飛行器氣動參數測試系統設計

石軍輝，李永紅，王恩懷

(中北大學 儀器與電子學院，山西 太原030051)

0 引 言

隨著我國航空、航天事業的不斷發展，飛機、火箭等飛行器需要在更高、更惡劣的環境下飛行，這就需要有效的測試手段對飛行器在未知環境中的氣動參數進行測試，實時獲取飛行器表面的壓力場分布參數［1，2］，這樣就對飛行器氣動參數的測試系統提出了新的要求，即更薄、更小、更精，數據傳輸速率更快。選擇體積小、輸出靈敏度高的MEMS壓阻式壓力傳感器SM5420 作為敏感頭，傳感器的失調和滿量程溫漂會達到20%～30%左右，要獲得足夠高的精度，就需要對其進行溫度補償。目前大多補償方法都是采用小型化、智能化的集成信號調理器進行數字補償，這樣雖然補償過程簡單，但是補償精度受到信號調理芯片的限制。

本文提出了采用恒流源給傳感器提供激勵，同時采用高精度的運放和高精度、低溫漂、小封裝的電阻器搭建補償電路，對壓阻式傳感器固有的零點漂移、靈敏度漂移、非線性等性能進行補償，減少環境溫度和元器件對測試精度的影響［3］。

1 系統總體設計

系統由穩壓電源電路、激勵源電路、MEMS 壓力傳感器、溫度補償電路、信號調理電路、A/D 轉換電路、單片機控制電路、RS—485 串行通信電路以及上位機部分，系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖Fig 1 Block diagram of system

MEMS 壓力傳感器輸出的微弱差分信號經過溫度補償電路零點和靈敏度補償后，由信號調理電路對其進行放大、調零、濾波等處理產生所需模擬信號，信號經過A/D 轉換器采樣轉換成數字信號，通過單片機控制模塊和串行通信模塊將信號傳輸到上位機［4，5］，基于LabVIEW 開發了上位機軟件。

2 電路的設計

2.1 傳感器激勵的設計

硅壓阻式壓力傳感器內部結構為惠斯通電橋結構，可在恒壓或者恒流模式下工作。在恒壓模式下，若輸出恒壓激勵為V0，則傳感器的正輸出端電壓，負輸出端電壓為，傳感器輸出的差分電壓為ΔV=V1-V2，初始狀態電橋電阻R1=R2=R3=R4=R，ΔV=0;在受到外界壓力時，傳感器的輸出信號與電阻變化ΔR、電阻R 值以及激勵源V0有關;在恒流模式下，若輸出恒流激勵為I0，則傳感器的正端輸出電壓為V1=I0R2，負輸出端電壓為V2=I0R3，傳感器在受到外力作用后輸出的信號為ΔV=V1-V2=2I0R，傳感器的輸出只與激勵電流I0和電阻的變化ΔR 有關，由于硅壓阻式傳感器很容易受到溫度的影響產生漂移，在恒壓模式下隨著溫度的變化，傳感器本身電阻R 的變化會對信號產生影響，因此，選擇恒流源作為傳感器的激勵［6］。傳感器激勵源的穩定與噪聲大小直接影響著壓力敏感元件的輸出，因此，在確保低溫漂、低噪聲、驅動能力強的選型原則下，選擇ADR4525 基準源、AD8506 運放構建驅動電路以及反饋電路。圖2 所示為傳感器激勵原理框圖。

圖2 激勵源原理圖Fig 2 Principle diagram of excitation source

2.2 溫度補償電路的設計

溫度補償電路用于對溫度發生變化時，敏感元件和構成信號調理電路各主要元器件的輸入輸出特性的補償，溫度補償電路提供兩類誤溫度漂移補償:零點溫度漂移補償與靈敏度溫度漂移補償［7］。理想傳感器的輸出量與輸入量關系

式中 y 為傳感器輸出;x 為傳感器的輸入;b 為傳感器的零點;k 為傳感器的靈敏度。

實際上傳感器由于受到環境溫度的影響，總是存在著一定的非線性。輸入與輸出的關系式為

式中 b0為傳感器的零點，b(T)為零點的溫漂，k0為傳感器的靈敏度，k(T)為靈敏度的溫漂，ε 為傳感器非線性系數。

補償的原理為將b，k 調整到精確的某個值，最大限度消除溫漂值b(T)和k(T)以及二次以上的非線性成分。

2.2.1 零點溫度漂移補償

由溫度引起零點變化而造成輸出變化的元器件中，壓力敏感元件所占比重最大，對零點補償原理如圖3 所示，溫度檢測元件的輸出作為補償端與待補償信號做加減運算［8］，最終輸出信號即為零點補償后輸出。該部分設計中，溫度檢測元件選擇溫度傳感器AD590，AD590 封裝下、測量范圍寬、輸出線性，輸出信號噪聲僅為40 pA，補償信號不引入更多的噪聲;同時由于溫度傳感器的輸出以電流的形式輸出，因此，需要通過高精密電阻器將其轉換為電壓信號后，與待補償信號做加減運算，電阻器阻值的大小根據測量的零點漂移大小計算。

