發(fā)動(dòng)機(jī)壓力傳感器補(bǔ)償電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

李宇飛，石群燕，鄒興洋

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214035；2.航空工業(yè)成都凱天電子股份有限公司，成都 610000）

0 引言

硅壓阻式壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、抗過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于壓力測(cè)量。但由于硅半導(dǎo)體對(duì)溫度的敏感性，傳感器無(wú)法避免產(chǎn)生零點(diǎn)漂移和溫度漂移[1-4]，因此在溫度變化范圍廣的應(yīng)用場(chǎng)合，需對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力傳感器普遍采用熱敏電阻補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)提高精度。目前，對(duì)于部隊(duì)配裝的發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)環(huán)供油起動(dòng)占主導(dǎo)地位[5]，這種起動(dòng)方式對(duì)壓力傳感器精度十分敏感?；跓崦綦娮柩a(bǔ)償?shù)膲毫鞲衅骱茈y滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)在寬溫度范圍內(nèi)壓力測(cè)量的精度要求，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)成功率不高。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功率，在地面起動(dòng)前通常要對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。這種調(diào)整方式增加了機(jī)務(wù)的工作量，影響飛行任務(wù)的執(zhí)行[6-7]，同時(shí)該方法僅標(biāo)定了傳感器在地面條件下的精度，未考慮空中起動(dòng)、高溫起動(dòng)、低溫起動(dòng)等狀態(tài)。而在上述狀態(tài)起動(dòng)時(shí)壓力傳感器所處環(huán)境與地面起動(dòng)時(shí)有較大差異，傳感器易產(chǎn)生測(cè)量偏差，造成發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功，影響發(fā)動(dòng)機(jī)安全。本文以某型發(fā)動(dòng)機(jī)為平臺(tái)，分析了壓力傳感器需要達(dá)到的精度，對(duì)于傳感器精度不滿(mǎn)足要求的情況，提出了一種補(bǔ)償電路的優(yōu)化措施。

1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓力傳感器測(cè)量精度要求

某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓力傳感器分為兩類(lèi)：一類(lèi)用于油壓采集，包括燃油壓力和滑油壓力；另一類(lèi)用于空氣壓力采集，包括進(jìn)氣壓強(qiáng)P0和壓氣機(jī)后壓強(qiáng)P3。油壓不參與控制，僅作為告警使用，對(duì)傳感器精度要求不高。而P0和P3參與發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制，對(duì)傳感器精度要求較高。該型發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的P0傳感器工作環(huán)境溫度為-55～70℃，壓強(qiáng)測(cè)量范圍為0～0.3MPa，精度為±0.5%；裝配的P3傳感器工作環(huán)境溫度為-55～150 ℃，壓強(qiáng)測(cè)量范圍為0～3.5 MPa，精度為±0.5%。

根據(jù)該型發(fā)動(dòng)機(jī)控制規(guī)律，P0影響發(fā)動(dòng)機(jī)供油、起動(dòng)最小燃油流量，P3影響發(fā)動(dòng)機(jī)供油、起動(dòng)最大燃油流量。發(fā)動(dòng)機(jī)最小燃油流量和最大燃油流量屬于發(fā)動(dòng)機(jī)限制計(jì)劃，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中投入時(shí)間少，且在設(shè)計(jì)時(shí)留有較大裕度。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，精度為±0.5%的P0和P3傳感器完全可以滿(mǎn)足上述兩種計(jì)劃在發(fā)動(dòng)機(jī)全包線范圍內(nèi)的使用。

該型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)采用開(kāi)環(huán)控制，P0和P3參與起動(dòng)燃油流量計(jì)算。在起動(dòng)點(diǎn)火流量控制計(jì)劃中，

在起動(dòng)前程加速計(jì)劃中，

在起動(dòng)后程加速計(jì)劃中，

式中Wf0為起動(dòng)點(diǎn)火燃油流量，Wf1為起動(dòng)前程加速供油量，Wf2為起動(dòng)后程加速供油量，n2為高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，f1、f2、f3為起動(dòng)系數(shù)。

從式（1）可以看出，Wf0僅與P0相關(guān)，Wf0的精度δWf0為[8]

式中δP0為P0的精度，K1為P0對(duì)Wf0的影響系數(shù)，

結(jié)合式（1）（5），可得K1=3.3。δWf0由試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定起動(dòng)時(shí)的δWf0如表1 所示。從表1 可以看出，δWf0至少要達(dá)到±5.8%，才能滿(mǎn)足穩(wěn)定起動(dòng)要求。將δWf0=±5.8%和K1=3.3 代入式（4），可得δP0=±1.75%。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定起動(dòng)時(shí)的δWf0

