CN114235273A - 一种微孔压力探针的标定方法 - Google Patents

一种微孔压力探针的标定方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种微孔压力探针的标定方法，涉及压力探针标定技术领域，微孔压力探针开设有微孔和安装腔体，微孔的一端贯穿至微孔压力探针的头部端面，安装腔体用于安装压力传感器，该标定方法包括步骤：于设定流量下，分别测量得到待标定微孔压力探针与参考传感器的压力脉动数据，得到探针压力脉动频谱和第一参考压力脉动频谱；于设定流量下，分别测量得到压力传感器和参考传感器的压力脉动数据，得到传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱；当第一参考压力脉动频谱与第二参考压力脉动频谱之间的差值未超出第一阈值时，构建该待标定微孔压力探针的传递函数。本申请，可有效并快速地标定出待标定微孔压力探针的传递函数。

Description

一种微孔压力探针的标定方法
技术领域
本申请涉及压力探针标定技术领域，具体涉及一种微孔压力探针的标定方法。
背景技术
目前，壁面压力脉动的测量在船舶、航空航天等领域具有广泛应用，保证壁面压力脉动的测量精度是后续开展更多研究工作的基础。
在工程实际测量中影响压力脉动测量精度的因素主要有以下两点：一是传感器头部尺寸对测量结果的影响，通常来说，试验期望测量的压力脉动是单点位置处的压力脉动，但由于受传感器头部尺寸的限制，传感器在测量过程中得到的压力，实际上是头部感应膜片面积上的平均值，因此，需要避免传感器头部尺寸限制对测量结果的影响；二是传感器端部与安装表面之间的匹配，实际工程中很多结构的表面为曲面，而传感器的头部平面不可能与曲面完全匹配，因此，导致传感器的头部平面与测量曲面之间存在非连续衔接，进而影响压力脉动特征和传感器测量得到的结果。
相关技术中，通过制造微孔型压力传感器和微孔型压力探针装置，以进行壁面压力脉动的测量。但是，微孔型压力传感器仅适用于空气介质中的压力脉动测量，在进行壁面压力脉动的测量时，无法与待安装的曲面结构实现光滑匹配；此外，部分微孔型压力传感器的轴向尺寸过长，导致其在受限空间内难以安装。而微孔型压力探针装置的标定过程并未考虑流体的影响，因此，仅适用于静态流体中声压的测量，导致其在壁面压力脉动测量时误差较大。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷之一，本申请的目的在于提供一种微孔压力探针的标定方法，以解决相关技术中微孔型压力探针装置的标定过程并未考虑流体的影响，导致其在壁面压力脉动测量时误差较大的问题。
本申请提供一种微孔压力探针的标定方法，上述微孔压力探针开设有相互连通的微孔和安装腔体，上述微孔的一端贯穿至微孔压力探针的头部端面，上述安装腔体用于安装压力传感器，且上述压力传感器通过上述微孔获取待测点的压力脉动数据，上述方法包括步骤：
将待标定微孔压力探针与参考传感器安装于平行水流方向的同一平面；
于设定流量下，分别测量得到上述待标定微孔压力探针与参考传感器的压力脉动数据，并分别进行傅里叶变换，得到待标定微孔压力探针的探针压力脉动频谱、以及参考传感器的第一参考压力脉动频谱；
将上述待标定微孔压力探针拆除，并于其安装位置安装上述待标定微孔压力探针的压力传感器；
于上述设定流量下，分别测量得到上述压力传感器和参考传感器的压力脉动数据，并分别进行傅里叶变换，得到上述压力传感器的传感器压力脉动频谱、以及参考传感器的第二参考压力脉动频谱；
当上述第一参考压力脉动频谱与第二参考压力脉动频谱之间的差值未超出第一阈值时，基于上述探针压力脉动频谱与上述传感器压力脉动频谱，构建该待标定微孔压力探针的传递函数，以描述待标定微孔压力探针的待测点与压力传感器的感应膜片之间的压力脉动关系。
一些实施例中，上述待标定微孔压力探针的传递函数H(f)表示为：
Figure BDA0003402520880000031
其中，p传(f)为传感器压力脉动频谱；p探(f)为探针压力脉动频谱。
一些实施例中，上述构建该待标定微孔压力探针的传递函数之前，还包括：
判断上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱是否相同；
若是，则对其他待标定微孔压力探针进行标定时，基于该标定过程中，该其他待标定微孔压力探针的探针压力脉动频谱与第一参考压力脉动频谱，构建该其他待标定微孔压力探针的传递函数。
