壓力測量技術(shù)是試驗空氣動力學的一項重要研究課題。由于壓力傳感器技術(shù)的限制，在風洞試驗中難以精確測量微小壓力值。本文基于石英真空計自主研發(fā)了一套微壓測量系統(tǒng)，并研究了細長管路對測壓系統(tǒng)的影響。該系統(tǒng)能夠測量0.2k Pa2k Pa壓強，可同步完成32路壓力測量。風洞測壓試驗結(jié)果表明，微壓測量系統(tǒng)可以有效應用于高超聲速微小壓力測量試驗，且測量精度優(yōu)于15%測量值。

　　風洞模型測壓試驗是獲得飛行器氣動載荷分布和氣動特性的重要方法之一。常規(guī)高超聲速風洞中測壓孔處的壓力通常由測壓導管經(jīng)模型支桿和支架連接到風洞外的電子壓力掃描閥模塊上進行測量。電子壓力掃描閥使用高精度硅壓阻傳感器，在較高壓強下，能夠獲得較好的測量精度，但對于1k Pa以下壓強，暫無法獲得高精度的測量結(jié)果。模型背風區(qū)壓力測量、測力試驗底部壓力測量、低密度風洞測壓試驗等均存在大量微壓測量任務。因此，發(fā)展一種高精度微壓測量技術(shù)成為了當前風洞測壓試驗的迫切需求。本文在風洞中試用石英真空計來測量0.2k Pa-2k Pa之間的壓強。風洞中測量壓強與一般真空技術(shù)的壓強測量的差別是： (1) 規(guī)管要經(jīng)過一條細長管道通到被測量壓強處。本文試驗用管道長為1.3m，內(nèi)徑為0.9mm。常規(guī)測量真空規(guī)管管道是短而粗，細長管道會帶來一些問題。 (2) 風洞測量壓強是要測量壓強的分布，即有多點壓強要測量，本文設(shè)計之測量點為32個點。本文就是研究細長管道及多點測試的方法。

1、真空計的選擇

　　在本文所述測量范圍供風洞測量的真空計有薄膜真空計、壓阻計和石英真空計可選擇。薄膜計的精度高，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個探頭裝在一起，所占空間太大，不方便。壓阻計是采用絕壓傳感器的真空計，可測量0.1k Pa-100k Pa的壓強。在測量下限附近應該調(diào)節(jié)零點以減小測量誤差。但是風洞測量中難以調(diào)節(jié)零點。石英真空計的特點是傳感器體積小，測量精度比較高。比較起來，石英真空計還是合適的選擇。本文所采用的真空計就是石英真空計。石英真空計在測量大于100Pa的壓強，可以不加零點調(diào)節(jié)，誤差仍小于10%。

2、石英真空計及32通道真空計設(shè)計方案

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

表1 石英真空計標定結(jié)果

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

圖1 DL-10A晶振阻抗與壓強的關(guān)系

　　圖1中坐標ΔZ是諧振阻抗Z與固有阻抗Z0之差。固有阻抗是壓強遠小于下限即小于10Pa的阻抗。阻抗由晶振兩端的電壓及流過晶振的電流計算得出。阻抗由單片機換算成壓強輸出。風洞測量壓強是測32個位置的壓強值，有32個晶振，安裝在一個集成機箱中，見圖2。每路含一個晶振，共32路，經(jīng)過32個氣路接頭，32根細長管道通向32處被測量壓強的位置。晶振測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個不同位置的壓強值。在風洞測量中，由于最低測量壓強為100Pa，因而不需要零點調(diào)節(jié)。

圖2 安裝晶振的集成機箱

圖3 采編電路原理圖

　　微壓測量系統(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。采編電路需要同時跟32路傳感器進行SPI通訊，任務非常繁重，常規(guī)MCU無法滿足上述需求，為此選擇FPGA進行實現(xiàn)。FPGA管腳多，容易實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)，且各引腳不同邏輯可以并行執(zhí)行，可同時處理不同任務。RS422通訊采用MAXIM公司的MAX490作為協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片。電路設(shè)計過程中考慮到風洞實驗段等低氣壓環(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、細長管道對石英真空計讀數(shù)的影響

　　細長管道應用于石英真空計的測量存在時間常數(shù)增大和精度下降的問題。下面分別進行討論。

　　3.1、細長管道使時間常數(shù)增大

　　依據(jù)風洞實驗測壓過程，對細長管路建立細長管路抽氣模型如圖4所示。細長管路對氣體的流動具有一定的阻礙作用。反過來說它們對氣體的流動都有一定的通導能力，這種能力稱之為流導。流導的大小說明在管路元件兩端的壓強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狀態(tài)不同，管道的流導也不一樣，也就是說，管道對氣體的流導不僅取決于管道的幾何形狀和尺寸，還與管道中流動的氣體種類和溫度、管道中氣體的平均壓力有關(guān)系。所以在計算管道對氣體的流導時，首先必須判明管道中的氣流是哪一種流動狀態(tài)。詳細估算方法如表2所示。依據(jù)上述判斷原則，本課題所研究微壓測量均為粘性流范疇。

圖4 細長管路抽氣模型

表2 真空系統(tǒng)的流體流動狀態(tài)

