1、试验与测试测控技术2023 年第 42 卷第 2 期收稿日期:2022 06 11基金项目:装备技术基础项目(S2021ZJ07D)引用格式:申晓敏，钱礼华，杜剑英，等 火箭橇用气动压力传感器在模拟试验温度下的标定方法 J 测控技术，2023，42(2):37 41SHEN X M，QIAN L H，DU J Y，et al Calibration Method of Pneumatic Pressure Sensor for ocket Sled at Simulated Test Temper-ature J Measurement Control Technology，2023，42(2
2、):37 41火箭橇用气动压力传感器在模拟试验温度下的标定方法申晓敏，钱礼华，杜剑英，党峰，陈亚奇(中国兵器工业试验测试研究院 技术中心，陕西 华阴714200)摘要:针对超声速火箭橇试验中被试品表面压力场分布的高精度测试需求，考虑到气动压力传感器受温度影响较大，存在明显的基线温度漂移和线性温度漂移，提出一种基于高低温试验箱的气动压力传感器温度响应特性标定方法。基于温度对压力传感器响应特性影响分析，将压力传感器在模拟试验温度环境下进行标定，建立了算法并进行了试验验证。试验结果表明，该方法能准确地反映压力传感器灵敏度系数随温度的变化关系，通过修正数据处理算法，显著提高了测试精度。关键词:火箭橇;
3、气动压力;温度;标定中图分类号:V416文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)02 0037 05doi:10 19708/j ckjs 2023 02 007Calibration Method of Pneumatic Pressure Sensor for ocket Sled atSimulated Test TemperatureSHEN Xiao-min，QIAN Li-hua，DU Jian-ying，DANG Feng，CHEN Ya-qi(Technical Center，Test and Measuring Academy，NOINCO Group，Huay
4、in 714200，China)Abstract:In view of the need for high-precision test of the pressure field distribution on the surface of the test-ed object in the supersonic rocket sled test，and considering that the pneumatic pressure sensor is greatly affect-ed by temperature，and there are obvious baseline temper
5、ature drift and linear temperature drift，a calibrationmethod for the temperature response characteristics of the pneumatic pressure sensor based on the high and lowtemperature test chamber is proposed Based on the analysis of the influence of temperature on the responsecharacteristics of the pressur
6、e sensor，the pressure sensor is calibrated under the simulated test temperature en-vironment，and the algorithm is established and tested The test results show that the method can accurately re-flect the relationship between the sensitivity coefficient of the pressure sensor and the temperature，and s
7、ignifi-cantly improve the test accuracy by modifying the data processing algorithmKey words:rocket sled;pneumatic pressure;temperature;calibration随着现代战争对飞行器高速、高精度和高机动性的作战性能要求不断提升，世界各国竞相开展了高超声速飞行器的研制工作。步入 21 世纪以来，由于具有极其重要的军事应用价值和重大的战略意义，高超声速飞行器已经成为世界各航天大国研究的热点1 5。在各国竞相开展高超声速飞行器研制的大背景下，我国也在积极开展高超声速远程机
8、动飞行器的研究6。随着超声速和高超声速武器系统研制技术的发展，飞73机、火箭等飞行器需要在更高、更恶劣的环境下飞行以验证其性能，为此在靶场开展了大量超声速火箭橇试验7。在该类试验中，由于火箭撬速度较高且外形多样，带来了复杂的气动力和热环境。超声速火箭橇试验为被试品提供了较为真实的飞行环境模拟条件，获取的被试品表面压力场分布和脉动压力特性是评估被试品性能的重要依据，同时橇体的气动压力场分布也是评估火箭橇安全、平稳运行的重要依据。开展火箭橇试验气动压力测试至关重要，由于火箭橇在超声速环境下产生强冲击振动环境，同时气动热产生高温环境，使得压力传感器和脉动压力传感器的响应产生较为严重的耦合失真，从而影
