CN111220322B - 一种负阶跃校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结构简单，产生良好负阶跃压力信号的压力传感器校准装置。该装置采用固态或液态二氧化碳吸热变为气体破膜时产生负阶跃压力信号的原理来校准传感器。一种负阶跃校准装置由上盖、螺栓、腔体、电极、泄压口、膜片、膜片压螺、电热丝、支架、充装口、阀芯、固态或液态二氧化碳等组成。本装置可以通过改变膜片的厚度和装置内充装二氧化碳的多少来产生不同的负阶跃信号，益于压力传感器的校准，同时能够有效保护实验装置和实验环境。且实验成本低，操作简便，无污染，实验效果好，适合实际中的实验场所。

Description

一种负阶跃校准装置

技术领域

本发明属于非标仪器实验校准领域，具体为一种负阶跃校准装置。

背景技术

随着航空航天技术发展和武器工业、机器人工业生产需要,压力传感器作为测试中的关键部件需求巨大，对于压力传感器校准也就十分必要。目前仅对压力传感器进行静态校准远远不能满足要求,实际工业生产或科学研究中压力传感器受到动态载荷的情况要远多于静态和准静态过程,所以对压力传感器的动态校准评估极其重要。阶跃响应试验是压力传感器动态校准研究的良好方法。

当前成熟技术中,产生正阶跃载荷或负阶跃载荷的技术有大致有以下几种途径：一、采用激波管形成0.05MPa-10MPa的正阶跃压力,具体产生的阶跃载荷还需要考虑力传感器的参考面积,适用于低量程的压力传感器的动态标定；二、采用剪钢丝绳的方法形成负阶跃载荷,目前通过手动剪断很难保证瞬时效果以及稳定性,例如采用电气开关进行切断,提高剪切速度;或将标准质量块电磁化,通过电磁来替代常规的钢丝绳,从而提高响应速度,增加稳定性；三、采用基于帕斯卡原理的气动冲击法,通过气缸瞬时压力将推杆作用在待测传感器上,来形成正阶跃载荷；四、采用脆性材料瞬时断裂的模式来进行卸载,形成负阶跃载荷，这类装置刚好与激波管特性进行互补,其压力上升时间比激波管慢,较容易获得传感器的低频特性,其所能达到的幅值远高于激波管,平台压力持续时间也远高于激波管。

小型实验室若要进行中等载荷范围的传感器动态标定,通常采用常规手工剪断的形式以及脆性材料断裂的形式来实现阶跃载荷的产生。但是对于采用电磁的形式以及气缸的气动冲击来实现则比较困难,对试验场地和试验成本的要求就大幅度提升,因此很难用于实际的试验场所。

发明内容

本发明提供一种负阶跃校准装置。其结构简单、能够产生丰富的频率信号和幅值信号对传感器进行校准，同时还能够获得传感器在高压下的动态参数并进行高压条件下的校准。本发明适合实际中的实验场所。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种负阶跃校准装置，包括上盖和腔体，上盖安装在腔体上方开口处，上盖上设置安装压力传感器的安装通孔，腔体一侧壁上开有两个电极通孔，两个电极分别通过一个电极通孔穿过腔体侧壁进入腔体内部，电极与腔体绝缘，两个电极在腔体内部的端部之间连接电热丝；腔体另一侧壁上开有阶梯状通孔和二氧化碳充装口，阶梯状通孔中口径小的通孔和腔体内部直接连通，二氧化碳充装口和阶梯状通孔中口径大的通孔连通，阶梯状通孔中口径大的通孔内设置有阀芯将该通孔封堵，腔体底部设有阶梯状泄压口，阶梯状泄压口中口径小的泄压口与腔体内部直接连通，阶梯状泄压口中口径大的泄压口内设置膜片并通过中通的膜片压螺顶压膜片将该泄压口封住，整个校准装置由支架支撑。

实验时，在安装通孔中安装上高精度传感器和被校传感器。此时，腔体与泄压口处的脆性金属膜片共同围成一个密闭的空室。将液态二氧化碳充装在该空室内，充装过程为：向外退阀芯，直到二氧化碳充装口和梯状通孔中口径小的通孔连通，通过充装口向密闭的空室内充装液态二氧化碳，充装完毕后关闭阀芯。对两电极通电，电热丝逐渐发热并缓慢加热腔体内的液态二氧化碳使之逐渐变成气体。在二氧化碳气体破膜之前，装置内的压力会逐渐增长到很高。因此，本发明可对压力传感器进行高负阶跃的校准。

当腔体内的高压超过膜片的剪切强度时，膜片发生剪切破裂，二氧化碳气体通过泄压口迅速排出，使生成的负阶跃压力信号具有陡峭的后沿，产生丰富的频率信号，能够达到良好的负阶跃校准效果。

