一种可溯源液体正弦压力校准装置的制作方法

本发明涉及一种基于光学测量方法的可溯源液体正弦压力校准装置，属于光学计量测试技术。

背景技术：

随着土木建筑、轨道交通、国防军工等领域试验监测中动态压力测试需求越来越多，正弦压力校准装置作为压力测试系统动态性能定量评价的最合适的工具更加受到重视。正弦压力校准装置根据发生机理可以分成很多这类，但都存在两个主要问题，一是量程范围有限，尤其是频率范围有限，10kHz以上高频正弦压力产生困难；二是大多使用比较法，动态压力量值无法可靠溯源，这些造成动态压力量值准确性无法得到保证。而本发明的一种基于光学测量方法的可溯源液体正弦压力校准装置恰恰填补了以上领域压力测试系统动态性能定量评价的最合适的工具的空白，并进一步解决了量程范围有限、动态压力量值无法可靠溯源的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决传统的正弦压力校准装置量程范围有限、动态压力量值无法可靠溯源的问题而设计一种基于激光干涉测量的可溯源的中高频正弦压力校准装置，从而满足航空航天发动机研制试验、空气动力学研究试验等宽频带动态压力测量量值溯源和现场校准需求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种可溯源液体正弦压力校准装置，包括液体正弦压力发生器、液体动态压力激光干涉测量系统、隔振平台、静压加载系统和数据采集分析系统。

液体正弦压力发生器包括压电换能器、主谐振管腔、次谐振管腔、柔性连接件；压电换能器安装在主谐振腔的底部，是正弦压力产生的激励源；主谐振管腔与次谐振管腔通过柔性连接件连接相通；主谐振管腔用于在一系列等间距谐振点上产生水介质的谐振，其长度设计依据一阶谐振频率和四分之一波长公式；次谐振管腔用于增强局部频率段的压力脉动幅值，并同时用于动态压力校 准压力室，其长度设计依据增强段中心频率与二分之一波长公式；次谐振管腔截面为圆形或方形，其面积不大于主谐振管腔截面积的五分之一。液体正弦压力发生器的功能是利用压电换能器激励变管径双谐振管腔中水介质来产生中高频正弦压力脉动。

液体动态压力激光干涉测量系统包括激光干涉仪、光学窗口和补偿腔。光学窗口和补偿腔分别安装在液体正弦压力发生器次谐振腔的腔壁上，液体动态压力激光干涉测量系统中激光光路通过次谐振管腔中水介质，通过测量水的折射率即光程变化来测量动态压力变化；次谐振管腔与激光干涉仪的光学头固定安装在隔振平台上；激光光学窗口采用外加水补偿腔结构，补偿由于激光光学窗口振动以及水与空气间折射率差所引起的系统误差。液体动态压力激光干涉测量系统安装在隔振平台上，隔振平台的功能是隔离液体正弦压力发生器本体振动对激光干涉测量系统影响。液体动态压力激光干涉测量系统的功能是通过测量水的折射率即光程变化来测量动态压力变化，并补偿由于激光光学窗口振动以及水与空气间折射率差所引起的系统误差。

静压加载系统通过管路和阀门与液体正弦压力发生器连接。静压加载系统的功能是实现液体正弦压力发生器中平均压力的控制以及压力-光程关系的静态标定，实现动态压力溯源到静态压力。

数据采集分析系统的功能是采集与处理基于压力-光程关系的静态标定与动态校准中激光干涉测量系统的输出信号与被校压力传感器的输出信号。

激光干涉仪的激光光路依次通过光学窗口、次谐振管腔中水介质、光学窗口，然后由反射镜反射原路返回。当次谐振管腔中水介质压力p发生改变时，水的折射率K_w变化引起光程L变化，激光干涉仪测量光程变化来测量动态压力变化。

有益效果

本发明通过压电换能器与双谐振管腔配合提高了正弦压力源的频带宽度，并填补由于压力换能器反谐振造成的频率空缺；通过极高频带的激光干涉测量系统测量水的折射率变化以及原位静态标定实现了动态压力量值可靠溯源到静态压力，并通过光学窗口补偿腔消除由于光学窗口振动以及水与空气间折射率差所引起的系统误差，激光测量光学头与次谐振管腔固定连接并与主谐振管腔之间通过柔性连接，消除换能器工作带动管腔复杂运动引入的测量误差，提高 了测量精度。

