壓力測(cè)量技術(shù)是試驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)的一項(xiàng)重要研究課題。由于壓力傳感器技術(shù)的限制，在風(fēng)洞試驗(yàn)中難以精確測(cè)量微小壓力值。本文基于石英真空計(jì)自主研發(fā)了一套微壓測(cè)量系統(tǒng)，并研究了細(xì)長(zhǎng)管路對(duì)測(cè)壓系統(tǒng)的影響。該系統(tǒng)能夠測(cè)量0.2k Pa2k Pa壓強(qiáng)，可同步完成32路壓力測(cè)量。風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果表明，微壓測(cè)量系統(tǒng)可以有效應(yīng)用于高超聲速微小壓力測(cè)量試驗(yàn)，且測(cè)量精度優(yōu)于15%測(cè)量值。

　　風(fēng)洞模型測(cè)壓試驗(yàn)是獲得飛行器氣動(dòng)載荷分布和氣動(dòng)特性的重要方法之一。常規(guī)高超聲速風(fēng)洞中測(cè)壓孔處的壓力通常由測(cè)壓導(dǎo)管經(jīng)模型支桿和支架連接到風(fēng)洞外的電子壓力掃描閥模塊上進(jìn)行測(cè)量。電子壓力掃描閥使用高精度硅壓阻傳感器，在較高壓強(qiáng)下，能夠獲得較好的測(cè)量精度，但對(duì)于1k Pa以下壓強(qiáng)，暫無法獲得高精度的測(cè)量結(jié)果。模型背風(fēng)區(qū)壓力測(cè)量、測(cè)力試驗(yàn)底部壓力測(cè)量、低密度風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)等均存在大量微壓測(cè)量任務(wù)。因此，發(fā)展一種高精度微壓測(cè)量技術(shù)成為了當(dāng)前風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)的迫切需求。本文在風(fēng)洞中試用石英真空計(jì)來測(cè)量0.2k Pa-2k Pa之間的壓強(qiáng)。風(fēng)洞中測(cè)量壓強(qiáng)與一般真空技術(shù)的壓強(qiáng)測(cè)量的差別是： (1) 規(guī)管要經(jīng)過一條細(xì)長(zhǎng)管道通到被測(cè)量壓強(qiáng)處。本文試驗(yàn)用管道長(zhǎng)為1.3m，內(nèi)徑為0.9mm。常規(guī)測(cè)量真空規(guī)管管道是短而粗，細(xì)長(zhǎng)管道會(huì)帶來一些問題。 (2) 風(fēng)洞測(cè)量壓強(qiáng)是要測(cè)量壓強(qiáng)的分布，即有多點(diǎn)壓強(qiáng)要測(cè)量，本文設(shè)計(jì)之測(cè)量點(diǎn)為32個(gè)點(diǎn)。本文就是研究細(xì)長(zhǎng)管道及多點(diǎn)測(cè)試的方法。

1、真空計(jì)的選擇

　　在本文所述測(cè)量范圍供風(fēng)洞測(cè)量的真空計(jì)有薄膜真空計(jì)、壓阻計(jì)和石英真空計(jì)可選擇。薄膜計(jì)的精度高，但是探頭體積大，不同廠家生產(chǎn)的探頭的直徑不同，大約有60mm。如果將32個(gè)探頭裝在一起，所占空間太大，不方便。壓阻計(jì)是采用絕壓傳感器的真空計(jì)，可測(cè)量0.1k Pa-100k Pa的壓強(qiáng)。在測(cè)量下限附近應(yīng)該調(diào)節(jié)零點(diǎn)以減小測(cè)量誤差。但是風(fēng)洞測(cè)量中難以調(diào)節(jié)零點(diǎn)。石英真空計(jì)的特點(diǎn)是傳感器體積小，測(cè)量精度比較高。比較起來，石英真空計(jì)還是合適的選擇。本文所采用的真空計(jì)就是石英真空計(jì)。石英真空計(jì)在測(cè)量大于100Pa的壓強(qiáng)，可以不加零點(diǎn)調(diào)節(jié)，誤差仍小于10%。