上述的一种负阶跃校准装置，膜片压螺内通孔口径与该阶梯状泄压口口径小的泄压口口径一样大，这样设计是为了让破膜的高压二氧化碳气体瞬间大量逸出。

上述的一种负阶跃校准装置，膜片压螺的上端面采用V型槽设计，V型槽内沿比外沿高出0.2-0.5mm，V型槽内沿接触膜片。膜片压螺采用V型槽设计，其内沿（靠近通孔处为内沿）比外沿高出0.2-0.5mm，膜片在与V型槽作用的被挤压处会产生局部的应力集中，在承受内部的高压后更容易破膜，且破膜时剪切的膜片部分会被整个吹出，而不是将膜片击穿成开花的形状的小孔，这样更利于二氧化碳气体瞬间大量快速涌出。

上述的一种负阶跃校准装置，腔体上方开口，腔体上方开口处由螺栓安装上盖，安装通孔设置在上盖上。二氧化碳可以是固态也可以是液态。若二氧化碳为固态，充装过程为：打开上盖，关闭阀芯，将固态二氧化碳放入空室内，再盖上上盖，拧紧螺栓；若二氧化碳为液态，则充装过程为：向外退阀芯，直到二氧化碳充装口和梯状通孔中口径小的通孔连通，通过充装口向密闭的空室内充装液态二氧化碳，充装完毕后关闭阀芯。

上述的一种负阶跃校准装置，上盖上以圆周形状均匀安装4支压力传感器：其中有一只高精度传感器、三支被校传感器或三支高精度传感器、一支被校传感器，实现一支校三支或三支校一支的实验目的。

上述的一种负阶跃校准装置，压力传感器都为压电式压力传感器。采用二氧化碳吸热变为气体破膜产生负阶跃压力信号的来激励压电式压力传感器。由于压电晶体自身特性，静压产生的电荷容易泄漏，因此压电式传感器对于静压不敏感，测静压时不管压电晶体受压与否，压力有多大，都没有信号输出，所以不能用于静态测量，只能测量动压。

上述的一种负阶跃校准装置，上盖和腔体之间安装有密封垫，密封垫起到密封作用。

上述的一种负阶跃校准装置，膜片压螺上有外螺纹，膜片压螺与阶梯状泄压口螺纹连接，阀芯上有外螺纹，阀芯与阶梯状通孔螺纹连接。

上述的一种负阶跃校准装置，阀芯上装有O型圈，O型圈起到密封作用。

上述的一种负阶跃校准装置，可以通过改变膜片的厚度和装置内充装二氧化碳的多少来产生不同的负阶跃信号，这样对压力传感器的校准是有益的，同时，这种对实验的可控能有效保护实验装置和实验环境。

该发明的优点：1、通过把被校准传感器和高精度传感器安装在同一环境中，使两者所受到压力一致，提高校准的精度和测试的精度；2、可以通过改变膜片的厚度和装置内充装二氧化碳的多少来产生不同的负阶跃信号，这样对压力传感器的校准是有益的，同时，这种对实验的可控能有效保护实验装置和实验环境；3、采用固态或液态二氧化碳吸热变为气体破膜时产生负阶跃压力信号的原理来校准传感器，二氧化碳化学性质显惰性，吸热效率高，吸热反应迅速，破膜实验成功率极高，产生负阶跃的信号良好，校准装置设计合理；4、实验成本低，装置简单，操作简便，无污染，实验效果好；5、对压力传感器的负阶跃校准效果较好，同时还有对压力传感器在高压环境下校准的过程；6、膜片压螺的V型槽设计是一个亮点，V型槽压紧膜片后会使膜片的被挤压处产生局部的应力集中，在承受内部的高压后更容易剪切破膜，且破膜时剪切的膜片部分会被整个吹出，而不是将膜片击穿成开花的形状的小孔，这样更利于二氧化碳气体瞬间大量快速涌出以产生良好的负阶跃压力信号。

本发明装置以合理，适于实验室操作，二氧化碳易于获得且比较安全，没有污染，通过固态或液态二氧化碳吸热变为气体破膜时产生负阶跃压力信号的原理，实现对压力传感器的负阶跃校准。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为具有特殊形状设计的膜片压螺的结构示意图。

图中：1-压力传感器，2-上盖，3-密封垫，4-螺栓，5-腔体，6-电极，7-泄压口，8-膜片，9-膜片压螺，10-电热丝，11-支架，12-充装口，13-阀芯，14-O型圈，15-固态或液态二氧化碳，16-V型槽。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种负阶跃校准装置由上盖2、密封垫3、螺栓4、腔体5、电极6、泄压口7、膜片8、膜片压螺9、电热丝10、支架11、充装口12、阀芯13、O型圈14、固态或液态二氧化碳15组成。上盖2可以圆周形状地安装四支压力传感器。上盖2通过螺栓4与腔体5相连，并在上盖2和腔体5间装有密封垫3密封。腔体5一侧有电极6穿过，两电极6在装置内部由电热丝10连接；腔体5另一侧壁上开有阶梯状通孔和二氧化碳充装口12，阶梯状通孔中口径小的通孔和腔体5内部直接连通，二氧化碳充装口12和阶梯状通孔中口径大的通孔连通，阶梯状通孔中口径大的通孔内设置有阀芯13将该通孔封堵，腔体5底部设有阶梯状泄压口7，阶梯状泄压口7中口径小的泄压口与腔体5内部直接连通，阶梯状泄压口7中口径大的泄压口内设置膜片8并通过中通的膜片压螺9顶压膜片将该泄压口封住。膜片压螺9采用大直径中通设计和V型槽16设计。