9、响测试精度。本文针对超声速火箭橇试验气动压力参数测试需求，由于气动压力传感器的失调和满量程温漂会达到 20%30%，为了提高测试精度，提出了一种在模拟试验温度环境下的气动压力传感器标定方法，通过数据处理，对压阻式压力传感器固有的零点漂移、灵敏度漂移和非线性8 9 等性能进行补偿，减少环境温度对测试精度的影响10。目前对气动压力传感器的标定有 2 种方法，一种是传统的方法，主要是在实验室环境下按照计量检定规程进行。实验时利用数字压力计、正弦动态压力标准装置或脉冲动态压力标准装置等进行一定压力量值的压力灵敏度标定，此方法常用于气动压力传感器的计量检定，得到的灵敏度系数是在实验室条件下测定的，与传感
10、器实际应用环境和工况有一定差别，在试验测试时若直接应用，会带来测量误差，不能真实反映被测结构或对象在特定环境下所承受的气动压力量值，从而影响被试品性能的准确评估和优化设计。另一种方法是结合实际工程应用，将传感器安装在一定的结构上，通过风洞试验给出具有一定来流压力量值的激励信号，测量压力传感器的响应，并与给出的标准信号对比分析，计算出压力传感器在特定安装结构下的灵敏度系数。此方法虽然考虑了实际工程应用，具有一定安装结构，但仍然没有全面考虑传感器的实际应用环境，例如在靶场大量气动压力传感器应用于超声速火箭橇试验的气动热特殊环境，传感器的敏感单元受温度影响较大，在一定温度环境下会产生比较严重的耦合失
11、真，如果不对其进行修正，其结果不能代表传感器在真实环境下的实际灵敏度情况。如果仅利用具有一定安装结构的气动压力传感器标定结果作为传感器测量的灵敏度系数，在试验测试时直接应用，会带来较大的测量误差，严重影响被测结构或对象在特定使用环境下所承受的气动压力量值，从而影响被试品性能的准确评估和考核，更不能为被试品的结构响应特性分析和改进设计提供可信的数据依据，从而制约了相关技术的发展。且该方法试验成本高、周期长、不便于在靶场试验现场使用。针对以上问题，本文在气动压力传感器计量校准的基础上，分析了温度对传感器响应特性的影响，提出了基于高低温试验箱作为激励源的气动压力传感器标定方法，首先等间距设定高低温试
12、验箱的输出温度值，并对测量值进行记录，最后采用最小二乘法对记录值进行拟合11 12，从而很好地解决了上述问题。1标定系统的构建及标定方法概述对于传感器的标定，有标准值法和标准表法两种方法13。本文采用标准值法对传感器进行标定，并应用高低温试验箱等间距设定模拟试验测量温度范围内的几个温度值，记录并保存数据，最后进行数据处理和计算14。气动压力传感器在模拟试验温度环境下标定的基本原理是将高低温试验箱作为测试标定系统的核心关键部分，即激励源部分，利用高低温试验箱作为热源，产生温度环境，再结合后端达到计量校准合格标准的高精度数据采集系统，构成一种模拟试验温度环境下的气动压力传感器标定系统。另外，在标定
13、时，在气动压力传感器安装位置附近放置两支经计量校准合格的温度传感器，利用这两支温度传感器实时感应标定时的环境温度，通过后端的数据采集系统测量记录。该温度值用于修正高低温试验箱设置的中心点温度，以防设置的中心点温度与气动压力传感器安装位置处的温度有略微的差别。标定系统组成原理示意图如图 1 所示。图 1标定系统组成原理示意图进行标定试验时，利用高低温试验箱设置一定的温度输出，温度传感器感应输出，通过后端经计量校准的数据采集系统测量记录，获取气动压力传感器在一定温度环境激励下的灵敏度系数;然后将高低温试验箱分别等间距设置不同挡位的温度，获取气动压力传感器在不同温度环境激励下的灵敏度系数。根据标定得
14、到的气动压力传感器在不同设定温度挡位激励下的灵敏度系数，通过多元比对、最小二乘插值拟合的方法，建立不同温度激励下的气动压力传感器灵敏度系数表，得出气动压力传感器随温度激励变化的灵敏度系数曲线。2标定试验方案设计标定试验方案设计主要是根据传感器在模拟试验83测控技术 2023 年第 42 卷第 2 期中的工作温度范围，等间距设定高低温试验箱输出不同挡位温度值，且在不同挡位的温度激励下，气动压力传感器感应输出利用数据采集系统记录的方法实现，环境气压利用经计量校准合格的气压表测量记录，其值记为 P(kPa)。如将高低温试验箱的输出分别设置为温度挡位 T1，T2，Tn()，在每个温度挡位需要稳定一段时
15、间，待温度输出稳定后，利用后端的数据采集系统对气动压力传感器感应的气动压力输出值进行测量记录，同时对两支温度传感器测量的当前温度值进行测量记录，即当在温度挡位 Ti时，利用数据采集系统测量记录两支温度传感器的测量输出值 ti1和 ti2，以及气动压力传感器感应的测量值 Ui(i=1，2，n)，具体标定流程如图 2 所示。图 2系统标定流程图3标定数据处理方法依据标定流程和方法，首先计算单一温度条件下的温度测量值和在该温度激励下响应的气动压力传感器灵敏度系数测量值。单一温度测量值为ti=ti1+ti22，i=1，2，n(1)式中:ti为高低温试验箱设定为 Ti挡位时，气动压力传感器附近环境温度测
16、量值();ti1、ti2分别为高低温试验箱设定为 Ti挡位时，气动压力传感器附近的1#温度传感器和 2#温度传感器测量的温度值(数据采集系统记录温度值)()。在该温度挡位激励条件下，气动压力传感器灵敏度系数为Si=UiP，i=1，2，n(2)式中:Si为传感器在 Ti和标准大气环境压力激励下的灵敏度系数(mV/kPa);Ui为传感器在 Ti激励下的响应测量值(数据采集系统记录电压值)(mV);P 为经计量校准合格的气压表测量气压值(kPa)。依次计算不同温度挡位条件下的温度测量值和对应温度激励下的气动压力传感器灵敏度系数。根据测量记录结果，获得标定的气动压力传感器灵敏度系数随温度变化的关系表，利用非线性最小二乘插值拟合的方法，获取传感器工作全温范围内的灵敏度系数变化曲线，建立工作温度范围内灵敏度系数数据库，以备实际试验测试使用，从而提高测试精度。4标定试验及应用验证4 1灵敏度系数标定试验针对某试验测试需求，通过压力传感器选型，选择压阻式压力传感器，由于压阻式压力传感器受温度影响较大，基线温度漂移和线型温度漂移都可达到1 5%FS/37 8，因此测试传感器工作温度变化范围较大时，如果不
