CN111998995B - 一种极小量程压力系统准静态校准用缓冲器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极小量程压力系统准静态校准用缓冲器及设计方法，包括传力件、减振件、上端盖、缓冲器本体、压缩弹簧、造压油缸；所述冲击缓冲器本体连接在造压油缸上；所述上端盖连接在冲击缓冲器本体上；所述传力件内表面中心黏连减振件；所述压缩弹簧设置在缓冲器本体与传力件之间，处于预压缩状态；所述传力件上端伸出上端盖的中心通孔；传力件可相对上端盖上下运动；设计方法提出了添加活塞缓冲器后的落锤数学模型，得到了缓冲器相关参数表达式，使得该缓冲器可产生完整的低于1MPa的半正弦压力激励，从而实现极小量程压电式压力传感器系统的准静态校准。

Description

一种极小量程压力系统准静态校准用缓冲器及设计方法

技术领域

本发明属于准静态校准用缓冲器领域，特别是一种极小量程压力系统准静态校准用缓冲器及设计方法。

背景技术

压电式压力传感器“电荷泄露”的特性决定了其从根本上不适用于静态校准，国外的厂家以及国内的计量院和计量单位通常使用落锤/摆锤式压力校准系统(落/摆锤系统如图1，图2所示，造压油缸如图5所示，是产生半正弦压力的关键部件)，通过准静态校准的方法校准传感器特性。压力准静态校准系统能够实现压力测量系统及传感器组件的灵敏度、线性度、重复性等参数的校准，该校准系统适用于国内外常用的冲击波压力传感器，如：PCB、Kistler及国产动态压力传感器，并符合动态压力传感器检定规程(JJG624-2005)要求，落/摆锤原理在南京理工大学孔德仁《塑性测压器材准动态校准技术及实验研究》中有详细介绍。

目前压电式压力传感器系统的一大研究与应用方向是极小压力测量。以爆炸场冲击波超压测量为例，由于近场装药爆炸反应复杂，多类毁伤元耦合作用于测试系统，压电式压力传感器在近场测得的压力数据难以准确反应冲击波压力的毁伤能力，所以压力远场的测试技术逐步得到重视。根据以往的测试数据，远场的压力峰值远低于1MPa；此外，由于每次爆炸场试验耗资巨大，有时会通过缩比试验进行研究分析，其压力值也不会很大。而目前常见的用于准静态校准用的落锤压力校准系统产生半正弦压力峰值最低有效压力为10MPa，摆锤压力校准系统产生半正弦压力峰值最低有效压力低于落锤，约为1MPa左右(一种便携式手动操作摆锤压力发生器，申请号：CN201611261754.8)，其主要原因是落/摆锤的锤体自身带有一定的重量，即使不安装配重片，仅一定高度(或角度)就能产生一定数量级的压力，若将高度(或角度)控制得很小，则有可能导致锤体不能完全弹起，使得输出不是一个完整的半正弦信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极小量程压力系统准静态校准用缓冲器及设计方法，以用于落锤/摆锤的缓冲器及其设计算法，通过该缓冲器可产生完整的低于1MPa的半正弦压力激励，从而实现极小量程压电式压力传感器系统的准静态校准。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种极小量程压力系统准静态校准用缓冲器，包括传力件、减振件、上端盖、缓冲器本体、压缩弹簧、造压油缸；

所述冲击缓冲器本体连接在造压油缸上；所述上端盖连接在冲击缓冲器本体上；所述传力件内表面中心黏连减振件；所述压缩弹簧设置在缓冲器本体与传力件之间，处于预压缩状态；所述传力件上端伸出上端盖的中心通孔；传力件可相对上端盖上下运动。

一种极小量程压力系统准静态校准用缓冲器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、构建缓冲器整个碰撞过程的运动方程：将整个重锤撞击传力件和活塞杆直至分离的碰撞过程看作完全非弹性碰撞过程，视传压介质体积模量不发生改变，构建整个碰撞过程的运动方程；

步骤2、构建整个碰撞过程的协调方程，即油缸容积变化量表达式；

步骤3、构建整个碰撞过程的物理方程，即油缸内的油压与油缸容积变化量的关系式；

步骤4、求解加缓冲器后的油缸内最大油压p_max的函数表达形式；根据表达形式中加缓冲器后的油缸内最大油压p_max的设定，选择压缩弹簧的弹性系数；根据p_max的函数表达形式以及p_max＞0的原则，得到上端盖与缓冲器本体内部的高度差。

一种极小量程压力系统准静态校准用缓冲器的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：将减振件连在传力件的内表面中心位置；