一些实施例中，上述其他待标定微孔压力探针的传递函数H(f)表示为：
Figure BDA0003402520880000032
其中，p参1(f)为第一参考压力脉动频谱；p探(f)为探针压力脉动频谱。
一些实施例中，若判定上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱不同，则对其他待标定微孔压力探针进行标定时，基于该标定过程中，该其他待标定微孔压力探针的探针压力脉动频谱与传感器压力脉动频谱，构建该其他待标定微孔压力探针的传递函数。
一些实施例中，判断上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱是否相同，具体包括：
多次获取上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱；
当每次获取的传感器压力脉动频谱与第二参考压力脉动频谱之间的差值，均未超出第二阈值时，判定上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱相同；
当至少一次获取的二者之间的差值超出第二阈值时，判断测试环境是否正常；
若是，则再次进行多次获取，且当仍存在至少一次二者的差值超出第二阈值时，判定上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱不同；
否则，调整测试环境后，重新进行多次获取，直至判断出上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱是否相同。
一些实施例中，直至判断出上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱是否相同，具体包括：
直至判定上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱相同、或者测试环境正常且再次进行多次获取时，仍存在至少一次二者的差值超出第二阈值，判定上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱不同。
一些实施例中，上述第一阈值为3％。
一些实施例中，上述第二阈值小于或等于第一阈值。
一些实施例中，上述微孔压力探针的头部端面为平面或曲面，上述微孔贯穿至上述头部端面的孔段垂直于上述头部端面。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
本申请的微孔压力探针的标定方法，通过分别获取同一设定流量下，待标定微孔压力探针的探针压力脉动频谱和参考传感器的第一参考压力脉动频谱、以及压力传感器的传感器压力脉动频谱和参考传感器的第二参考压力脉动频谱，进而在第一参考压力脉动频谱与第二参考压力脉动频谱之间的差值未超出第一阈值时，基于探针压力脉动频谱与传感器压力脉动频谱，构建该待标定微孔压力探针的传递函数，以描述待标定微孔压力探针的头部待测点与压力传感器的感应膜片之间的压力脉动关系。本申请的标定方法，考虑的流体的粘性以及运动速度对传递函数的综合影响，可有效并快速地标定出待标定微孔压力探针的传递函数，为后续应用微孔压力探针在运动流体中壁面压力脉动的测量提供技术支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中微孔压力探针的标定方法的流程图；
图2为本申请实施例中微孔压力探针的第一种结构示意图；
图3为本申请实施例中待标定微孔压力探针与参考传感器的安装示意图；
图4为本申请实施例中微孔压力探针的第二种结构示意图。
附图标记：
1、参考传感器；2、待标定微孔压力探针；21、微孔；22、安装腔体；3、安装平面。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请实施例提供一种微孔压力探针及其标定方法，该待标定微孔压力探针开设有相互连通的微孔和安装腔体，上述微孔的一端贯穿至待标定微孔压力探针的头部端面，上述安装腔体与后置的压力传感器进行匹配，该安装腔体用于安装压力传感器，且上述压力传感器通过上述微孔获取待测点的压力脉动数据。
如图1所示，上述微孔压力探针的标定方法包括步骤：
S1.将待标定微孔压力探针与参考传感器安装于平行水流方向的同一平面，以便于分别通过待标定微孔压力探针和参考传感器进行平面压力脉动测量。
