某型航空發(fā)動機(jī)機(jī)載壓力傳感器誤差分析及改進(jìn)設(shè)計

邢 威， 孔慶有， 吳紅肖， 劉業(yè)路， 程 昊， 王舜禹

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所， 遼寧 沈陽 110015）

引言

某型航空發(fā)動機(jī)機(jī)載壓力傳感器安裝在發(fā)動機(jī)外涵前機(jī)匣，用于測試發(fā)動機(jī)重要性能參數(shù)，并將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給數(shù)字式電子控制器，用以對發(fā)動機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時控制。每種壓力信號均通過雙傳感器測試來實(shí)現(xiàn)雙余度設(shè)計，每個傳感器要求電源信號和輸出信號各自獨(dú)立。

鑒于在發(fā)動機(jī)測試、實(shí)時控制中具有的重要作用，對機(jī)載壓力傳感器的研究十分必要。本文首先結(jié)合某型發(fā)動機(jī)的整機(jī)試車和機(jī)載實(shí)際使用工況，介紹了機(jī)載壓力傳感器的性能分析。在此基礎(chǔ)上，通過對傳感器電路的機(jī)理分析，提出相應(yīng)改進(jìn)措施。

1 誤差分析

1.1 測試準(zhǔn)備

某型發(fā)動機(jī)機(jī)載壓力傳感器用于測試PH、P31及P6。在發(fā)動機(jī)初期試車過程中，發(fā)動機(jī)的機(jī)載壓力傳感器依據(jù)出廠時的參數(shù)應(yīng)用。由于傳感器穩(wěn)定性無法驗證，故對其進(jìn)行測試并給出誤差分析。測試按照如下步驟進(jìn)行。

1）基于傳感器供電要求，選用直流穩(wěn)壓電源供電；為達(dá)到熱平衡，校準(zhǔn)前，機(jī)載壓力傳感器盒必須在校準(zhǔn)環(huán)境中放置2 h 以上。按輸入文件中供電要求設(shè)置供電電壓，接通直流穩(wěn)壓源，通電預(yù)熱15 min 以上。

2）基于PH、P6 及P31 的量程及精度，選精度0.01%rdg 的高精度數(shù)字式壓力控制器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力，將機(jī)載壓力傳感器盒與數(shù)字壓力控制儀放置在水平工作臺上，調(diào)節(jié)機(jī)載壓力傳感器盒的位置，使其壓力測量端口與數(shù)字壓力控制儀取壓口處于同一平面上。按照圖1 要求連接測量標(biāo)準(zhǔn)、配套設(shè)備和被校機(jī)載壓力傳感器。

3）采用直接測量法進(jìn)行校準(zhǔn)。使用測量標(biāo)準(zhǔn)，從測量下限開始平穩(wěn)地輸入標(biāo)準(zhǔn)壓力至各校準(zhǔn)點(diǎn)，待壓力穩(wěn)定后，依次記錄機(jī)載壓力傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)輸出值至測量上限，讀取并記錄機(jī)載壓力傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)輸出值，完成校準(zhǔn)。

1.2 測試分析

對某批次機(jī)載壓力傳感器進(jìn)行獨(dú)立測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，計算出壓力傳感器的實(shí)測準(zhǔn)確度，并給出雙余度壓力傳感器的一致性。

實(shí)測準(zhǔn)確度ΔC的計算公式如式（1）：

其中：ΔA=Ad-As

式中：ΔA為各測試點(diǎn)的測試誤差；Ad為上行程或下行程各測試點(diǎn)的實(shí)際輸出值；As為各測試點(diǎn)的理論輸出值。經(jīng)測試，可得到PH、P6 及P31 的A、B 通道測試數(shù)據(jù)，并計算出雙余度壓力傳感器的一致性。見下頁表1。

表1 A 和B 通道測試數(shù)據(jù)的一致性

計算公式如式（2）：

式中：Δy為A 和B 通道測試數(shù)據(jù)的一致性；AA為A通道各檢定點(diǎn)的輸出值；AB為B 通道各檢定點(diǎn)的輸出值；As為各檢定點(diǎn)的理論輸出值。

2 設(shè)計改進(jìn)

機(jī)載壓力傳感器內(nèi)部核心電路是MAX1452 信號調(diào)理芯片，MAX1452 工作時有兩個電源輸入：VDD 為內(nèi)部邏輯電路和模擬電路供電；VDDF 為芯片內(nèi)EEPROM存儲器供電。在系統(tǒng)中，一般VDD 和VDDF可以直接連接在一起，也可以通過一個電阻連接。MAX1452 在常規(guī)設(shè)計下，典型的應(yīng)用電路中，VDDF引腳有一個RC 電路（R 在VDD 和VDDF 之間，C 在VDDF 和GND 之間）。原設(shè)計的電路是在VDD 和VDDF 之間串接了一個R=4.7 k 的電阻，在VDDF 和GND 之間串接了一個C=0.1μF 的電容。

因受成本和空間限制和所選擇的VDD 電源通常驅(qū)動能力有限，在EEPROM 工作時可能無法維持VDD 電壓，因此需要一個RC 濾波器。但由于電源的驅(qū)動能力有限，使得工作期間系統(tǒng)可能存在一些隱患，在試車過程中有可能得以浮現(xiàn)。其中之一就是可能導(dǎo)致啟動時進(jìn)入錯誤的模式，一旦出現(xiàn)該問題，輸出將以數(shù)字模式開啟，而非模擬模式。發(fā)生這個問題是由于VDDF 電壓上升緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于VDD，這也會導(dǎo)致閃存控制地址讀寫的不可靠；第二問題是：VDD 上的紋波所引起的輸出噪聲耦合到輸出端。

