固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用高頻響壓力傳感器設(shè)計(jì)①

李 煒，鄧勇生，趙中兵

(中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十四所，西安 710025)

0 引言

隨著固體發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力變化也提出了越來越高的要求，隨之帶來的是對(duì)壓力傳感器的頻率響應(yīng)要求也越來越高?，F(xiàn)有的0～100 Hz、0～200 Hz頻率范圍的壓力傳感器在使用過程中存在某些壓力點(diǎn)值丟失現(xiàn)象，已難以滿足使用需求，目前越來越多的壓力傳感器要求其頻率響應(yīng)超過1 kHz。同時(shí)對(duì)傳感器的頻帶范圍內(nèi)及頻帶外的2倍頻程范圍內(nèi)衰減值也提出了相應(yīng)的要求，要求在頻帶內(nèi)帶內(nèi)不平度不大于1 dB，頻帶外帶外衰減不小于35 dB/oct。國(guó)內(nèi)目前大多數(shù)的壓力傳感器設(shè)計(jì)時(shí)其頻率響應(yīng)范圍均按照0～100 Hz、0～200 Hz進(jìn)行設(shè)計(jì)，且對(duì)頻帶內(nèi)及頻帶外指標(biāo)未做要求，故難以滿足要求。而國(guó)外同類型壓力傳感器雖然響應(yīng)頻率可以達(dá)到1 kHz以上，但是頻帶內(nèi)及頻帶外指標(biāo)則不能滿足。

本文以硅壓阻壓力傳感器為基礎(chǔ)，通過對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，同時(shí)在傳感器電路設(shè)計(jì)中加入了時(shí)間連續(xù)型高階濾波器設(shè)計(jì)，提出并設(shè)計(jì)了一種頻率響應(yīng)超過1 kHz，同時(shí)在頻帶內(nèi)帶內(nèi)不平度不大于1 dB，頻帶外帶外衰減不小于35 dB/oct的壓力傳感器，該傳感器可參與到控制系統(tǒng)。

1 傳感器組成及工作原理

傳感器的組成見圖1，主要由壓力接口、敏感芯體、信號(hào)調(diào)理板、殼體、濾波板、上蓋、電連接器組成。其中敏感芯體是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為mV級(jí)的電壓信號(hào)，然后通過信號(hào)調(diào)理板將mV級(jí)的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大至V級(jí)電壓信號(hào)；濾波板保證輸出的V級(jí)電壓信號(hào)在頻帶內(nèi)帶內(nèi)不平度不大于1 dB，頻帶外帶外衰減不小于35 dB/oct，最后通過電連接器輸出；殼體、上蓋等將信號(hào)調(diào)理板、濾波板等封裝在傳感器內(nèi)部。

傳感器工作原理框圖見圖2。

敏感芯體是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的關(guān)鍵部件，采用的是硅壓阻式測(cè)壓原理，主要由基體、波紋膜片及芯片組成，基體作為結(jié)構(gòu)體承受被測(cè)壓力，波紋膜片將被測(cè)壓力傳遞到芯片，芯片直接感應(yīng)被測(cè)壓力。芯片是通過化學(xué)腐蝕方法在硅材料膜片上加工出惠斯通電橋，當(dāng)受力后惠斯通電橋的橋臂電阻會(huì)隨著壓力的不同發(fā)生變化，給惠斯通電橋供電后，可通過測(cè)試相對(duì)橋臂電壓變化來反應(yīng)壓力變化，最終將壓力信號(hào)以電信號(hào)的形式輸出[1-2]。

惠斯通電橋的4個(gè)橋臂電阻分別記為R1、R2、R3、R4(R1、R3相對(duì)布置，R2、R4相對(duì)布置)，其輸出電壓與激勵(lì)電壓的關(guān)系式[3-4]：

(1)

2 固體發(fā)動(dòng)機(jī)用壓力傳感器技術(shù)難點(diǎn)

固體發(fā)動(dòng)機(jī)用壓力傳感器與前期普通的壓力傳感器相比，存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

(1)傳感器高頻響要求

普通的壓力傳感器的設(shè)計(jì)頻響一般為0～100 Hz或者0～200 Hz，甚至更低，原因是傳感器的頻響不但與引壓結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，同時(shí)后端信號(hào)調(diào)理電路、濾波電路等也對(duì)傳感器的頻響有決定性影響。本傳感器要求的頻率響應(yīng)范圍為不小于1 kHz，遠(yuǎn)超過普通壓力傳感器的頻率響應(yīng)范圍，是固體發(fā)動(dòng)機(jī)用壓力傳感器的難點(diǎn)之一。

(2)傳感器頻帶內(nèi)/外幅頻特性要求

一般情況下壓力傳感器對(duì)頻帶內(nèi)/外幅頻特性均不作要求，而隨著固體發(fā)動(dòng)機(jī)壓力傳感器參與控制，要求傳感器在頻帶內(nèi)帶內(nèi)不平度不大于1 dB，頻帶外帶外衰減不小于35 dB/oct，這便對(duì)后端濾波電路提出了較高要求，同時(shí)由于后端濾波電路的Q值對(duì)電阻、電容等器件的實(shí)際值變化很敏感，而Q值直接影響濾波器的頻帶內(nèi)/外幅頻特性，因此也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。