圖3 零點補償原理Fig 3 Principle of zero point compensation

2.2.2 靈敏度溫度漂移補償

隨著溫度的變化傳感器的滿量程輸出也會隨之變化(即增益發生變化)，從輸出來看，該變化可歸一為壓力敏感元件的靈敏度發生變化，此時，需對傳感器的增益特性進行溫度補償。補償原理如圖4 所示，溫度檢測元件檢測到溫度變化后，及時調整激勵源的基準［9］，調整策略與增益溫度特性互補，即增益降低，則增強激勵源的基準，由激勵源輸出相應的恒流;同時可在敏感頭的橋臂上串、并聯電阻器調整增益特性［10，11］。

圖4 靈敏度補償原理Fig 4 Principle of sensitivity compensation

2.3 信號調理電路的設計

信號調理電路用于將壓力傳感器輸出的差分信號進行放大、濾波，原理圖如圖5 所示。壓阻式傳感器輸出的電壓信號大多為mV 級，采用儀表放大器AD8553 對傳感器輸出的信號進行放大，AD8553 為軌到軌輸出，最大失調電壓僅為20 μV，在頻響0.01 ～10 Hz 范圍內噪聲峰峰值為0.7 μV，其中，R 應大于3.92 kΩ;同時由于SM5420 輸出的為差分信號，在儀表放大器的輸入端需要添加抗射頻干擾的濾波電路，如圖5 所示，若儀表放大器輸入前濾波電路匹配不佳，輸入的某些共模信號將轉換為差模信號，因此，通常情況下所選的C2至少比C1或者C3大10 倍，用于抑制濾波電路不匹配帶來的雜散差分信號;基準源ADR4525 為儀表放大器提供2.5 V 的參考電壓，用于調整信號的零位。儀表放大器的輸出信號需要進行濾波處理，這里采用MAX295 芯片進行濾波，該芯片為8 階巴特沃斯濾波器，操作簡單，只需提供輸入時鐘CLK 則可任意控制濾波器的截止頻率，輸入時鐘頻率與截止頻率的關系為50︰1。

圖5 信號調理電路Fig 5 Signal conditioning circuit

2.4 數據采集電路設計

該部分電路主要是將補償后的模擬信號通過A/D 轉換器AD8330 將其轉換成數字信號，AD8330 為16 位采樣精度，采樣率最高可達1 MHz;采用已經使用成熟的微型處理器C8051F410 進行數據采集和處理，微控制器通過SPI 接口采集到量化后信號，同時通過RS—485 總線轉USB 適配器與計算機進行通信。

3 傳感器標定與測試結果

壓力傳感器的標定主要是對零點和靈敏度的標定。將壓力傳感器安裝到壓力腔體內，共同放入高低溫試驗箱，打開高低溫試驗室箱并設置11 個間隔均勻的溫度值，在不同的溫度梯度下使用壓力泵對壓力腔體打壓，并記錄壓力傳感器在零位和滿量程時的輸出值，采用最小二乘法對記錄的值進行擬合［12］，得到傳感器的零點溫度漂移值和靈敏度溫度漂移值。根據得到的值調整補償電路使傳感器的輸出滿足要求。

將經過補償后的壓力傳感器放入高低溫試驗箱，高低溫試驗室箱內溫度設置為25 ℃，在量程范圍內設置10 個均勻的壓力測試點，將測試結果記錄到表1 中，采用最小二乘法擬合數據得到補償后的傳感器靜態特性。

表1 傳感器靜態測試數據Tab 1 Static test datas of sensor

通過Matlab 擬合后得到傳感器輸入與輸出的線性關系式為y=0.020 x+2.454，如圖6(a)所示;經過計算傳感器的靜態特性為非線性誤差為0.043%，遲滯為0.062%，重復性為0.027%，精度為0.085%，如圖6(b)所示，最大誤差位于點0 kPa 處，偏差為0.001 54 V，故非線性度小于1.54/(20.29×175)=0.043%，滿足設計的要求。在測試的過程中，由于一天當中大氣壓強的變化測試結果會受到影響。

圖6 數據擬合結果Fig 6 Data fitting results

4 結束語

結合大量的工程實踐，所設計的壓力傳感器的校準系統已成功用于某飛行器氣動參數測試系統，性能穩定、安裝簡單。在微型化的基礎上，實現了飛行器表面壓力場分布的實時性測試，并且測試精度提高到了0.1%，實驗數據表明:精度達到了要求，傳感器的溫度性能得到了改善，為飛行器和其它武器裝備在惡劣環境下的研究提供了保障。

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