S2.于设定流量下，分别测量得到上述待标定微孔压力探针与参考传感器的压力脉动数据，并分别进行傅里叶变换，得到待标定微孔压力探针的探针压力脉动频谱、以及参考传感器的第一参考压力脉动频谱。
S3.将上述待标定微孔压力探针拆除，并于其安装位置安装上述待标定微孔压力探针的压力传感器。
S4.于上述设定流量下，分别测量得到上述压力传感器和参考传感器的压力脉动数据，并分别进行傅里叶变换，得到上述压力传感器的传感器压力脉动频谱、以及参考传感器的第二参考压力脉动频谱。
S5.当上述第一参考压力脉动频谱与第二参考压力脉动频谱之间的差值未超出第一阈值时，基于上述探针压力脉动频谱与上述传感器压力脉动频谱，构建该待标定微孔压力探针的传递函数，以描述待标定微孔压力探针的待测点与压力传感器的感应膜片之间的压力脉动关系。
本实施例的标定方法，通过分别获取同一设定流量下，待标定微孔压力探针的探针压力脉动频谱和参考传感器的第一参考压力脉动频谱、以及压力传感器的传感器压力脉动频谱和参考传感器的第二参考压力脉动频谱，进而在第一参考压力脉动频谱与第二参考压力脉动频谱之间的差值未超出第一阈值时，基于探针压力脉动频谱与传感器压力脉动频谱，构建该待标定微孔压力探针的传递函数，以描述待标定微孔压力探针的头部待测点与压力传感器的感应膜片之间的压力脉动关系。本申请的标定方法，考虑的流体的粘性以及运动速度对传递函数的综合影响，可有效并快速地标定出待标定微孔压力探针的传递函数，为后续应用微孔压力探针在运动流体中壁面压力脉动的测量提供技术支撑。
在上述实施例的基础上，本实施例中，上述待标定微孔压力探针的传递函数H(f)表示为：
Figure BDA0003402520880000071
其中，p传(f)为传感器压力脉动频谱；p探(f)为探针压力脉动频谱。
在上述实施例的基础上，本实施例中，上述构建该待标定微孔压力探针的传递函数之前，还包括以下步骤：
首先，判断上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱是否相同。
若是，则对其他待标定微孔压力探针进行标定时，基于该标定过程中，该其他待标定微孔压力探针的探针压力脉动频谱与第一参考压力脉动频谱，构建该其他待标定微孔压力探针的传递函数。
因此，后续其他待标定微孔压力探针的标定过程中，无需对待标定微孔压力探针的压力传感器进行压力脉动数据的获取，即，可直接采用参考传感器测量得到的数据表示待标定微孔压力探针所用的压力传感器数据，从而加快后续的标定速度。
本实施例中，上述其他待标定微孔压力探针的传递函数H(f)表示为：
Figure BDA0003402520880000081
其中，p参1(f)为第一参考压力脉动频谱；p探(f)为探针压力脉动频谱。f表示脉动频率。
进一步地，若判定上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱不同，则对其他待标定微孔压力探针进行标定时，基于该标定过程中，该其他待标定微孔压力探针的探针压力脉动频谱与传感器压力脉动频谱，构建该其他待标定微孔压力探针的传递函数。
本实施例中，判断上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱是否相同，具体包括以下步骤：
首先，多次获取上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱。
当每次获取的传感器压力脉动频谱与第二参考压力脉动频谱之间的差值，均未超出第二阈值时，判定上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱相同。此时，可取多次测量的传感器压力脉动频谱的平均值、或最后一次测量得到的传感器压力脉动频谱，进行构建待标定微孔压力探针的传递函数。
当至少一次获取的二者之间的差值超出第二阈值时，判断测试环境是否正常。
若是，则再次进行多次获取，且当仍存在至少一次二者的差值超出第二阈值时，判定上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱不同。优选地，上述多次获取的多次为三次。此时，六次测量的多个传感器压力脉动频谱之间的误差应不超过3％，六次测量的多个第二参考压力脉动频谱之间的误差同样不超过3％，表明传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱的测量无异常。可取多次测量的传感器压力脉动频谱的平均值、或最后一次测量得到的传感器压力脉动频谱进行构建待标定微孔压力探针的传递函数。