從式（2）可以看出，Wf1與P0、P3、n2相關(guān)。Wf1的精度δWf1為[8]

式中：K2為P0對(duì)Wf1的影響系數(shù)，K2=(ΔWf1/ΔP0)×(P0/Wf1)=4.6；K3為P3對(duì)Wf1的影響系數(shù)，K3=(ΔWf1/ΔP3)×(P3/Wf1)=25.8；K4為 n2對(duì) Wf1的影響系數(shù)，K4=(ΔWf1/Δn2)×(n2/Wf1)=6.4；δP3為P3的精度；δn2為n2的精度，該型發(fā)動(dòng)機(jī)的δn2=±0.2%。

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定起動(dòng)時(shí)的δWf1如表2 所示。從表2 可以看出，δWf1至少要達(dá)到±4.3%，才能滿(mǎn)足穩(wěn)定起動(dòng)要求。式（6）中還有δP0與δP3不確定，由于K3遠(yuǎn)大于K2，δWf1主要由δP3確定。令δP0為±0.5%，將上述參數(shù)代入式（6），計(jì)算得δP3=±0.33%。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定起動(dòng)時(shí)的δWf1

從式（3）中可以看出，Wf2與P3和n2相關(guān)，Wf2的精度δWf2為[8]

式中：K5為P3對(duì)Wf2的影響系數(shù)，K5=(ΔWf2/ΔP3)×(P3/Wf2)=16.7；K6為 n2對(duì) Wf2的影響系數(shù)，K6=(ΔWf2/Δn2)×(n2/Wf2)=31.6。發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定起動(dòng)時(shí)的δWf2如表3 所示，從表3 可以看出，δWf2至少要達(dá)到±5.9%，才能滿(mǎn)足穩(wěn)定起動(dòng)要求。將上述數(shù)值代入式（7），可得δP3=±1.1%。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定起動(dòng)時(shí)的δWf2

發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)δP0需控制在±1.75%以?xún)?nèi)；發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前程加速時(shí)，δP0需控制在±0.5%以?xún)?nèi)，δP3需控制在±0.33%以?xún)?nèi)；發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后程加速時(shí)，δP3需控制在±1.1%以?xún)?nèi)。綜上，發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)全過(guò)程中，δP0=±0.5%，δP3=±0.33%。而該型發(fā)動(dòng)機(jī)原裝配的P0壓力傳感器精度為±0.5%，滿(mǎn)足要求，原裝配的P3壓力傳感器精度為±0.5%，不滿(mǎn)足起動(dòng)要求，需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 壓力傳感器補(bǔ)償電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

P3傳感器為硅壓阻式壓力傳感器，傳感器芯體的4 個(gè)壓敏電阻組成惠斯通電橋。P3傳感器原理如圖1所示。當(dāng)給電橋提供激勵(lì)電壓時(shí)，橋臂電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，該電壓信號(hào)與感受的壓力信號(hào)成正比，其電橋輸出為

圖1 P3 傳感器原理

式中Vin為輸入激勵(lì)電壓，Vout為輸出電壓，R1、R2、R3、R4為等效惠斯通電橋各橋臂電阻值。P3傳感器采用熱敏電阻補(bǔ)償，通過(guò)3 個(gè)電阻RT1～RT3實(shí)現(xiàn)敏感度補(bǔ)償、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償和全程輸出調(diào)整[9]。該補(bǔ)償電路簡(jiǎn)單、可靠，但只考慮傳感器的零點(diǎn)漂移隨溫度的單一變化，未考慮其他因素對(duì)傳感器的零點(diǎn)漂移曲線非單調(diào)變化的影響，所以在實(shí)際應(yīng)用中，采用熱敏電阻補(bǔ)償?shù)膫鞲衅骶群茈y再提高。

為了提高硅壓阻式壓力傳感器測(cè)量精度，需對(duì)補(bǔ)償電路進(jìn)行優(yōu)化。目前精度較高的補(bǔ)償方式分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種[10-11]。硬件補(bǔ)償通過(guò)在傳感器中嵌入信號(hào)調(diào)理芯片，調(diào)節(jié)橋臂供電電壓和輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償；軟件補(bǔ)償通過(guò)分析壓力和溫度的關(guān)系，擬合溫度與壓力的曲線，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。軟件補(bǔ)償需在壓力傳感器處增加溫度傳感器，且補(bǔ)償算法需占用控制器CPU 的計(jì)算資源和一定的存儲(chǔ)空間?？紤]到該型發(fā)動(dòng)機(jī)CPU 主頻較低，存儲(chǔ)空間緊張，如果采用軟件補(bǔ)償則需要在控制器和傳感器中增加相應(yīng)的硬件，改動(dòng)量較大。信號(hào)調(diào)理芯片MAX1452 采用窄間距、小型的24 腳封裝，尺寸小，功耗低，可直接集成在傳感器中，因此本文選用其對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化[12-13]。