　　粘性流，圓管時，有流導

　　式中：S———流導，m/s；

　　———管內(nèi)平均壓力，Pa；

　　R———通用氣體常數(shù)R=8.31KJ/ (kmol·K)；

　　T———絕對溫度，K；

　　M———氣體分子量，kg/kmol；

　　L———管長與管件的當量長度之和，m；

　　D———管內(nèi)長直徑，m；

　　μ———黏度，Pa·s。

　　可見流導與管路直徑D四次方成正比，與長度成反比，與平均壓力成正比。因此，風洞測壓實驗中管徑過細，管路過長，被測壓力較低，均會導致管路流導增加，管路抽速降低，從而影響測壓系統(tǒng)的響應時間及測量精度。

　　為研究細長管道影響，搭建測試裝置如圖5所示：

圖5 帶細長管道的DL-10A性能測試裝置

　　DL-10A的指示壓強為P0，管道口的壓強為P1，由薄膜真空計測量，微調(diào)閥門可以調(diào)節(jié)P1的壓強值，系統(tǒng)由機械泵排氣。實驗用管道長1.5m，管內(nèi)直徑0.9mm的管道。由于細長管道的存在導致規(guī)管處的壓強跟蹤管口壓強的速度變慢。當P1遠低于P0時，P0可以認為是機械泵通過管道對規(guī)管的抽氣結(jié)果。P0隨時間t的變化可表示為：P0=P.exp (-t/t0)

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

　　風洞工作時，試驗段首先由引射器抽吸至3000Pa，此時模型測壓點壓力為試驗段壓力。待流場建立后，攻角機構(gòu)將模型投放，此時壓力為被測壓力。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，從而獲取接入細長管路的微壓系統(tǒng)響應特性 (見圖6) 。實驗測得管道直徑0.9mm，長度為1.5m時的t0值為40秒。如果管道長度減小到15cm，直徑仍為0.9mm，測得250Pa壓強時的t0值為15秒。

圖6 接入細長管道的微壓測量系統(tǒng)響應曲線

　　3.2、接入細長管道的系統(tǒng)測量精度標定

　　調(diào)整圖5所示測試系統(tǒng)真空腔壓力至表3所示各標準值，經(jīng)過長時間穩(wěn)定后，讀取微壓測量系統(tǒng)結(jié)果，從而檢測微壓測量系統(tǒng)壓力測量誤差。試驗時發(fā)現(xiàn)，當使用真空計出廠原始參數(shù)時，接入細長管道后在低于300Pa測量時會引起較大誤差，但不使用細長管道時誤差均在許可范圍內(nèi)。經(jīng)分析，石英真空計是利用晶體在介質(zhì)環(huán)境下振蕩的特性工作，介質(zhì)成分的改變會產(chǎn)生較大誤差。由于真空腔經(jīng)由細長管道后，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，我們在細長管道條件下對各個傳感器原始參數(shù)進行了重新測取，并載入微壓測量系統(tǒng)。使用新的原始參數(shù)的微壓測量系統(tǒng)標定結(jié)果如表3所示，誤差均在測量值的15%以內(nèi)。

表3 微壓測量系統(tǒng)標定結(jié)果 (誤差均為相對于測量值的百分比)

4、風洞試驗及試驗結(jié)果

　　4.1、試驗設(shè)備

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

　　4.2、試驗模型

　　風洞測壓系統(tǒng)如圖7所示。試驗使用大鈍頭體模型，在模型左右水平母線上分別布有五個測壓點 (兩條母線分別用φ=90°和φ=270°表示) 。不銹鋼測壓管通過鑲塊與模型表面測壓孔相連，穿過支桿內(nèi)腔引出。為了盡量增加測壓管路外徑，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度，使用聚四氟乙烯管路進行轉(zhuǎn)接。聚四氟乙烯轉(zhuǎn)接也同時增加測壓管路的柔韌度，便于攻角機構(gòu)動作。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行密封。

圖7 風洞測壓試驗示意圖

表4 試驗狀態(tài)和流場參數(shù)

　　風洞測壓試驗結(jié)果如圖8、表4、表5所示。圖8為第29通道實測數(shù)據(jù)，在風洞運行時長可承受范圍內(nèi)，經(jīng)過細長管道的壓力可以達到接近平衡狀態(tài)。表4、表5為不同馬赫數(shù)條件下，φ=90°母線和φ=270°母線上的測壓結(jié)果。由于模型為軸對稱外形，固φ=90°與φ=270°理論壓強應該保持一致�？梢钥闯�，測得壓強介于300Pa和800Pa之間，兩條母線上測點壓強對稱性較好，且相差在15%以內(nèi)。

圖8 Ma8風洞測壓數(shù)據(jù)

表4 Ma5，不同攻角下測得的壓強

表5 Ma8，不同攻角下測得的壓強

5、小結(jié)

　　石英真空傳感器用于風洞實驗具有體積小，測量精度高的特點。應用于風洞中測壓強，規(guī)管要通過細長管道通向被測壓強處。

　　(1) 經(jīng)過細長管道后，時間常數(shù)增大，已接近風洞部分狀態(tài)的使用極限，但仍處于可接受范圍內(nèi)，后續(xù)模型設(shè)計中應盡力減小管道長度，增加管道內(nèi)徑。

　　(2) 基于石英真空計的微小壓力測量系統(tǒng)精度可達測量值15%以上，可用于常規(guī)高超聲速風洞微小壓力測量試驗。

　　通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，有望進一步大幅減小傳感器體積，在1.2米量級風洞設(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壓管路長度，降低壓力響應時間，提高測量精度，可以作為后續(xù)深入研究的方向。

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