基于冲击切换的气体脉冲压力发生器及压力发生方法与流程

本发明属于计量测试技术领域，涉及一种基于冲击切换的气体脉冲压力发生器及压力发生方法。

背景技术：

脉冲压力发生器是脉冲压力动态校准主要的核心设备，提供一定动态幅值的符合脉宽要求的类似半正弦的压力脉冲，产生的脉冲压力可以对动态压力传感器/测试系统的动态灵敏度进行标定。现有的脉冲压力发生器基本都采用自由落锤冲击液压活塞的方式，主要用于高压、超高压动态校准，还存在使用安装操作不便、锤体易老化、压力脉宽控制困难、压力幅值重复性差、锤体与活塞多次碰撞造成压力波形振荡等问题。

技术实现要素：

针对现有脉冲压力动态校准中的不足：(1)、现有脉冲压力在无法覆盖中低压0.1mpa～10mpa的范围；(2)、现有落锤式脉冲压力发生器，锤体重量较大，活塞缸密封要求严格等因素，不便于操作和维护；(3)、现有脉冲压力发生器发生方法利用落锤方式产生，压力脉宽控制困难、压力幅值重复性差、锤体与活塞多次碰撞造成压力波形振荡等问题。本发明公开的基于冲击切换的气体脉冲压力发生器及压力发生方法要解决的技术问题是：提出一种基于冲击切换原理结构简单、小型的气体脉冲压力发生器，通过可控的方式准确调节脉冲压力波形、脉宽、幅值，满足测试现场中动态压力传感器的校准需求。所述测试现场包括发动机、炮弹、高速列车测试现场。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的基于冲击切换的气体脉冲压力发生器，主要由气源、气体稳压调压机构、激励源、活塞杆、活塞缸、弹簧、压力室和传感器组成。

活塞缸一侧开有与气体稳压调压机构连通的进气口，另一侧分别在中部开有进气口、下部开有排气口，活塞缸中部进气口用于与压力室排气口相连通，活塞缸下部排气口用于与压力室进气口相连通。活塞杆开有通孔。气源与气体稳压调压机构连通。气体稳压调压机构与活塞缸连通，活塞缸底部与活塞杆之间安装有支撑弹簧。活塞缸中部进气口与压力室排气口相连通。活塞缸下部排气口与压力室进气口相连通。活塞缸与气体稳压调压机构连通的进气口和活塞缸下部排气口位置对称。冲击激励源用于提供使活塞杆向下运动的激励力。压力传感器安装在压力室上，用于监测压力室内整个运动过程的压力变化，得到脉冲压力信号。基于冲击切换准确调节脉冲压力波形、脉宽、幅值，满足测试现场中动态压力传感器的校准需求。

冲击激励源通过手动冲击产生或通过电动冲击产生。

本发明公开的基于冲击切换的气体脉冲压力发生器的脉冲压力发生方法，包括如下步骤：

步骤一：当系统静止时，活塞杆由于弹簧支持力作用保持静止，此时活塞杆的通孔与压力室排气口相连通，压力室为大气压力；

步骤二：气源中高压气体通过气体稳压调压机构后，得到稳定的气流，流经活塞缸通向压力室；

步骤三：冲击激励源作用于活塞杆，使活塞杆向下运动，活塞杆的通孔与压力室下部进气口连通，压力室中部排气口被活塞杆截断；即活塞杆向下运动，压力室排气口被活塞杆截断，切断压力室与大气联接，活塞杆的通孔与压力室下部进气口连通，致使压力室压力不断升高。

步骤四：弹簧压缩变形恢复，使活塞杆向上运动，活塞杆的通孔与压力室排气口连通，通向大气；即活塞杆运动到底，弹簧与活塞杆静止，弹簧开始恢复形变，使活塞杆向上运动。当活塞杆上午通孔又与压力室排气口相连通时，压力室内压力下降。

