可消弱长距离线缆干扰的火箭发动机应变测量装置及方法与流程

本发明涉及应变测量技术，具体涉及一种可消弱长距离线缆干扰的火箭发动机应变测量装置及方法。

背景技术：

目前，在液体火箭发动机地面试验过程中，火箭发动机关键部件受到应力急剧变化而导致材料开裂以及推进介质泄露，进一步会导致试验失败。为了提高火箭发动机地面试验的成功率，通过应变测量装置可对火箭发动机(材料选择和结构设计)中出现的形变问题判断提供数据依据。

由于火箭发动机地面试验的特殊性和危险性，通常是将应变采集系统搭载在远离火箭发动机的地方，将应变片安装在火箭发动机的应变测点上，应变采集系统与火箭发动机应变测点上的应变片采用传输线缆进行信号传输。在应变测量过程中，由于应变采集系统与应变片之间的距离较远，传输线缆长度较长，传输线缆自身电阻会对应变信号带来干扰，影响测量结果；另外，由于应变片端获得的应变信号是通过传输线缆接入应变采集系统的应变放大器中，应变信号数字非常小，易受到外部电磁干扰，造成工频干扰(50hz)，在传输线缆与供桥电压线之间存在漏电容时，会在产生静电干扰。当干扰频率在所测动应变信号频率范围内时，其混入应变信号内造成假象，严重地影响测量结果，以及在干扰信号与被测信号大小相当，使正常的测量工作无法进行，给应变测量带来了一定的困难。因此，迫切需要设计一种应变测量技术，以减少干扰对测量结果的影响，提高测量数据的准确度。

技术实现要素：

为了解决现有应变测量装置中传输线缆自身电阻会对应变信号带来干扰，影响测量结果准确性的技术问题，本发明提供了一种可消弱长距离线缆干扰的火箭发动机应变测量装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种可消弱长距离线缆干扰的火箭发动机应变测量装置，包括应变片、线缆和应变仪，应变片设置在火箭发动机的应变测点上，线缆的两端分别与应变片和应变仪连接，其特殊之处在于：

所述线缆包括供源线缆和信号传输线缆；

所述供源线缆和信号传输线缆均采用绞扭结构；

所述信号传输线缆外层套设金属屏蔽套，且金属屏蔽套接地；

所述信号传输线缆的芯线与绝缘体之间或者绝缘体与金属屏蔽套之间设置石墨层。

进一步地，所述金属屏蔽套材质为低电阻金属。

进一步地，所述金属屏蔽套材质为铜或银或铝。

进一步地，所述金属屏蔽套的厚度为0.9mm～1.6mm。

进一步地，所述金属屏蔽套的厚度至少为芯线直径的20倍。

同时，本发明提供了一种可消弱长距离线缆干扰的火箭发动机应变测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将应变片设置在火箭发动机的应变测点上，应变仪通过信号传输线缆和供源线缆与应变片相连；

其中，所述供源线缆和信号传输线缆均采用绞扭结构；所述信号传输线缆外层套设金属屏蔽套，且金属屏蔽套接地；所述信号传输线缆的芯线与绝缘体之间或者绝缘体与金属屏蔽套之间设置石墨层；

2)应变仪采集火箭发动机表面材质变形后导致应变片的电阻变化量△r，按照下式计算火箭发动机表面的应变量ε：

式中，k为应变片的灵敏度系数，r为应变片的电阻值。

同时，本发明还提供了另外一种可消弱长距离线缆干扰的火箭发动机应变测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将应变片设置在火箭发动机的应变测点上，应变仪通过信号传输线缆和供源线缆与应变片相连；

其中，所述供源线缆和信号传输线缆均采用绞扭结构；所述信号传输线缆外层套设金属屏蔽套，且金属屏蔽套接地；所述信号传输线缆的芯线与绝缘体之间或者绝缘体与金属屏蔽套之间设置石墨层；

2)应变仪采集火箭发动机表面材质变形后导致应变片的电阻变化量△r，按照下式计算火箭发动机表面的实际应变量ε'；

式中，k'为修正灵敏度系数，k为应变片的灵敏度系数，r为应变片的电阻值，rl为所述线缆的电阻。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明将供源线缆进行绞扭，能有效消弱磁场干扰，将信号传输线缆进行绞扭，可消弱线缆干扰磁通的耦合面积，使线缆每一绞处的感应电流与下一绞处的感应电流相反，互相抵消，能有效的消除电磁和静电引入的干扰；以及在信号传输线缆外层套上金属屏蔽套，能防止静电干扰；并在信号传输线缆中增加石墨层，减小摩擦引起的干扰，可实现减小线缆干扰引起的测量误差，提高数据测量的准确性。

2、本发明测量方法在应变量计算过程中，对灵敏度系数k进行修正。考虑发动机试验实际情况，对应变量算法进行扩展，以达到与真实应变量相符，为发动机的试验设计提供更加真实进而可靠的数据支持。

