压力传感器动态标定设备——激波管

2019-07-26
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摘要 激波管是压力传感器校准的核心设备,用来产生平面激波。所谓激波,是气体某处压力发生突然变化,压力波高速传播。波的速度与压力变化强弱有关,压力变化越大,波速越高。

  激波管是压力传感器校准的核心设备,用来产生平面激波。所谓激波,是气体某处压力发生突然变化,压力波高速传播。波的速度与压力变化强弱有关,压力变化越大,波速越高。传播过程中,波阵面到达某处,该处气体压力、密度和温度都发生突变;波阵面未到处,气体不受波的扰动;波阵面过后,波阵面后面的气体温度、压力都比波阵面前面的髙,气体粒子向波阵面前进的方向流动,其速度低于波阵面前进速度。

  激波波阵面很薄,它与分子平均自由路程处于同一数量级。在试验中,激波的厚度足可以忽略不计。气体压力由波前压力跃升到波后的压力只需要10-8~10-9s。

  激波管的结构如下图所示。

激波管结构简图

  其基本结构为一个圆形或方形断面的直管,中间用膜片隔分为两段。一段为高压段,一段为低压段。用破膜针刺破膜片,高压段气体就向低压段挤过去,形成向低压段的激波,两气体接触面也向低压段前进,前进速度低于激波。下图示出了激波管各工作阶段示意图。激波管高压和低压段的气体,可以是空气-空气、氮气-空气等。

激波管各工作阶段示意图

  图(a)为破膜前的压力状况。(b)为破膜后的压力状况。在低压段,激波以超音速向右推进,其速度为W。激波未到处,压力P1保持不变,激波后面至接触面间的压力为P2(P1﹤P2﹤P3),激波后面的气体也向低压段运动,与接触面等速。接触面与激波的速度差(w-u2)小于该点气体声速。

  在高压段,破膜时膜片附近产生稀疏波,以该处声速向左(与激波反向)传播。稀疏波经过的点,压力下降为p4(p4=p2),即稀疏波右段和激波左段气体压力相等,速度相同,但以接触面为分界线。两边气体温度不同,靠近激波一侧,因压力跃升过程气体受压缩导致温度升高,随之,该处声速升高;靠近稀疏波一侧的气体,因气体膨胀导致温度下降,该处声速随之降低。

  稀疏波到达高压段端部并被反射从左向右传播的过程如图(c)所示。在稀疏波前面,压力仍为原来的值九,稀疏波后降至p6(p6﹤p4)。稀疏波波速为该地声速与该地气流速度的和,它高于激波速度,如果激波管足够长,则稀疏波将追上激波。

  图(d)示出了稀疏波赶上了激波的情况。

  减小激波管的长度,使稀疏波赶上激波前,激波则已到达右端面并被反射。若右端刚性封闭,那么反射波仍为激波,在反射激波前(左端)压力保持为原值p2,激波后面到右端面之间压力升高到p5(p5﹤2P2)如图(e)所示。若右端面是开口的,则当激波冲出管口时会向管内反射一个稀疏波,如图(f)所示。

  下表列出的部分激波管压力数据,其中,p4是高压室压力,p2是激波压力,p1是低压室压力。

部分激波管压力数据

  若将传感器安装于激波管侧壁上,则将感受p2-p1的阶跃压力;若安装于低压端面,则所感受的压力为p5-p1

  在设计时,应考虑激波管的强度和减震要求。传感器的安装位置分端面安装和低压段侧面安装。侧面安装点靠近膜片,则压力p2的作用时间可延长。但因为破膜后激波要经过一定距离才可形成,故也不能太靠近膜片,经验安装点一般距膜片10〜20倍内径的距离。这种安装方式阶跃压力幅值不大,但与某些实际测压情况类似,故仍普遍采用。端面安装则阶跃压力幅值高,压力上升时间短,且压力作用面非常均匀,是一种通常采用的安装方式。

  激波管所用膜片随压力范围而改变。压力很低时用纸片,中等程度压力可用各种塑料膜片,高低时用铜、铝等金属膜片。

  破膜方式可采用超压自然破膜,也可用撞针或刺刀击破。

  激波管内波速可用光学方法测定,也可用激波通过贴有薄膜电阻片的两点间(距离已知)所用时间来求得。

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