CN108955997A - 惯性力法气体动态压力激光干涉测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的惯性力法气体动态压力激光干涉测量系统，属于计量测试技术领域。本发明的系统主要由压力室，活塞套筒、活塞、位置指示标尺、激光干涉仪、数据采集分析系统组成；压力室与活塞套筒固定连接，内部相联通且保持密封；活塞位于活塞套筒内部，活塞顶部平面与位置标尺垂直连接；活塞与活塞套筒之间配合关系为间隙配合；激光干涉仪位于活塞竖直上方位置，保持固定不动，用于测量活塞在活塞套筒内的位移，并将测量结果传回数据采集分析系统。本发明还公开基于所述系统实现的惯性力法气体动态压力激光干涉测量方法。本发明能够用于满足可溯源气体动态压力测量的需求，实现气体动态压力的直接测量。

Description

惯性力法气体动态压力激光干涉测量系统及方法
技术领域
本发明属于计量测试技术领域，涉及一种惯性力法气体动态压力激光干涉测量系统及方法。
背景技术
在航空航天飞行器研制试验和使用中出现发动机气动不稳定、表面气动疲劳失效等问题，影响了研制进度、装备性能和可靠性，此时各种气体动态压力测试尤其是负压和小表压下的微小动态压力测试是非常重要的研究分析手段，现有气体动态压力测量主要采用比较法，难以实现动态压力的溯源，而可溯源动态压力校准是动态压力测试精度的必要保障，因此，急需一种方法实现动态压力的可溯源测量。
发明内容
本发明公开的惯性力法气体动态压力激光干涉测量系统及方法要解决的技术问题是：提供一种气体动态压力激光干涉测量系统及方法，用于满足可溯源气体动态压力测量的需求，实现气体动态压力的直接测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的惯性力法气体动态压力激光干涉测量系统，主要由压力室，活塞套筒、活塞、位置指示标尺、激光干涉仪、数据采集分析系统组成。
压力室与活塞套筒固定连接，压力室与活塞套筒内部相联通且保持密封，活塞位于活塞套筒内部，活塞顶部平面与位置标尺垂直连接。
所述的活塞最大运动位移Smax与活塞的直径d、厚度L、材料的关系符合如下公式：
其中，pA为压力幅值，为截面面积，fp为压力变化频率，m＝ρS0L为活塞的质量，ρ为活塞的密度，
所述的活塞与活塞套筒之间配合关系为间隙配合，存在摩擦力f(t)，符合如下公式：
其中，η为活塞与活塞套筒之间介质的动态粘滞系数，Xv(t)为活塞的速度信号，δ为活塞与活塞套筒之间的间隙。
所述的位置指示标尺用于记录活塞的初始位置和位移距离。
激光干涉仪位于活塞竖直上方位置，保持固定不动，用于测量活塞在活塞套筒内的位移，并将测量结果传回数据采集分析系统。
基于本发明公开的惯性力法气体动态压力激光干涉测量系统实现的惯性力法气体动态压力激光干涉测量方法，包括如下步骤：
步骤一：在压力室中充满气体介质，压力室受到激励，产生压力变化；
步骤二：压力变化迫使活塞在活塞套筒中上下移动；
步骤三：激光干涉仪测量得到活塞随压力室的气压变化而上下移动的速度信号Xv(t)，将速度信号Xv(t)传输给数据采集分析系统；
步骤四：数据采集分析系统对速度信号Xv(t)进行求导处理，得到活塞随压力室的气压变化而上下移动的加速度信号Xa(t)；
步骤五：压力室的动态压力曲线P(t)通过公式(3)得到:
其中，g为当前环境下的重力加速度。
即通过公式(3)实现气体动态压力的直接测量，用于满足可溯源气体动态压力测量的需求。
有益效果：
1、本发明公开的惯性力法气体动态压力激光干涉测量系统及方法，利用激光干涉测量的宽频带、高精度、响应快的特性，进而测量动态压力更准确。
2、本发明公开的惯性力法气体动态压力激光干涉测量系统及方法，采用对动态压力进行数学建模，建立动态压力与加速度、活塞面积、质量的关系，利用时间、长度、质量等基本量，进而完成动态压力的绝对复现。
3、本发明公开的惯性力法气体动态压力激光干涉测量系统及方法，相比相对校准方法使用标准传感器进行校准，更有效地解决现有动态压力溯源的问题。
附图说明
图1为本发明具体实时方式中装置结构示意图；
其中，1—压力室、2—活塞套筒、3—活塞、4—位置指示标尺、5—激光干涉仪、6—数据采集分析系统。