附图说明

图1是本发明可消弱长距离线缆干扰的火箭发动机应变测量装置结构示意图一(未视出金属屏蔽套)；

图2是本发明可消弱长距离线缆干扰的火箭发动机应变测量装置结构示意图二(视出金属屏蔽套)；

图3是本发明可消弱长距离线缆干扰的火箭发动机应变测量装置结构中双绞线电磁效应示意图；

其中，附图标记如下：

1-应变片，2-线缆，21-供源线缆，22-信号传输线缆，23-金属屏蔽套，3-应变仪，4-火箭发动机，5-电源。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，一种可消弱长距离线缆干扰的火箭发动机应变测量装置，包括应变片1、线缆2、应变仪3和电源5，应变片1设置在火箭发动机4的应变测点上，并通过线缆2与应变仪3连接，电源5给应变仪3供电。

线缆2包括用于连接应变片1和应变仪3的供源线缆21、信号传输线缆22，为了消弱线缆2对应变片1获取应变信号传输的干扰，本发明采用以下技术：

一、对线缆2的设计

1)线缆绞扭:将供源线缆21进行绞扭，能有效消弱磁场干扰；将信号传输线缆22进行绞扭，可消弱线缆干扰磁通的耦合面积，使线缆每一绞处的感应电流与下一绞处的感应电流相反，见图3所示，互相抵消，能有效的消除电磁和静电引入的干扰。

2)屏蔽套:在信号传输线缆22外层套上金属屏蔽套23，能防止静电干扰，使通过漏电容的电流从屏蔽套上旁路，不再串入信号回路中。

3)低噪声电缆:在信号传输线缆22的芯线与绝缘体或者绝缘体与金属屏蔽套23之间加入石墨层，并将信号传输线缆紧固，可以减小摩擦引起的干扰。

静磁屏蔽是利用磁阻很小的强磁屏蔽材料，将干扰磁场限制在屏蔽体内，但不影响信号回路。电磁屏蔽主要是防止高频电磁场的影响，本实施例金属屏蔽套23采取低电阻金属材料作为屏蔽材料，使高频干扰信号在其上产生涡流损失来达到电磁屏蔽作用，例如金属屏蔽套23材质为铜或银或铝。金属屏蔽套23厚度愈厚，对频率愈高的干扰电流就有更好的抑制作用。本实施例中，金属屏蔽套23的厚度为0.9mm～1.6mm，优选为0.9mm或1mm或1.2mm。

4)信号传输线缆22与供源线缆21的距离:磁场强度与距离成反比，供源线缆21与信号传输线缆22的耦合电容随距离的加大而减小，可根据实际安装要求，尽可能增大信号传输线缆22与供源线缆21的距离。

采用上述线缆2设计，可消弱传输电缆带来的干扰，进而减少干扰引起的测量误差，为测量数据准确度提供技术保障。

二、消弱线缆2干扰的计算方法

在火箭发动机4地面试验应变测量过程中，传输线缆2较长时，传输线缆2自身固有阻值与应变片1电阻相比是不可忽略的，否则会带来应变采集系统的测量应变数据与真实数据存在误差。为了减小传输线缆2自身阻值对测量数据的影响，本发明对传输线缆2的干扰进行消弱，具体设计如下：

假设火箭发动机4表面材质发生形变后的数值，在不考虑传输线缆2自身阻值情况下，则表示为

式中，ε为形变的应变量；△r为火箭发动机4表面材质变形后导致应变片(电阻片)的电阻变化量,r为应变片的电阻值；k为应变片的灵敏度系数；

而正常测量情况下传输线缆2阻值已与桥臂串连，则形变后的应变量ε'为：

式中，rl为与应变片两头连接的两根导线的总电阻；

若要计算出长传输线缆2应变量ε'仍能与火箭发动机4表面材质的应变量ε相等，则

式中，k'为修正灵敏度系数；

从上式可以看出,在选用较长的传输线缆2时，灵敏度系数k值必须修正，才能使应变量ε'与真实应变量ε相等，因此实际应变量ε'计算公式如下：

由于现有传输线缆2自身电阻会给应变信号带来静电干扰和电磁干扰，静电干扰和电磁干扰引起测量误差，测量数据准确性较低。本实施例在对电缆2进行消除干扰设计后，再通过对灵敏度系数k修正，使得修正后数值与火箭发动机4表面材质的应变量相等，消除干扰对测量结果的影响，提高测量数据的准确度，为火箭发动机4本身机械结构设计试验数据的真实可靠性供了有力保障，有效的解决了小信号测量中的干扰问题。本实施例装置及修正方法经过多次试验验证效果显著，工艺及设计方法科学，使用简单，系统便于扩展，对火箭发动机试验测量可靠性提供着重要的意义。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。