(3)傳感器高可靠性要求

由于此類壓力傳感器會(huì)參與控制，因此要求傳感器具有高可靠性，而傳感器的可靠性影響因素來自各個(gè)方面，為了實(shí)現(xiàn)傳感器的高可靠性，則需要從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試、試驗(yàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)控制，同樣是固體發(fā)動(dòng)機(jī)用壓力傳感器的難點(diǎn)之一。

3 技術(shù)難點(diǎn)解決方案及驗(yàn)證結(jié)果

3.1 傳感器高頻響設(shè)計(jì)

要滿足傳感器的頻響要求，需要從三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：一是壓力敏感芯體需滿足頻響要求，二是傳感器電路需滿足頻響要求，三是傳感器的引壓結(jié)構(gòu)需要滿足頻響要求。若其中一個(gè)條件不滿足頻響要求，都會(huì)導(dǎo)致傳感器的頻響不滿足要求[5-6]。

3.1.1 敏感芯體頻響設(shè)計(jì)

敏感芯體采用的測(cè)壓原理為硅壓阻測(cè)量原理，此種測(cè)量原理的頻響可以達(dá)到10 kHz以上，同時(shí)該傳感器采用的測(cè)壓充油組件經(jīng)實(shí)測(cè)其頻響可以到達(dá)4 kHz以上，是可以滿足使用要求的。

3.1.2 傳感器電路頻響設(shè)計(jì)

傳感器電路包含三部分：穩(wěn)壓源電路、信號(hào)放大電路、時(shí)間連續(xù)型高階濾波電路。穩(wěn)壓源電路給敏感芯體提供工作電壓；信號(hào)放大電路將敏感芯體輸出的mV級(jí)信號(hào)放大為0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，采用的是儀表放大器INA326EA，如圖3所示。INA326EA的頻響范圍大于1 kHz，在其信號(hào)輸入端不進(jìn)行R/C濾波處理，以保證信號(hào)經(jīng)INA326EA放大后其頻響不小于1 kHz，同時(shí)在其輸出端采用R/C(圖中R4/C5)濾波設(shè)計(jì)，其頻響大于3.5 kHz；時(shí)間連續(xù)型高階濾波電路采用巴特沃茲八階低通濾波器，該濾波器通過一四運(yùn)放OPA4277實(shí)現(xiàn)。

巴特沃茲八階低通濾波器的特點(diǎn)是帶內(nèi)不平度小于1 dB，帶外衰減大于40 dB。時(shí)間連續(xù)型高階濾波電路的設(shè)計(jì)原理圖見圖4，通過調(diào)節(jié)圖4中的電阻R和電容C的值，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶內(nèi)不平度和帶外衰減的調(diào)節(jié)[7-8]。

對(duì)傳感器的頻響影響最大的是時(shí)間連續(xù)型高階濾波電路的頻響及信號(hào)放大電路的頻響，在對(duì)傳感器電路頻響設(shè)計(jì)時(shí)主要是通過對(duì)時(shí)間連續(xù)型高階濾波電路的頻響及信號(hào)放大電路的頻響兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)信號(hào)放大電路頻響設(shè)計(jì)

信號(hào)放大電路主要由INA326EA組成，通過INA326EA的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以得出該信號(hào)放大電路的頻響大于1 kHz，因此也是可以滿足設(shè)計(jì)要求的，仿真圖見圖5。

(2)時(shí)間連續(xù)型高階濾波電路的頻響設(shè)計(jì)

時(shí)間連續(xù)型高階濾波電路采用八階低通有源濾波器，是由一個(gè)四運(yùn)放OPA4277搭成的巴特沃茲濾波器，通過仿真可知該時(shí)間連續(xù)型高階低通濾波器的頻響范圍為0～1.1 kHz，滿足頻響要求，仿真圖見圖6。

3.1.3 傳壓結(jié)構(gòu)頻響設(shè)計(jì)

傳感器的傳壓結(jié)構(gòu)為一15 mm×φ4 mm的傳壓管，傳壓管的末端有一1.5 mm×φ13 mm的腔室，此種傳壓結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)數(shù)學(xué)模型為[9]

式中f為傳壓結(jié)構(gòu)的頻響；L為傳壓管的長(zhǎng)度；a為聲速；A為傳壓管橫截面積；V為傳壓管末端腔室的體積。

將相關(guān)尺寸帶入上述數(shù)學(xué)模型，經(jīng)計(jì)算，此結(jié)構(gòu)的響應(yīng)頻率約為3.38 kHz，大于要求的1 kHz的頻響要求，因此也滿足傳感器的頻響設(shè)計(jì)要求。

3.1.4 頻響設(shè)計(jì)結(jié)論

通過以上對(duì)各個(gè)部分的頻響進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，可以得出各個(gè)部分的頻率響應(yīng)均大于1 kHz，滿足0～1 kHz的頻響要求。