2、石英真空計(jì)及32通道真空計(jì)設(shè)計(jì)方案

　　上世紀(jì)50年代，D.J.Pacey研究用石英晶振測(cè)量氣體壓強(qiáng)[1]，該儀器可測(cè)10Pa到133Pa的壓強(qiáng)。80年代M.Ono等人設(shè)計(jì)了測(cè)量范圍從13.3Pa到10Pa的石英真空計(jì)[2]。國(guó)內(nèi)在90年代也有人研制了石英真空計(jì)[3]，測(cè)量范圍為0.1Pa—2×10Pa。目前已有石英真空計(jì)產(chǎn)品。例如：CC-10真空計(jì)[4]，DL-10A型石英真空計(jì)[5]。本文所用真空計(jì)為DL-10A型石英真空計(jì)。測(cè)量范圍為0.5Pa-10Pa，石英晶振尺寸為3.2mm×1.5mm×0.8mm。晶振標(biāo)稱頻率是32.768k Hz，在小于8k Pa校準(zhǔn)結(jié)果如下表1所示。

表1 石英真空計(jì)標(biāo)定結(jié)果

　　石英真空計(jì)的工作原理是石英晶振在諧振時(shí)電學(xué)阻抗與周圍氣體壓強(qiáng)有關(guān)。DL-10A型真空計(jì)壓強(qiáng)與阻抗的關(guān)系如圖1所示：

圖1 DL-10A晶振阻抗與壓強(qiáng)的關(guān)系

　　圖1中坐標(biāo)ΔZ是諧振阻抗Z與固有阻抗Z0之差。固有阻抗是壓強(qiáng)遠(yuǎn)小于下限即小于10Pa的阻抗。阻抗由晶振兩端的電壓及流過晶振的電流計(jì)算得出。阻抗由單片機(jī)換算成壓強(qiáng)輸出。風(fēng)洞測(cè)量壓強(qiáng)是測(cè)32個(gè)位置的壓強(qiáng)值，有32個(gè)晶振，安裝在一個(gè)集成機(jī)箱中，見圖2。每路含一個(gè)晶振，共32路，經(jīng)過32個(gè)氣路接頭，32根細(xì)長(zhǎng)管道通向32處被測(cè)量壓強(qiáng)的位置。晶振測(cè)量電路將各路的電壓及電流送到統(tǒng)一的主控板，該主控板存有32個(gè)不同位置的壓強(qiáng)值。在風(fēng)洞測(cè)量中，由于最低測(cè)量壓強(qiáng)為100Pa，因而不需要零點(diǎn)調(diào)節(jié)。

圖2 安裝晶振的集成機(jī)箱

圖3 采編電路原理圖

　　微壓測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采編電路的主要功能為：為傳感器提供12V、5V高精度電源;同步與32路傳感器進(jìn)行SPI通訊，采集傳感器數(shù)據(jù);將傳感器數(shù)據(jù)打包編幀后經(jīng)由422總線發(fā)送至上位機(jī)。采編電路需要同時(shí)跟32路傳感器進(jìn)行SPI通訊，任務(wù)非常繁重，常規(guī)MCU無法滿足上述需求，為此選擇FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。FPGA管腳多，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)，且各引腳不同邏輯可以并行執(zhí)行，可同時(shí)處理不同任務(wù)。RS422通訊采用MAXIM公司的MAX490作為協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片。電路設(shè)計(jì)過程中考慮到風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段等低氣壓環(huán)境使用，盡量避免使用電解電容等包含封裝氣體的電子元器件。