對該產(chǎn)品相繼進(jìn)行了系列試驗，試驗發(fā)現(xiàn)原有故障的產(chǎn)品重新上電后，有時也能進(jìn)入非故障狀態(tài)，并且一旦進(jìn)入非故障狀態(tài)，只要不重新上電啟動，產(chǎn)品就能長期正常穩(wěn)定工作；同樣一旦故障出現(xiàn)，產(chǎn)品就長期輸出為幾毫伏或最大值4.5 V 以上。因MAX1452信號調(diào)理芯片進(jìn)入到了數(shù)字模式工作狀態(tài)，所以輸出才能只有最大和最小兩種狀態(tài)，而數(shù)字工作狀態(tài)只是用來給芯片產(chǎn)品升級輸寫程序?qū)Ｓ玫模Ｐ盘栒{(diào)理工作狀態(tài)應(yīng)穩(wěn)定工作在模擬狀態(tài)。

初步鎖定故障原因后，又對信號調(diào)理芯片進(jìn)入數(shù)字狀態(tài)的故障原因進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)決定MAX1452 信號調(diào)理芯片工作在數(shù)字和模擬不同狀態(tài)的因素取決于該芯片兩個電源引腳（VDD 和VDDF）的供電時序，如果在VDD 上電到位后，VDDF 在10～50μs 時間內(nèi)也完成上電，則MAX1452 信號調(diào)理芯片進(jìn)入模擬狀態(tài)下工作；如果在VDD 上電到位后，VDDF 上電時間遠(yuǎn)落后于VDD 上電時間，則MAX1452 信號調(diào)理芯片進(jìn)入數(shù)字狀態(tài)下工作。回頭再分析161 廠設(shè)計的電路，VDD 與VDDF 間只用了一個RC 電路，R=4.7 kΩ、C=0.1 μF，因而造成VDDF上電時間落后VDD 遠(yuǎn)大于10～50 μs 的設(shè)計參考值；所以造成MAX1452 信號調(diào)理芯片進(jìn)入了數(shù)字狀態(tài)下工作。

簡單的解決辦法是減小RC 電路中的R 值，以實(shí)現(xiàn)減小RC 電路的時間常數(shù)，但該方法不是100%的可靠，其存在受到干擾等特殊情況下MAX1452 信號調(diào)理芯片仍能進(jìn)入到數(shù)字工作模式的可能。如果具體應(yīng)用中，所選擇的VDD 電源具有足夠的電流驅(qū)動能力時，就不會出現(xiàn)上述所有問題。

利用VDDF 連接的RC 濾波器可以抑制輸出噪聲，但不能避免上電順序問題，可以在VDD 和VDDF之間連接一個肖特基二極管，與RC 濾波器中的R 并聯(lián)，見圖2。

肖特基二極管的正向電壓必須小于VDD 和GND 之間寄生二極管的正向電壓，并且還要提供足夠的裕量，保證機(jī)載傳感器在最大工作溫度下不會導(dǎo)通。BAT54 肖特基二極管的正向電壓在25 ℃時為300 mV，測試證明能夠滿足本應(yīng)用的要求。在VDD 和VDDF 之間連接該二極管可以帶來以下好處：

解決啟動問題，二極管使VDDF 電壓緊隨VDD電壓—相差一個二極管壓降（小于300 mV）。因此，當(dāng)出現(xiàn)POR 信號時，VDDF 電壓位于正確電平，正確讀出EEPROM的控制位置，因此能夠以正確模式啟動。

降低輸出噪聲，連接二極管后可以使用更大容值的C（在大電流讀操作期間，維持VDDF 電平所需的最小電容為0.47μF）和更大阻值的R（典型值為1kΩ）。使用較大的RC 后，無論RC 濾波器的時間常數(shù)多大，VDD 和VDDF 的壓差始終為一個二極管壓降（小于300 mV），讀操作期間，因電容C 可以更大，更有利于消除對VDD 的紋波干擾。如果沒有二極管，過大的RC 會引起VDDF 上升時有很大的延時，并可能導(dǎo)致啟動問題。同樣，過小的電容又會引起VDD 尖峰電壓耦合到輸出，造成不必要的輸出干擾。連接二極管后，VDDF 上電起動延遲問題得以徹底解決，且RC 電路中的C 選取為0.47 μF，也解決了VDD 尖峰電壓耦合輸出干擾問題。

3 結(jié)論

本文給出了某型航空發(fā)動機(jī)機(jī)載壓力傳感器的誤差分析，計算出壓力傳感器的實(shí)測準(zhǔn)確度及雙余度壓力傳感器的一致性。對機(jī)載傳感器RC 電路設(shè)計的機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了在VDD 和VDDF 之間連接一個肖特基二極管，與RC 濾波器中的R 并聯(lián)的改進(jìn)設(shè)計，保證了機(jī)載傳感器的性能。該設(shè)計方案已投入實(shí)際應(yīng)用多年，取得令人滿意的效果，通過對機(jī)載壓力傳感器存在的故障排查、分析，現(xiàn)已從多方面完成質(zhì)量改進(jìn)，避免了因出廠失誤而對試車等試驗造成的影響。目前系統(tǒng)內(nèi)其他多家單位對新購進(jìn)的機(jī)載傳感器，采取的方式也多是首批必須入廠檢定校準(zhǔn)，有力保護(hù)了試車數(shù)據(jù)的可靠。