3.2 傳感器頻帶內(nèi)/外幅頻特性設(shè)計(jì)

本傳感器要求在頻帶內(nèi)帶內(nèi)不平度不大于1 dB，頻帶外帶外衰減不小于35 dB/oct，這一要求主要通過傳感器的電路來保證。經(jīng)分析，這一指標(biāo)取決于時(shí)間連續(xù)型高階濾波器電路，在設(shè)計(jì)中時(shí)間連續(xù)型高階濾波器是通過一個(gè)四運(yùn)放組成的巴特沃茲低通有源濾波器，其帶內(nèi)/外幅頻特性仿真結(jié)果見圖7～圖8，其帶內(nèi)不平度為-0.8 dB，2倍頻程帶外衰減為-37 dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.3 傳感器高可靠性設(shè)計(jì)

為滿足高可靠性要求，傳感器在設(shè)計(jì)中需要從結(jié)構(gòu)、電路、調(diào)試、試驗(yàn)各個(gè)方面加以考慮。傳感器結(jié)構(gòu)件及敏感芯體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均具有超過5倍的冗余設(shè)計(jì)，可靠性高；電路中由于濾波電路的Q值對(duì)電阻、電容等器件的實(shí)際值變化很敏感，而Q值直接影響濾波器頻帶內(nèi)/外幅頻特性，因此在設(shè)計(jì)中除了采取冗余設(shè)計(jì)外，在實(shí)際電路搭建過程中還要求通過仿真計(jì)算結(jié)合實(shí)測(cè)的方式來完成，具體為根據(jù)仿真計(jì)算及實(shí)測(cè)值的不同實(shí)時(shí)調(diào)整電阻、電容等器件的實(shí)際值，修正參數(shù)，以此來提高傳感器的可靠性。圖9為后兩階電容值變化0.1 nF、電阻值變化15 Ω情況下其帶內(nèi)不平度的變化情況，因此調(diào)試、測(cè)試過程中的實(shí)時(shí)修正是非常必要的。

通過以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、調(diào)試、試驗(yàn)等多方面加以保證，使傳感器的可靠性大大提高。

3.4 傳感器頻響測(cè)試結(jié)果

傳感器整機(jī)頻響測(cè)試結(jié)果見表1。由表1可見，傳感器的頻響約為1.1 kHz，在頻帶內(nèi)帶內(nèi)不平度約為0.93 dB，頻帶外2倍頻程的帶外衰減值為36.8 dB。

表1 傳感器頻響測(cè)試結(jié)果

3.5 改進(jìn)前后測(cè)試結(jié)果對(duì)比

傳感器整機(jī)改進(jìn)前后試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比見表2，從表2中的測(cè)試結(jié)果可得出，在改進(jìn)前傳感器存在壓力變化頻率超過1 kHz后，傳感器的測(cè)試結(jié)果中存在較為明顯的壓力信號(hào)失真，使壓力劇烈變化區(qū)間內(nèi)的某些壓力點(diǎn)值丟失，不能完全真實(shí)地將固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓力曲線反映出來。改進(jìn)后，由于傳感器的頻響已超過了1 kHz，且在頻帶內(nèi)帶內(nèi)不平度不超過1 dB，因此其可將固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中壓力劇烈變化區(qū)間內(nèi)的壓力曲線準(zhǔn)確反映出來，無壓力信號(hào)失真情況。

隨著該壓力傳感器高頻響設(shè)計(jì)的完成，改進(jìn)后的具有高頻響的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用壓力傳感器已能夠較好滿足測(cè)試需要。

表2 改進(jìn)前后響測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

(1)優(yōu)化傳感器傳壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選用硅壓阻原理的高頻響敏感芯體、選用高增益帶寬積的儀表放大器，使傳感器頻率響應(yīng)范圍提高至1 kHz以上。

(2)設(shè)計(jì)時(shí)間連續(xù)型高階低通濾波電路，能夠保證傳感器在頻帶內(nèi)帶內(nèi)不平度不大于1 dB，帶外衰減不小于35 dB/oct，使其具有良好的幅頻特性。

(3)在傳感器的實(shí)際電路搭建、測(cè)試過程中，根據(jù)仿真計(jì)算及實(shí)測(cè)值的不同實(shí)時(shí)調(diào)整電阻、電容等器件的實(shí)際值，修正參數(shù)，保證帶內(nèi)/外幅頻特性，從而保證傳感器的高可靠性。

(4)通過對(duì)壓力傳感器的傳壓結(jié)構(gòu)、敏感芯體、儀表放大器、時(shí)間連續(xù)型高階低通濾波電路的幅頻特性進(jìn)行優(yōu)化，能夠保證壓力傳感器可以將固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中壓力劇烈變化區(qū)間內(nèi)的壓力曲線準(zhǔn)確反映出來，不發(fā)生壓力信號(hào)的失真。結(jié)果表明，改進(jìn)后的具有高頻響的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用壓力傳感器能夠較好滿足固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)壓需求。