3、細(xì)長(zhǎng)管道對(duì)石英真空計(jì)讀數(shù)的影響

　　細(xì)長(zhǎng)管道應(yīng)用于石英真空計(jì)的測(cè)量存在時(shí)間常數(shù)增大和精度下降的問題。下面分別進(jìn)行討論。

　　3.1、細(xì)長(zhǎng)管道使時(shí)間常數(shù)增大

　　依據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)壓過程，對(duì)細(xì)長(zhǎng)管路建立細(xì)長(zhǎng)管路抽氣模型如圖4所示。細(xì)長(zhǎng)管路對(duì)氣體的流動(dòng)具有一定的阻礙作用。反過來說它們對(duì)氣體的流動(dòng)都有一定的通導(dǎo)能力，這種能力稱之為流導(dǎo)。流導(dǎo)的大小說明在管路元件兩端的壓強(qiáng)差一定的條件下流經(jīng)管路元件的氣流量的多少。氣體在管道中的流動(dòng)狀態(tài)不同，管道的流導(dǎo)也不一樣，也就是說，管道對(duì)氣體的流導(dǎo)不僅取決于管道的幾何形狀和尺寸，還與管道中流動(dòng)的氣體種類和溫度、管道中氣體的平均壓力有關(guān)系。所以在計(jì)算管道對(duì)氣體的流導(dǎo)時(shí)，首先必須判明管道中的氣流是哪一種流動(dòng)狀態(tài)。詳細(xì)估算方法如表2所示。依據(jù)上述判斷原則，本課題所研究微壓測(cè)量均為粘性流范疇。

圖4 細(xì)長(zhǎng)管路抽氣模型

表2 真空系統(tǒng)的流體流動(dòng)狀態(tài)

　　粘性流，圓管時(shí)，有流導(dǎo)

　　式中：S———流導(dǎo)，m/s；

　　———管內(nèi)平均壓力，Pa；

　　R———通用氣體常數(shù)R=8.31KJ/ (kmol·K)；

　　T———絕對(duì)溫度，K；

　　M———氣體分子量，kg/kmol；

　　L———管長(zhǎng)與管件的當(dāng)量長(zhǎng)度之和，m；

　　D———管內(nèi)長(zhǎng)直徑，m；

　　μ———黏度，Pa·s。

　　可見流導(dǎo)與管路直徑D四次方成正比，與長(zhǎng)度成反比，與平均壓力成正比。因此，風(fēng)洞測(cè)壓實(shí)驗(yàn)中管徑過細(xì)，管路過長(zhǎng)，被測(cè)壓力較低，均會(huì)導(dǎo)致管路流導(dǎo)增加，管路抽速降低，從而影響測(cè)壓系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間及測(cè)量精度。

　　為研究細(xì)長(zhǎng)管道影響，搭建測(cè)試裝置如圖5所示：

圖5 帶細(xì)長(zhǎng)管道的DL-10A性能測(cè)試裝置

　　DL-10A的指示壓強(qiáng)為P0，管道口的壓強(qiáng)為P1，由薄膜真空計(jì)測(cè)量，微調(diào)閥門可以調(diào)節(jié)P1的壓強(qiáng)值，系統(tǒng)由機(jī)械泵排氣。實(shí)驗(yàn)用管道長(zhǎng)1.5m，管內(nèi)直徑0.9mm的管道。由于細(xì)長(zhǎng)管道的存在導(dǎo)致規(guī)管處的壓強(qiáng)跟蹤管口壓強(qiáng)的速度變慢。當(dāng)P1遠(yuǎn)低于P0時(shí)，P0可以認(rèn)為是機(jī)械泵通過管道對(duì)規(guī)管的抽氣結(jié)果。P0隨時(shí)間t的變化可表示為：P0=P.exp (-t/t0)

　　式中P是t=0時(shí)的壓強(qiáng)值，t0=V/C可稱為時(shí)間常數(shù)，它是壓強(qiáng)降為原值的1/e所需的時(shí)間，用它可估計(jì)規(guī)管處壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的快慢。式中V為規(guī)管的體積，C為經(jīng)過管道后對(duì)規(guī)管的有效抽速。