步骤2：在缓冲器本体内塞入压缩弹簧，确保压缩弹簧竖直放置；

步骤3：传力件与上端盖配合安装后，盖在压缩弹簧上方，待压缩弹簧卡在传力件里，按压上端盖使压缩弹簧预压缩；

步骤4：通过螺纹连接缓冲器本体与造压油缸，旋转缓冲器本体直至油缸的活塞杆与减振件接触；

步骤5：启动落/摆锤准静态压力校准装置，使重锤具有一定的高度/角度，释放重锤敲击传力件，造压油缸产生压力，由标准传感器与被校传感器感知，经由二次仪表收集并记录信号；

步骤6：调整重锤高度/角度多次试验，完成准静态校准流程。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明提出了添加活塞缓冲器后的落锤数学模型，得到了缓冲器相关参数表达式，使得该缓冲器可产生完整的低于1MPa的半正弦压力激励，从而实现极小量程压电式压力传感器系统的准静态校准。

附图说明

附图1为准静态校准用缓冲器结构整体示意图。

附图2为准静态校准用缓冲器局部放大图。

附图3为造压油缸构成图。

附图4为落锤压力校准系统构成图。

附图5为摆锤压力校准系统构成图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

实施例1

结合图1-图3，本实施例的一种极小量程压力系统准静态校准用缓冲器，包括传力件1、减振件2、上端盖3、缓冲器本体4、压缩弹簧5、造压油缸6；所述冲击缓冲器本体4通过螺纹连接在造压油缸6上；所述上端盖3通过螺纹连接在冲击缓冲器本体4上；

所述传力件1内表面中心黏连减振件2，所述减振件2用于减少刚体碰撞带来的振动，可以用尼龙材料或硅胶片。减振件2直径略大于造压油缸6的活塞杆61直径；

所述缓冲器本体4内设有压缩弹簧5下端的定位台阶，所述压缩弹簧5卡在所述缓冲器本体4与所述传力件1之间，外径略小于缓冲器本体4和传力件1内口直径，内径无要求，使得弹簧5能被固定；所述上端盖3和所述缓冲器本体4拧紧后，所述压缩弹簧5具有一定的预压缩，使所述传力件1和所述上端盖3紧密接触；所述上端盖3上端中心打通孔，传力件1底部设有一圈飞边，用于传力件1的轴向限位，使得传力件1下端卡在上端盖3内；所述传力件1上端伸出上端盖3的中心通孔一定高度，传力件1与上端盖3顶部中心通孔为间隙配合，运动时不产生摩擦，待所述缓冲器本体4与造压油缸6连接后，要求造压油缸6的活塞杆61接触所述减振件2，这可以通过调节造压油缸安装工艺以及所述缓冲器本体4与造压油缸的螺纹拧紧圈数实现。其中造压油缸6缸体上设有标准传感器62和被校传感器63；

结合图4、图5，使用时既可以用于落锤压力校准系统，也可以用于摆锤压力校准系统；用于落锤校准系统时，将缓冲器连接造压油缸6，置于重锤10正下方。落锤压力校准系统的提锤机构20通电吸附重锤10，吸附托锤组件30降到最低。然后断电，提锤机构20磁力消失，重锤10下落。用于摆锤压力校准系统时，将缓冲器连接造压油缸6置于底座50上，摆锤压力校准系统的驱动单元60驱动摆杆40带动重锤10摆动。

落/摆锤的重锤10锤体敲击传力件1，使传力件1向下运动并与上端盖3分离，压缩弹簧5受到传力件1带来的压力，产生与运动方向相反的弹性力，与此同时压力通过传力件1→减振件2→油缸活塞杆61作用于缸内传压介质(蓖麻油)，标准传感器62与被校传感器63同时感受油压输出电压信号。当重锤10锤体下落的动能全部转化为压缩弹簧5和传压介质的势能时，重锤10锤体和活塞杆61停止运动，活塞杆61的行程和传压介质的压力均达到最大值。然后由于传压介质膨胀而推动活塞杆61和重锤10锤体反向运动，直至活塞杆61恢复原位，缸内传压介质的压力也下降为零，重锤10则由于重新获得动能而离开缓冲器反向运动，与传力件1脱离。整个过程可实现半正弦压力信号的激励，且由于压缩过程中动能大部分转化为压缩弹簧5的弹性势能，传压介质感受的压力极小，即可实现极小压力的半正弦压力输入。

实施例2

本实施例以落锤压力校准系统配合该缓冲器为研究目标，提供一种缓冲器设计方法，该方法以活塞杆61为研究对象，根据缓冲器与油缸活塞杆61的运动过程建立运动方程，具体包括以下步骤：