附图说明

图1是本发明装置结构主体示意图；

图2为次谐振管腔连接与激光光路局部示意图；

图3为本发明的主次谐振管腔连接的放大示意图；

其中，1-压电换能器、2-主谐振管腔、3-次谐振管腔、4-柔性连接件、5-激光干涉仪、6-光学窗口、7-补偿腔、8-隔振平台、9-静压加载系统、10-数据采集分析系统、11-光学头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。

如图1、图2所示，一种可溯源液体正弦压力校准装置，包括液体正弦压力发生器、液体动态压力激光干涉测量系统、隔振平台、静压加载系统和数据采集分析系统。

液体正弦压力发生器包括压电换能器1、主谐振管腔2、次谐振管腔3、柔性连接件4；主谐振管腔2与次谐振管腔3通过柔性连接件4连接相通；主谐振管腔2用于在一系列等间距谐振点上产生水介质的谐振，其长度设计依据一阶谐振频率和四分之一波长公式；次谐振管3腔用于增强局部频率段的压力脉动幅值，并同时用于动态压力校准压力室，其长度设计依据增强段中心频率与二分之一波长公式；次谐振管腔3截面为圆形或方形，其面积不大于主谐振管腔2截面积的五分之一。液体正弦压力发生器的功能是利用压电换能器激励变管径双谐振管腔中水介质来产生中高频正弦压力脉动。

液体动态压力激光干涉测量系统包括激光干涉仪5、光学窗口6和补偿腔7。液体动态压力激光干涉测量系统中激光光路通过次谐振管腔3中水介质，通过测量水的折射率即光程变化来测量动态压力变化；光学窗口6采用外加水补偿腔结构，补偿由于光学窗口振动以及水与空气间折射率差所引起的系统误差。液体动态压力激光干涉测量系统的功能是通过测量水的折射率即光程变化来测量动态压力变化，并补偿由于光学窗口振动以及水与空气间折射率差所引起的系统误差。

一种可溯源液体正弦压力校准装置的工作过程为：

主谐振管腔2为圆直管，直径100mm,设计长度L＝0.74m，对主谐振管腔内液体的谐振频率估计可根据二分之一公式：

$f_r=\frac{na}{2L},n=1,2,3...$

其中，r为主谐振管腔的半径，L表示主谐振管腔设计长度，a为水常温下声速，f_r为谐振管腔内液体的谐振频率，水常温下声速a＝1480m/s,则其各阶谐振频率约为1kHz、2kHz、3kHz…。

次谐振管腔3为正方形直管，边长8mm，截面积小于主谐振管腔2截面积的1/100。主谐振管腔2与次谐振管腔3通过软性连接件4连接相通，软性连接件4采用橡胶材料，内管腔同样为边长8mm的正方形直管。如压电换能器在12kHz～16kHz频带内存在明显反谐振现象，管腔长度设计依据四分之一波长公式：

$f_r^{\′}=\frac{(2n-1)a}{4L^{\′}},n=1,2,3...$

使管腔一阶谐振频率与反谐振频带中心频率重合，即14kHz,可得次谐振管腔设计长度约为L’＝26.4mm，此时管腔的其各阶谐振频率f‘_r约为14kHz、35kHz、49kHz…。

激光干涉仪5的激光光路依次通过光学窗口6、次谐振管腔3中水介质、光学窗口6，然后由反射镜反射原路返回。当次谐振管腔3中水介质压力p发生改变时，水的折射率N_w变化引起光程l变化，激光干涉仪5测量光程变化来测量动态压力变化。

次谐振管腔3与激光干涉仪5的光学头11固定安装在隔振平台8上。

通过静压加载系统9与激光干涉测量系统完成压力-光程关系的原位静态标定，实现动态压力可溯源到静态压力。通过原位静态标定即获得激光干涉测量系统的压力光程灵敏度：

$K_w=\frac{\∂l}{\∂p},$

K_w为激光干涉测量系统的压力光程灵敏度，l为光程，为偏导函数系数。

光学窗口5外附加补偿腔7，补偿腔1与次谐振管腔3固定安装，内部同样为水介质，上部开孔通大气，补偿由于光学窗口振动以及水与空气间折射率差所引起的系统误差。补偿腔6为圆柱腔，直径10mm，腔长20mm。

本发明的一种可溯源液体正弦压力校准装置的具体操作方法如下：

1)安装被校压力传感器，将主谐振管腔、次谐振管腔、补偿腔排气后充水；

2)打开激光干涉仪；

4)进行静态标定；

5)进行动态校准试验；

6)泄压，关闭仪器仪表，从而完成测试。