　　風(fēng)洞工作時(shí)，試驗(yàn)段首先由引射器抽吸至3000Pa，此時(shí)模型測(cè)壓點(diǎn)壓力為試驗(yàn)段壓力。待流場(chǎng)建立后，攻角機(jī)構(gòu)將模型投放，此時(shí)壓力為被測(cè)壓力。為模擬工作狀態(tài)，本文首先將圖5所示真空腔壓力調(diào)整為3000Pa，然后快速開啟真空泵將真空腔抽吸至250Pa，從而獲取接入細(xì)長(zhǎng)管路的微壓系統(tǒng)響應(yīng)特性 (見圖6) 。實(shí)驗(yàn)測(cè)得管道直徑0.9mm，長(zhǎng)度為1.5m時(shí)的t0值為40秒。如果管道長(zhǎng)度減小到15cm，直徑仍為0.9mm，測(cè)得250Pa壓強(qiáng)時(shí)的t0值為15秒。

圖6 接入細(xì)長(zhǎng)管道的微壓測(cè)量系統(tǒng)響應(yīng)曲線

　　3.2、接入細(xì)長(zhǎng)管道的系統(tǒng)測(cè)量精度標(biāo)定

　　調(diào)整圖5所示測(cè)試系統(tǒng)真空腔壓力至表3所示各標(biāo)準(zhǔn)值，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定后，讀取微壓測(cè)量系統(tǒng)結(jié)果，從而檢測(cè)微壓測(cè)量系統(tǒng)壓力測(cè)量誤差。試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用真空計(jì)出廠原始參數(shù)時(shí)，接入細(xì)長(zhǎng)管道后在低于300Pa測(cè)量時(shí)會(huì)引起較大誤差，但不使用細(xì)長(zhǎng)管道時(shí)誤差均在許可范圍內(nèi)。經(jīng)分析，石英真空計(jì)是利用晶體在介質(zhì)環(huán)境下振蕩的特性工作，介質(zhì)成分的改變會(huì)產(chǎn)生較大誤差。由于真空腔經(jīng)由細(xì)長(zhǎng)管道后，抽吸效果變?nèi)�，傳感器腔體釋放的氣體占比較大，改變了介質(zhì)環(huán)境。為此，我們?cè)诩?xì)長(zhǎng)管道條件下對(duì)各個(gè)傳感器原始參數(shù)進(jìn)行了重新測(cè)取，并載入微壓測(cè)量系統(tǒng)。使用新的原始參數(shù)的微壓測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果如表3所示，誤差均在測(cè)量值的15%以內(nèi)。

表3 微壓測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果 (誤差均為相對(duì)于測(cè)量值的百分比)

4、風(fēng)洞試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

　　4.1、試驗(yàn)設(shè)備

　　試驗(yàn)研究工作在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的FD-07常規(guī)高超聲速風(fēng)洞中完成的，該風(fēng)洞是暫沖、吹引、自由射流式高超聲速風(fēng)洞，以空氣為工作介質(zhì)，目前運(yùn)行的Ma數(shù)范圍為4~10，采用更換噴管的方法改變Ma數(shù)。

　　4.2、試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

　　風(fēng)洞測(cè)壓系統(tǒng)如圖7所示。試驗(yàn)使用大鈍頭體模型，在模型左右水平母線上分別布有五個(gè)測(cè)壓點(diǎn) (兩條母線分別用φ=90°和φ=270°表示) 。不銹鋼測(cè)壓管通過鑲塊與模型表面測(cè)壓孔相連，穿過支桿內(nèi)腔引出。為了盡量增加測(cè)壓管路外徑，減小系統(tǒng)延遲，在滿足管路耐受溫度邊界的條件下，盡量減少了不銹鋼管路長(zhǎng)度，使用聚四氟乙烯管路進(jìn)行轉(zhuǎn)接。聚四氟乙烯轉(zhuǎn)接也同時(shí)增加測(cè)壓管路的柔韌度，便于攻角機(jī)構(gòu)動(dòng)作。不銹鋼管路內(nèi)徑0.9mm，外徑1.2mm；聚四氟乙烯管路內(nèi)徑1.2mm，外徑1.6mm，管路轉(zhuǎn)接處通過快干膠水進(jìn)行密封。