步骤五：压力传感器监测压力室内整个运动过程的压力变化，得到脉冲压力信号，基于冲击切换准确调节脉冲压力波形、脉宽、幅值，满足测试现场中动态压力传感器的校准需求。

所述的脉冲压力信号调节方法如下：

脉冲压力信号的脉宽τ，由活塞杆和弹簧控制，符合如下公式：

式中，m为活塞杆的质量，k为弹簧刚度系数。

脉冲压力信号的幅值δp，由气源、稳压调压机构、活塞杆与压力室控制，符合如下公式：

式中，ρ为气体密度，q为气体流量，cd为流通孔流量系数一般取0.6～0.8，a为活塞杆与压力室流通孔截面面积。

通过改变激励源调节活塞杆位置，实现活塞杆与压力室通孔配合切换，进而调节脉冲压力脉宽，脉宽可控性强，波形稳定性高。

通过调节稳压调压结构，能够调节产生的脉冲压力幅值，幅值重复性高。

有益效果：

1、本发明公开的基于冲击切换的气体脉冲压力发生器及压力发生方法，采用活塞杆与压力室通孔配合切换的原理，与落锤式脉冲压力发生器相比，结构简单可靠，便于操作和后期维护。

2、本发明公开的基于冲击切换的气体脉冲压力发生器及压力发生方法，通过改变激励源调节活塞杆位置，实现活塞杆与压力室通孔配合切换，进而调节脉冲压力脉宽，脉宽可控性强，波形稳定性高；

3、本发明公开的基于冲击切换的气体脉冲压力发生器及压力发生方法，通过调节稳压调压结构，能够调节产生的脉冲压力幅值，幅值重复性高。

附图说明

图1基于冲击切换的气体脉冲压力发生器结构示意图；

图2产生的脉冲压力信号图。

其中，1—气源、2—气体稳压调压机构、3—激励源、4—活塞杆、5—活塞缸、6—弹簧、7—压力室、8—传感器。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示本实施例公开的基于冲击切换的气体脉冲压力发生器，由气源1、气体稳压调压机构2、激励源3、活塞杆4、活塞缸5、弹簧6、压力室7以及传感器8组成。活塞缸5一侧开有与气体稳压调压机构2连通的进气口，另一侧分别在中部开有进气口、下部开有排气口，活塞缸5中部进气口用于与压力室7排气口相连通，活塞缸5下部排气口用于与压力室7进气口相连通。活塞杆4开有通孔。气源1与气体稳压调压机构2连通。气体稳压调压机构2与活塞缸5连通，活塞缸5底部与活塞杆4之间安装有支撑弹簧6。活塞缸5中部进气口与压力室7排气口相连通。活塞缸5下部排气口与压力室7进气口相连通。活塞缸5与气体稳压调压机构2连通的进气口和活塞缸5下部排气口位置对称。冲击激励源3用于提供使活塞杆4向下运动的激励力。压力传感器8安装在压力室7上，用于监测压力室7内整个运动过程的压力变化，得到脉冲压力信号。基于冲击切换准确调节脉冲压力波形、脉宽、幅值，满足测试现场中动态压力传感器的校准需求。

本发明公开的基于冲击切换的气体脉冲压力发生器的脉冲压力发生方法，具体实现步骤如下：

步骤一：当系统静止时，活塞杆4的通孔与压力室7排气口相连通，通向大气，压力室7为大气压力；

步骤二：气源1中高压气体通过气体稳压调压机构2后，得到稳定的气流，流经活塞缸5通向压力室7；

上述操作中，气源1为压缩空气密度ρ＝23.382kg/m³，气体流量q＝1.759×10^-3m³/s，流通孔流量系数为常数，此处取cd＝0.6。

步骤三：冲击激励源3作用于活塞杆4，使活塞杆4向下运动，活塞杆4上通孔与压力室7进气口连通，压力室7排气口被活塞杆4截断，致使压力室7压力不断升高；

上述操作中，活塞杆4质量m＝0.1kg，活塞杆4与压力室7流通孔截面面积a＝1.26×10^-5m²

步骤四：弹簧6压缩变形恢复，使活塞杆4向上运动，活塞杆4上通孔与压力室7进排气口连通，通向大气，压力室7内压力下降；

上述操作中，弹簧6刚度系数k＝7×10³n/m。

步骤五：压力传感器8监测压力室7内整个运动过程的压力变化，见图2，根据公式(1)和(2)计算能够得到脉冲压力信号，脉冲压力幅值δp＝2.02mpa，脉宽τ＝23ms。

冲击激励源3的产生形式分为两种，一种手动产生，如用手工敲击，一种电动产生，如电机控制产生冲击。

通过改变激励源调节活塞杆4位置，实现活塞杆4与压力室7通孔配合切换，进而调节脉冲压力脉宽，脉宽可控性强，波形稳定性高。

通过调节稳压调压结构2，能够调节产生的脉冲压力幅值，幅值重复性高。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。