液压脉动、空化流动、发动机喘振失速、风洞试验及爆炸冲击等研究中,通常需要了解瞬变工况下的压力数据,“高频压力测试系统”便是专门为这类试验及监测提供解决方案。
01系统组成
1、压阻式高频动态压力传感器
2、信号放大器
3、数据采集仪
4、采集软件及电脑
02压阻式高频动态压力传感器
压阻式高频动态压力传感器:基于当下最先进的微机电(MEMS)技术,在硅片表面刻蚀形成惠斯顿电桥,当受到外界压力时,输出线性对应的电信号从而实现测量。MEMS技术有助于实现传感器整体的小型化,最小2mm的封装探头便于在各种空间有限的环境下安装;更小的尺寸同时有助于提高传感器的谐振频率,以满足kHz、100kHz甚至MHz频率变化下的数据感应,达到μS(微秒)级别快速响应。
相对于压电式动压传感器,压阻式动态压力传感器不仅能测量瞬态压力(高频信号),亦可测量静态下的稳定压力(低频信号),可实现试验全过程压力数据的连续性!
03信号放大器信号放大器:
主要作用是将传感器输出的原始mV(毫伏)信号放大为0~5V或0~10V标准信号以方便采集,同时内置一些滤波降噪器件以增强抗干扰能力。“传感器探头+信号放大器”整体(即压力变送器)实物参考下图:
备注:大尺寸传感器可将信号放大器与传感器探头集成为一体,如下图:
04数据采集仪
高频动态信号的采集需要选用高速同步(并行)数据采集仪器,即多个通道同时快速采样。明确试验工况后,选用采集仪主要关注以下几个参数:
1、数据接口形式:
常见的有USB、PCI、PXI等多种接口,不同的总线接口具有不同的传输速度、电气特性、结构尺寸、配置过程等。
2、采样速率:
系统的采样率取决于ADC芯片变换模拟信号为数字信号的速率,通常单位是SPS(采样点/秒)。根据奈奎斯特采样理论,采样频率必须是信号中高有效频率的2倍以上,否则会产生混叠导致信号失真,俗称“假频”。实际工程应用,可能需要仔细观察分析信号的细节,通常建议选用高采样率大于信号高频率分量的5~10倍。
3 分辨率及采样范围(量程)
分辨率越高,输入信号的细分程度就越高,能够识别的信号变化量就越小。举个实例:一个正弦波信号,采用分辨率为8bit,A/D转换所获得的数字结果相当于把输入范围细分为256份,一些微小细节变化在A/D转换过程中就会丢失,这正是由于分辨率不够高,在还原数据中产生量化噪声造成的。若采用分辨率为16bit,A/D转换的细分数值就可以从256增加到65536,由理想ADC数据转换器的信噪比SNR值的计算公式:SNR=(6.02N+1.76)dB(其中N为ADC转换器的bit位数)可知量化位数越多信噪比就越高。
采集仪采集范围又称为采集量程,例如采集电压信号,范围为-10V~10V,则系统中传感器输出信号在此范围之内即可适配。如输入信号0~10V,分辨率16bit,则最小分辨电压值为10V/65536=153μV。
4 其他参数:
输入阻抗、输出阻抗、通道数、信号线数、隔离等技术问题也需要考虑,这些都与传感器和信号调理密切相关,必须结合考虑。
5 选型概述
在上述各指标选定以后,用户可根据“功能够用”的原则,选择符合要求的采集仪。不要盲目购买价格贵、功能超强的设备。
采集仪器参考下图:
05采集软件及电脑
软件基于主流测试测量平台Labview开发,无需复杂编程即可完成信号采集、存储、回放及分析等功能。
软件基础功能:采集预览、数据采集、数据回放、零位清零!
备注:可扩展诸如时频分析等数据处理功能!