步骤1、构建整个碰撞过程的运动方程：

由于碰撞时间极短，整个重锤撞击传力件1和活塞杆61直至分离的碰撞过程可看作完全非弹性碰撞过程，即假设半正弦压力信号生成期间重锤10、传力件1、活塞杆61均未分离，重锤10、传力件1、活塞杆61可看作一个整体。因产生压力小，视传压介质体积模量不发生改变。构建整个碰撞过程的运动方程为：

式中，m—重锤、传力件、活塞杆的总质量；g—重力加速度；k—压缩弹簧的弹性系数；F₀—压缩弹簧预压缩产生的弹性力，其值为F₀＝k(l₀-l_h)，其中l₀为弹簧原始长度，l_h为上端盖与缓冲器本体拧紧后弹簧的实际长度，即此刻传力件与缓冲器本体腔内的高度差；p—油缸内的油压；S—活塞杆有效面积；x—活塞杆位移；t—时间。

步骤2、构建整个碰撞过程的协调方程：

ΔV＝-Sx (2)

式中，ΔV—油缸容积变化量。

步骤3、构建整个碰撞过程的物理方程：

式中，

—关于

的函数表达形式。

由于传压介质体积模量不发生改变，则函数表达形式可按照体积弹性模量的定义写为：

其中E₀为油缸液体的体积弹性模量。

步骤4、求解加缓冲器后的油缸内最大油压p_max的函数表达形式：

联立式(2)、(3)，可知

式中，V₀、ΔV—油缸起始容积和容积变化量。

将式(4)代入式(1)，可得

运动初始条件为(视重锤自由下落)

式中，x(t)|_t＝0—活塞杆的初始位移；

—活塞杆的初始速度；h—重锤落高。

通过非齐次常微分方程求解，其特解为

将式(7)代入式(4)，可得压力峰值

式中，p_max—加缓冲器后造压油缸内最大油压。

从式(8)可以看出，调整落高h，以及选择合适的压缩弹簧(即弹性系数k)，可使得压力达到0.01MPa～1MPa之间。

考虑到落高很小时，

项有可能接近于0，因此在设计缓冲器时，

项需≥0，即mg-k(l₀-l_h)≥0，同时为保证安装时弹簧固定，不会在碰撞时发生偏移，高度差需小于弹簧原始长度l₀，因此拧紧时上端盖与缓冲器本体内部的高度差为

按此公式设计本体和上端盖的腔内深度，高度差尽量取两边极值的中间值。

步骤5、比较加缓冲器后的油缸最大油压p_max与未加缓冲器的的油缸内最大油压p_omax，提出设计原则：

对于未加缓冲器的落锤准静态校准系统，其压力峰值同上述分析过程可得

式中，p_omax—未加缓冲器系统的油缸内最大油压。

压力相差Δp为

由式(10)可知，缓冲器可有效降低落锤产生的压力幅值，当锤体、活塞杆、传压介质选定时，只有k和F₀为变量，随着k的增大和F₀的增大(l_h的减小)，压力下降愈发明显。

由于刚性碰撞会产生机械振动，使得波形产生强烈的抖动，干扰压力峰值的正常读取。由于极小量程的压力校准有效信号十分微弱，叠加干扰信号后难以辨识。为了杜绝这一现象，设计减振件(硅胶片或是尼龙片)置于传力件内表面中心位置，厚度2～3mm，面积应大于活塞杆表面积，避免撞击时受力不均使得压力监测不确定度偏大，常见的油缸活塞杆面积最大为2.5cm²，因此减振件应略大于2.5cm²。

实施例3

本发明使用时，测试过程采取以下步骤进行：

步骤1：将减振件2通过粘结剂粘连在传力件1的内表面中心位置；

步骤2：在缓冲器本体4内塞入压缩弹簧5，确保压缩弹簧5竖直放置；

步骤3：传力件1与上端盖3配合安装后，盖在压缩弹簧5上方，待压缩弹簧5正确卡在传力件1里时，用力按压上端盖3使其能与缓冲器本体4拧紧(此时压缩弹簧5预压缩)；

步骤4：通过螺纹连接缓冲器本体4与造压油缸6，旋转缓冲器本体4直至油缸6的活塞杆61与减振件2接触(即感受到向下旋转有阻力)；

步骤5：启动落/摆锤准静态压力校准装置，使重锤具有一定的高度/角度，释放重锤10敲击传力件1，造压油缸6产生压力，由标准传感器62与被校传感器63感知，经由二次仪表收集并记录信号；

步骤6：调整重锤高度(落锤压力校准系统)/角度(摆锤压力校准系统)多次试验，完成准静态校准流程；

步骤7：拆卸专用缓冲器。

Claims (9)