否则，调整测试环境后，重新进行多次获取，直至判断出上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱是否相同。
进一步地，直至判断出上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱是否相同，具体包括：
直至判定上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱相同、或者测试环境正常且再次进行多次获取时，仍存在至少一次二者的差值超出第二阈值，判定上述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱不同。
可选地，上述第一阈值为3％，且上述第二阈值小于或等于第一阈值。其中，当上述第一参考压力脉动频谱与第二参考压力脉动频谱之间的差值未超出3％时，表明两次测量的水流运行工况一致。
如图2和图4所示，待标定微孔压力探针2开设有微孔21和安装腔体22。上述待标定微孔压力探针2的头部端面为平面或曲面，上述微孔21贯穿至上述头部端面的孔段垂直于上述头部端面。
其中，上述微孔21为细长的微孔，且微孔21的直径小于或等于1mm。可选地，上述微孔21可为直孔或L形孔。
本实施例中，当上述微孔21为直孔时，上述微孔21垂直于上述头部端面；当上述微孔21为L形孔时，L形孔包相互垂直第一孔段和第二孔段，且第一孔段一端贯穿至上述头部端面，上述第一孔段垂直于上述头部端面。
本实施例的微孔压力探针可直接安装在任意壁面上通过微孔进行采样，且便于在狭小空间内进行安装。
本实施例中，微孔压力探针头部位置的微孔与其压力传感器感应膜片之间的腔体本质上构成了一个典型的Helmholtz共振腔。上述结构特征使得头部位置的微孔处的实际压力脉动和压力传感器膜片表面测量得到的压力脉动之间存在幅值和相位差。因此，有必要建立传递函数描述两个测点之间的压力脉动关系。
如图2和图3所示，优选地，本实施例的标定方法具体包括：
步骤1：将待标定微孔压力探针2和参考传感器1安装在平行于流动方向的同一安装平面3。在设定的流量下，水流经过安装平面3时，分别获取参考传感器1和待标定微孔压力探针2的瞬时压力脉动数据，并分别执行傅里叶变换，得到压力脉动频谱，分别计为p参1(f)和p探(f)。
步骤2：将待标定微孔压力探针2拆除，直接安装待标定微孔压力探针2所用的压力传感器。然后在相同的流量下，分别获取参考传感器1和压力传感器的瞬时压力脉动数据，并分别执行傅里叶变换，得到压力脉动频谱，分别计为p参2(f)和p传(f)。
其中，通过控制测量管路的阀门开度和管道上流量计的测量显示，以实现两次测量的水流运行的流量一致，并当p参1(f)和p参2(f)在标定的频率段范围内误差不超过3％时，可确定两次测量的水流运行的流量和工况一致。此时，基于探针压力脉动频谱与传感器压力脉动频谱，构建该待标定微孔压力探针的传递函数，以描述待标定微孔压力探针的头部待测点与压力传感器的感应膜片之间的压力脉动关系。
步骤3：判断获取的传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱是否相同，若是，则对其他待标定微孔压力探针进行标定时，基于该标定过程中，该其他待标定微孔压力探针的探针压力脉动频谱与第一参考压力脉动频谱，构建该其他待标定微孔压力探针的传递函数。
否则，对其他待标定微孔压力探针进行标定时，基于该标定过程中，该其他待标定微孔压力探针的探针压力脉动频谱与传感器压力脉动频谱，构建该其他待标定微孔压力探针的传递函数，即可省略步骤2。
本实施例的微孔压力探针的标定方法，通过将待标定微孔压力探针和参考传感器在运动流体中进行压力脉动的测量，实现了标定过程中考虑流体粘性、运动速度以及探针结构形状对传递函数的综合影响，以有效并快速地标定出待标定微孔压力探针的传递函数，为后续应用微孔压力探针在运动流体中壁面压力脉动的测量提供技术支撑。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种微孔压力探针的标定方法，其特征在于，所述微孔压力探针开设有相互连通的微孔和安装腔体，所述微孔的一端贯穿至微孔压力探针的头部端面，所述安装腔体用于安装压力传感器，且所述压力传感器通过所述微孔获取待测点的压力脉动数据，所述方法包括步骤：