a.所述的泄压口7处放置一脆性金属膜片8，并用膜片压螺9固定住。此时，上盖2、腔体5与泄压口7处的脆性金属膜8片共同围成一个密闭的空室。将固态或液态二氧化碳15充装在该空室内，若二氧化碳15为固态，充装过程为：打开上盖2，关闭阀芯13，将固态二氧化碳放入空室内，再盖上上盖2，拧紧螺栓4，上盖2和腔体5间有密封垫3起密封作用；若二氧化碳15为液态，则充装过程为：打开阀芯13，通过充装口12向密闭的空室内充装液态二氧化碳，充装完毕后关闭阀芯13，阀芯13内侧装有O型圈14，O型圈14起到密封作用。安装好高精度传感器和被校传感器后，对两电极6通电，电热丝10逐渐发热并加热装置内的固态或液态二氧化碳15使之逐渐变成气体。在二氧化碳气体破膜之前，装置内的压力会逐渐增长到很高。因此，本发明可对压力传感器进行高压环境下的校准。

b.所述的膜片8因装置内二氧化碳气体压力的升高而超过其能够承受的极限强度瞬间发生破裂，二氧化碳气体通过泄压口7和膜片压螺9的中通部分逸出。膜片压螺9采用V型槽16设计，其内沿比外沿高出0.2-0.5mm，膜片8在与V型槽16作用的被挤压处会产生局部的应力集中，在承受内部的高压后更容易破膜，且破膜时膜片8部分会被整个击落，而不是将膜片击穿成开花的形状的小孔，这样更利于二氧化碳气体瞬间大量快速涌出；膜片压螺9还采用大直径中通设计，该中通与泄压口7的开口一样大，这样设计也是为了让破膜的高压二氧化碳气体瞬间大量逸出，使生成的负阶跃压力信号具有陡峭的后沿，产生丰富的频率信号，能够达到良好的负阶跃校准效果。

Claims (10)

1.一种负阶跃校准装置，其特征在于包括腔体（5），腔体（5）上方设置安装压力传感器（1）的安装通孔，腔体（5）一侧壁上开有两个电极通孔，两个电极（6）分别通过一个电极通孔穿过腔体（5）侧壁进入腔体（5）内部，电极（6）与腔体（5）绝缘，两个电极（6）在腔体（5）内部的端部之间连接电热丝（10）；腔体（5）另一侧壁上开有阶梯状通孔和二氧化碳充装口（12），阶梯状通孔中口径小的通孔和腔体（5）内部直接连通，二氧化碳充装口（12）和阶梯状通孔中口径大的通孔连通，阶梯状通孔中口径大的通孔内设置有阀芯（13）将该通孔封堵，腔体（5）底部设有阶梯状泄压口（7），阶梯状泄压口（7）中口径小的泄压口与腔体（5）内部直接连通，阶梯状泄压口（7）中口径大的泄压口内设置膜片（8）并通过中通的膜片压螺（9）顶压膜片将该泄压口封住，整个校准装置由支架（11）支撑。

2.根据权利要求1所述的一种负阶跃校准装置，其特征在于膜片压螺内通孔口径与该阶梯状泄压口（7）口径小的泄压口口径一样大。

3.根据权利要求2所述的一种负阶跃校准装置，其特征在于膜片压螺（9）的上端面采用V型槽（16）设计，V型槽（16）内沿比外沿高出0.2-0.5mm，V型槽（16）内沿接触膜片（8）。

4.根据权利要求3所述的一种负阶跃校准装置，其特征在于腔体（5）上方开口，腔体（5）上方开口处由螺栓（4）安装上盖（2），安装通孔设置在上盖（2）上。

5.根据权利要求4所述的一种负阶跃校准装置，其特征在于上盖（2）上以圆周形状均匀安装4支压力传感器（1）：其中有一只高精度传感器、三支被校传感器或三支高精度传感器、一支被校传感器，实现一支校三支或三支校一支的实验目的。

6.根据权利要求5所述的一种负阶跃校准装置，其特征在于压力传感器（1）都为压电式压力传感器。

7.根据权利要求4或5或6所述的一种负阶跃校准装置，其特征在于上盖（2）和腔体（5）之间安装有密封垫（3），密封垫（3）起到密封作用。

8.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种负阶跃校准装置，其特征在于膜片压螺（9）上有外螺纹，膜片压螺（9）与阶梯状泄压口（7）螺纹连接，阀芯（13）上有外螺纹，阀芯（13）与阶梯状通孔螺纹连接。

9.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种负阶跃校准装置，其特征在于阀芯（13）上装有O型圈（14），O型圈（14）起到密封作用。

10.根据权利要求4或5或6所述的一种负阶跃校准装置，其特征在于通过改变膜片的厚度和装置内充装二氧化碳的多少来产生不同的负阶跃信号，这样对压力传感器的校准是有益的。

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