1.一种极小量程压力系统准静态校准用缓冲器，其特征在于，包括传力件、减振件、上端盖、缓冲器本体、压缩弹簧、造压油缸；

所述缓冲器本体连接在造压油缸上；所述上端盖连接在缓冲器本体上；所述传力件内表面中心黏连减振件；所述压缩弹簧设置在缓冲器本体与传力件之间，处于预压缩状态；所述传力件上端伸出上端盖的中心通孔；传力件可相对上端盖上下运动；

所述压缩弹簧弹性系数k满足：

其中p_max为加缓冲器后造压油缸内最大油压；E₀为油缸内液体的体积弹性模量；S为活塞杆有效面积；V₀为油缸起始容积；g为重力加速度；h为重锤落高；m为重锤、传力件、活塞杆的总质量；F₀为压缩弹簧预压缩产生的弹性力，F₀＝k(l₀-l_h)，其中l₀为弹簧原始长度，l_h为上端盖与缓冲器本体拧紧后弹簧的实际长度。

2.根据权利要求1所述的极小量程压力系统准静态校准用缓冲器，其特征在于，上端盖与缓冲器本体内部的高度差满足：

其中l₀为弹簧原始长度，l_h为上端盖与缓冲器本体拧紧后弹簧的实际长度，m为重锤、传力件、活塞杆的总质量；g为重力加速度；k为压缩弹簧的弹性系数。

3.根据权利要求1所述的极小量程压力系统准静态校准用缓冲器，其特征在于，所述缓冲器本体通过螺纹连接在造压油缸上。

4.一种极小量程压力系统准静态校准用缓冲器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、构建缓冲器整个碰撞过程的运动方程：将整个重锤撞击传力件和活塞杆直至分离的碰撞过程看作完全非弹性碰撞过程，视传压介质体积模量不发生改变，构建整个碰撞过程的运动方程；

步骤2、构建整个碰撞过程的协调方程，即油缸容积变化量表达式；

步骤3、构建整个碰撞过程的物理方程，即油缸内的油压与油缸容积变化量的关系式；

步骤4、求解加缓冲器后的油缸内最大油压p_max的函数表达形式；根据表达形式中加缓冲器后的油缸内最大油压p_max的设定，选择压缩弹簧的弹性系数；根据p_max的函数表达形式以及p_max＞0的原则，得到上端盖与缓冲器本体内部的高度差。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，步骤1建立的碰撞过程的运动方程为：

式中，m—重锤、传力件、活塞杆的总质量；g—重力加速度；k—压缩弹簧的弹性系数；F₀—压缩弹簧预压缩产生的弹性力，其值为F₀＝k(l₀-l_h)，其中l₀为弹簧原始长度，l_h为上端盖与缓冲器本体拧紧后弹簧的实际长度，即此刻传力件与缓冲器本体腔内的高度差；p—油缸内的油压；S—活塞杆有效面积；x—活塞杆位移；t—时间。

6.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，步骤4求解加缓冲器后的油缸内最大油压p_max的函数表达形式为：

式中，m—重锤、传力件、活塞杆的总质量；g—重力加速度；k—压缩弹簧的弹性系数；F₀—压缩弹簧预压缩产生的弹性力，其值为F₀＝k(l₀-l_h)，其中l₀为弹簧原始长度，l_h为上端盖与缓冲器本体拧紧后弹簧的实际长度，即此刻传力件与缓冲器本体腔内的高度差；p—油缸内的油压；S—活塞杆有效面积；x—活塞杆位移；t—时间。

7.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，步骤5上端盖与缓冲器本体内部的高度差满足：

其中l₀为弹簧原始长度，l_h为上端盖与缓冲器本体拧紧后弹簧的实际长度，m为重锤、传力件、活塞杆的总质量；g为重力加速度；k为压缩弹簧的弹性系数。

8.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，还包括步骤5、比较加缓冲器后的油缸最大油压p_max与未加缓冲器的的油缸内最大油压p_omax。

9.根据权利要求1-3任一项所述的极小量程压力系统准静态校准用缓冲器的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将减振件连在传力件的内表面中心位置；

步骤2：在缓冲器本体内塞入压缩弹簧，确保压缩弹簧竖直放置；

步骤3：传力件与上端盖配合安装后，盖在压缩弹簧上方，待压缩弹簧卡在传力件里，按压上端盖使压缩弹簧预压缩；

步骤4：通过螺纹连接缓冲器本体与造压油缸，旋转缓冲器本体直至油缸的活塞杆与减振件接触；

步骤5：启动落/摆锤准静态压力校准装置，使重锤具有一定的高度/角度，释放重锤敲击传力件，造压油缸产生压力，由标准传感器与被校传感器感知，经由二次仪表收集并记录信号；

步骤6：调整重锤高度/角度多次试验，完成准静态校准流程。

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