圖7 風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)示意圖

表4 試驗(yàn)狀態(tài)和流場(chǎng)參數(shù)

　　風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果如圖8、表4、表5所示。圖8為第29通道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)可承受范圍內(nèi)，經(jīng)過細(xì)長(zhǎng)管道的壓力可以達(dá)到接近平衡狀態(tài)。表4、表5為不同馬赫數(shù)條件下，φ=90°母線和φ=270°母線上的測(cè)壓結(jié)果。由于模型為軸對(duì)稱外形，固φ=90°與φ=270°理論壓強(qiáng)應(yīng)該保持一致�？梢钥闯觯瑴y(cè)得壓強(qiáng)介于300Pa和800Pa之間，兩條母線上測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)對(duì)稱性較好，且相差在15%以內(nèi)。

圖8 Ma8風(fēng)洞測(cè)壓數(shù)據(jù)

表4 Ma5，不同攻角下測(cè)得的壓強(qiáng)

表5 Ma8，不同攻角下測(cè)得的壓強(qiáng)

5、小結(jié)

　　石英真空傳感器用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)具有體積小，測(cè)量精度高的特點(diǎn)。應(yīng)用于風(fēng)洞中測(cè)壓強(qiáng)，規(guī)管要通過細(xì)長(zhǎng)管道通向被測(cè)壓強(qiáng)處。

　　(1) 經(jīng)過細(xì)長(zhǎng)管道后，時(shí)間常數(shù)增大，已接近風(fēng)洞部分狀態(tài)的使用極限，但仍處于可接受范圍內(nèi)，后續(xù)模型設(shè)計(jì)中應(yīng)盡力減小管道長(zhǎng)度，增加管道內(nèi)徑。

　　(2) 基于石英真空計(jì)的微小壓力測(cè)量系統(tǒng)精度可達(dá)測(cè)量值15%以上，可用于常規(guī)高超聲速風(fēng)洞微小壓力測(cè)量試驗(yàn)。

　　通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，有望進(jìn)一步大幅減小傳感器體積，在1.2米量級(jí)風(fēng)洞設(shè)備中直接將傳感器安裝至模型內(nèi)部。這將極大程度減小測(cè)壓管路長(zhǎng)度，降低壓力響應(yīng)時(shí)間，提高測(cè)量精度，可以作為后續(xù)深入研究的方向。

參考文獻(xiàn)

　　[1]Pacey D J.A piezoelectric oscillator manometer[J].Vacuum，9 (1959) ，261-263.

　　[2]M.Ono，etc.Design and performance of a quartz oscillator vacuum gauge with a controller，J.Vac.Sci.Technol.A 3 (3) May/Jun 1985：1746-1749.

　　[3]劉斌，徐電，王新中，等.石英晶振傳感器及真空計(jì)的研制[J].真空電子技術(shù)，1995，(5) ：17-20

　　[4]TLEVAC CC-10 Wide Range Vacuum Gauge[Z]

　　[5]DL-10A型石英真空計(jì)[J].真空2014，7，51 (4) 35-37

　　[6]劉吳月，張慰，孫日明，等.基于石英真空計(jì)的常規(guī)超高聲速風(fēng)洞微小壓力測(cè)試系統(tǒng)研制[C].杭州，第十八屆全國(guó)高超聲速氣動(dòng)力/熱學(xué)術(shù)交流會(huì)，2016年11月，P.223.