MAX1452 是一款高度集成的模擬傳感器信號(hào)處理器，可用于優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中采用阻性元件的傳感器。其具有放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能，綜合工作特性可以逼近傳感器所固有的可重復(fù)能力。MAX1452內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含1 個(gè)可編程傳感器激勵(lì)、1 個(gè)16 位的可編程增益放大器（PGA）、1 個(gè)768 B 的內(nèi)部EEPROM，4 個(gè)16 位的DAC、1 個(gè)通用運(yùn)算放大器以及1 個(gè)內(nèi)嵌的溫度傳感器。

圖2 為優(yōu)化后的P3傳感器原理圖，MAX1452 通過(guò)輸入偏置寄存器和跨度溫度系數(shù)（FSOTC）寄存器中寫(xiě)入的16 位校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行一階溫度補(bǔ)償。對(duì)于殘留高階項(xiàng)，MAX1452 將FSOTC 和溫度系數(shù)（TC）以表格的形式存儲(chǔ)在EEPROM 中，F(xiàn)SOTC 和TC 各有176個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)間隔的溫度約為1.5 ℃。根據(jù)溫度傳感器的溫度指針，補(bǔ)償電路自動(dòng)從存儲(chǔ)器獲取當(dāng)前溫度下的系數(shù)，通過(guò)16 位DAC 將FSOTC 轉(zhuǎn)換后，調(diào)節(jié)傳感器的激勵(lì)電壓，提供給壓力芯體，實(shí)現(xiàn)傳感器滿(mǎn)量程輸出信號(hào)的校準(zhǔn)修正。TC 通過(guò)16 位DAC 后參與加法運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)傳感器的零位輸出的校準(zhǔn)修正。

圖2 優(yōu)化后的P3 傳感器原理

P3傳感器補(bǔ)償電路如圖3 所示，該電路包括信號(hào)調(diào)理芯片MAX1452、連接器XT1 和運(yùn)算放大器XL158。

圖3 P3 傳感器補(bǔ)償電路

壓力芯體的激勵(lì)電源由MAX1452 的BDR 管腳提供，輸出的電壓信號(hào)進(jìn)入MAX1452 的INP 和INM管腳。調(diào)理過(guò)后的信號(hào)被MAX1452 輸入內(nèi)部的運(yùn)算放大器，經(jīng)跟隨后輸出至XL158，后經(jīng)跟隨輸出、濾波后進(jìn)入電子控制器進(jìn)行采集。

UNLOCK、DIO 和GND 信號(hào)通過(guò)XT1 與單片機(jī)相連，單片機(jī)通過(guò)DIO 信號(hào)配置MAX1452 的寄存器，并在MAX1452 內(nèi)部的EEPROM 中寫(xiě)入FSOTC和TC。

采用MAX1452 軟件補(bǔ)償后的P3傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)如表4 所示，從表4 可以看出，傳感器在0～3.5 MPa、-55～150 ℃范圍內(nèi)精度優(yōu)于±0.3%。發(fā)動(dòng)機(jī)換裝改進(jìn)傳感器后地面起動(dòng)數(shù)百次，均未出現(xiàn)由傳感器測(cè)量誤差引起的起動(dòng)失敗事故，在傳感器不校準(zhǔn)的情況下，高原起動(dòng)數(shù)十次也均成功。

表4 采用MAX1452 軟件補(bǔ)償后的P3 傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功率不高，且需要根據(jù)使用溫度、高度頻繁標(biāo)定壓力傳感器的情況，在分析發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油控制規(guī)律和起動(dòng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)壓力傳感器精度范圍。原發(fā)動(dòng)機(jī)P3傳感器采用的熱敏電阻補(bǔ)償方式不滿(mǎn)足精度要求，本文以MAX1452 為核心補(bǔ)償電路替代原電路，經(jīng)驗(yàn)證該優(yōu)化方法有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)成功率，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)校準(zhǔn)的工作，具有良好的工程適用性。