調(diào)閥的控制占空比也越來(lái)越小，直到試驗(yàn)箱氣壓值進(jìn)入誤差允許范圍內(nèi)，精調(diào)閥停止工作，系統(tǒng)進(jìn)入壓力保持階段。 壓力保持階段的氣壓效果如圖17 所示，從圖中可以看出，系統(tǒng)控制效果及試驗(yàn)箱密封情況良好。

圖15 試驗(yàn)箱40 kPa 壓力控制整體趨勢(shì)圖

圖16 試驗(yàn)箱40 kPa 壓力控制過(guò)程中控制閥切換圖

圖17 40 kPa 目標(biāo)值壓力保持階段

6 結(jié)論

本文首先提出并實(shí)現(xiàn)了一種可抗高離心加速度的氣壓箱結(jié)構(gòu)，研制了氣壓范圍為1 kPa~100 kPa、氣壓偏差優(yōu)于10 Pa 的離心-氣壓復(fù)合校準(zhǔn)裝置，可以有效模擬海平面到32 400 m 的高度時(shí)氣壓環(huán)境，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了慣性器件的大g值下氣壓靈敏度校準(zhǔn)。 數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)氣壓箱的有效性。