图2为动态压力获取过程图，其中：图2a)为活塞速度随时间变化图，图2b)为活塞加速度随时间变化图，图2c)为动态压力随时间变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实例中公开的惯性力法气体动态压力激光干涉测量系统由压力室1，活塞套筒2，活塞3，位置指示标尺4，激光干涉仪5，数据采集分析系统6组成。
假定实验环境温度为15℃，活塞套筒2的的外径为20mm，内径为10mm，长度为31mm，活塞3的厚度L＝5mm，直径d＝8mm，密度ρ＝7.93×103kg/m3。
计算活塞3的截面面积为：
计算活塞3的质量为：m＝ρSL＝7.93×103×5.0265×10-5×5×10-3＝0.002kg。
本实例中使用所述惯性力法气体动态压力激光干涉测量方法，具体操作步骤为：
步骤一：在压力室1中充满气体介质，压力室1受到激励，产生压力变化；
步骤二：压力变化迫使活塞3在活塞套筒2中上下移动；
步骤三：激光干涉仪5测量得到活塞3随压力室1的气压变化而上下移动的速度信号Xv(t)，如图2a)，将速度信号Xv(t)传输给数据采集分析系统6；
步骤四：数据采集分析系统6对速度信号Xv(t)进行微分处理，得到活塞3随压力室1的气压变化而上下移动的加速度信号Xa(t),如图2b)；
步骤五：则压力室1的动态压力曲线P(t)可按如下方法得到:
其中，已知活塞3的质量m＝0.002kg，当前环境下的重力加速度g＝9.8m/s2，活塞3的截面面积S＝5.0265×10-5m2。
活塞3与活塞套筒2之间的摩擦力f(t)，可通过公式(2)计算得到：
其中，活塞3与活塞套筒2之间介质为空气，在15℃时的动态粘滞系数η＝1.7894×10-5，活塞3与活塞套筒2之间的间隙δ＝1mm。
则通过(2)式可计算出活塞3与活塞套筒2之间的摩擦力f(t)，将摩擦力f(t)带入(1)式，最后可以得到动态压力曲线P(t)如图2c)中动态压力曲线所示。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.惯性力法气体动态压力激光干涉测量系统，其特征在于：主要由压力室(1)，活塞套筒(2)、活塞(3)、位置指示标尺(4)、激光干涉仪(5)、数据采集分析系统(6)组成；
压力室(1)与活塞套筒(2)固定连接，压力室(1)与活塞套筒(2)内部相联通且保持密封，活塞(3)位于活塞套筒(2)内部，活塞(3)顶部平面与位置标尺(4)垂直连接；
所述的活塞(3)最大运动位移Smax与活塞(3)的直径d、厚度L、材料的关系符合如下公式：
其中，pA为压力幅值，为截面面积，fp为压力变化频率，m＝ρS0L为活塞(3)的质量，ρ为活塞(3)的密度，
所述的活塞(3)与活塞套筒(2)之间配合关系为间隙配合，存在摩擦力f(t)，符合如下公式：
其中，η为活塞(3)与活塞套筒(2)之间介质的动态粘滞系数，Xv(t)为活塞(3)的速度信号，δ为活塞(3)与活塞套筒(2)之间的间隙；
所述的位置指示标尺(4)用于记录活塞(3)的初始位置和位移距离；
激光干涉仪(5)位于活塞(3)竖直上方位置，保持固定不动，用于测量活塞(3)在活塞套筒(2)内的位移，并将测量结果传回数据采集分析系统(6)。
2.基于如权利要求1所述的测量系统实现的，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：在压力室(1)中充满气体介质，压力室(1)受到激励，产生压力变化；
步骤二：压力变化迫使活塞(3)在活塞套筒(2)中上下移动；
步骤三：激光干涉仪(5)测量得到活塞(3)随压力室(1)的气压变化而上下移动的速度信号Xv(t)，将速度信号Xv(t)传输给数据采集分析系统(6)；
步骤四：数据采集分析系统(6)对速度信号Xv(t)进行微分处理，得到活塞(3)随压力室(1)的气压变化而上下移动的加速度信号Xa(t)；
步骤五：压力室(1)的动态压力曲线P(t)通过公式(3)得到:
其中，g为当前环境下的重力加速度；
即通过公式(3)实现气体动态压力的直接测量，用于满足可溯源气体动态压力测量的需求。
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