将待标定微孔压力探针与参考传感器安装于平行水流方向的同一平面；
于设定流量下，分别测量得到所述待标定微孔压力探针与参考传感器的压力脉动数据，并分别进行傅里叶变换，得到待标定微孔压力探针的探针压力脉动频谱、以及参考传感器的第一参考压力脉动频谱；
将所述待标定微孔压力探针拆除，并于其安装位置安装所述待标定微孔压力探针的压力传感器；
于所述设定流量下，分别测量得到所述压力传感器和参考传感器的压力脉动数据，并分别进行傅里叶变换，得到所述压力传感器的传感器压力脉动频谱、以及参考传感器的第二参考压力脉动频谱；
当所述第一参考压力脉动频谱与第二参考压力脉动频谱之间的差值未超出第一阈值时，基于所述探针压力脉动频谱与所述传感器压力脉动频谱，构建该待标定微孔压力探针的传递函数，以描述待标定微孔压力探针的待测点与压力传感器的感应膜片之间的压力脉动关系。
2.如权利要求1所述的微孔压力探针的标定方法，其特征在于，所述待标定微孔压力探针的传递函数H(f)表示为：
Figure FDA0003402520870000011
其中，p传(f)为传感器压力脉动频谱；p探(f)为探针压力脉动频谱。
3.如权利要求1所述的微孔压力探针的标定方法，其特征在于，所述构建该待标定微孔压力探针的传递函数之前，还包括：
判断所述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱是否相同；
若是，则对其他待标定微孔压力探针进行标定时，基于该标定过程中，该其他待标定微孔压力探针的探针压力脉动频谱与第一参考压力脉动频谱，构建该其他待标定微孔压力探针的传递函数。
4.如权利要求3所述的微孔压力探针的标定方法，其特征在于，所述其他待标定微孔压力探针的传递函数H(f)表示为：
Figure FDA0003402520870000021
其中，p参1(f)为第一参考压力脉动频谱；p探(f)为探针压力脉动频谱。
5.如权利要求3所述的微孔压力探针的标定方法，其特征在于：
若判定所述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱不同，则对其他待标定微孔压力探针进行标定时，基于该标定过程中，该其他待标定微孔压力探针的探针压力脉动频谱与传感器压力脉动频谱，构建该其他待标定微孔压力探针的传递函数。
6.如权利要求3所述的微孔压力探针的标定方法，其特征在于，判断所述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱是否相同，具体包括：
多次获取所述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱；
当每次获取的传感器压力脉动频谱与第二参考压力脉动频谱之间的差值，均未超出第二阈值时，判定所述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱相同；
当至少一次获取的二者之间的差值超出第二阈值时，判断测试环境是否正常；
若是，则再次进行多次获取，且当仍存在至少一次二者的差值超出第二阈值时，判定所述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱不同；
否则，调整测试环境后，重新进行多次获取，直至判断出所述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱是否相同。
7.如权利要求6所述的微孔压力探针的标定方法，其特征在于，直至判断出所述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱是否相同，具体包括：
直至判定所述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱相同、或者测试环境正常且再次进行多次获取时，仍存在至少一次二者的差值超出第二阈值，判定所述传感器压力脉动频谱和第二参考压力脉动频谱不同。
8.如权利要求6所述的微孔压力探针的标定方法，其特征在于：所述第一阈值为3％。
9.如权利要求8所述的微孔压力探针的标定方法，其特征在于：所述第二阈值小于或等于第一阈值。
10.如权利要求1所述的微孔压力探针的标定方法，其特征在于：所述微孔压力探针的头部端面为平面或曲面，所述微孔贯穿至所述头部端面的孔段垂直于所述头部端面。
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