傳感器信號并聯采集導致飛控數據超限報故問題分析

王曉鵬，麥海明，張少華，王 磊

(陸裝駐深圳地區航空軍事代表室，廣東 深圳 518000)

0 引言

某型直升機外場試飛過程中，飛控系統報飛控計算機飛行前自檢測(PBIT)故障，其后的兩次試飛過程也出現同樣的問題。經初步分析發現，飛控計算機與綜合數據采集系統并聯采集總距操縱量桿位移傳感器信號時，采集數據幅值偏大，導致飛控計算機PBIT報故。

1 故障定位

1.1 桿位移傳感器交流信號并聯采集的工作原理

該飛控系統[1]對總距操縱量等桿位移傳感器信號采用四余度監控方式，即通過采集四路一致性較高的桿位移信號，并對四路信號進行表決監控，判斷位移傳感器的故障通道。其中一路桿位移傳感器通道信號為綜合數據采集系統和飛控系統并聯采集，其余三路桿位移傳感器通道信號為飛控系統單獨采集，交聯關系見圖1。飛控系統根據其算法處理采集到的多路通道數據，獲取到表決值，通過與表決值的比較，剔除其中偏離最大的一路。如果某一路通道數據一直偏離最大，則會被永久剔除表決，相當于降低一個余度。飛控系統多余度采集方式的各個通道的電壓偏差精度均要求≤±100 mV，超出精度允許范圍則系統超限報故。

圖1 綜合數據采集系統與飛控系統交聯框圖

1.2 故障樹分析

根據故障現象以及系統設計原理，采用人工演繹法建造故障樹，對可能的故障原因逐條進行排查，如圖2所示[2]。

圖2 系統故障樹圖

1.3 問題定位

1.3.1 飛控系統故障(X1)

拆下綜合數據采集系統，讓飛控系統單獨采集飛機上的桿位移傳感器信號，飛控系統采集數據正常，PBIT報故現象消失。因此，飛控系統故障(X1)而引起總距操縱量等桿位移傳感器信號采集導致飛控超限報故不成立。

1.3.2 桿位移傳感器故障(X2)

拆下綜合數據采集系統，飛控系統單獨采集飛機上的桿位移傳感器信號，飛控系統采集數據正常，四個通道的電壓一致，精度均在≤±100 mV范圍內，證明桿位移傳感器正常。因此，桿位移傳感器故障(X2)而引起總距操縱量等桿位移傳感器信號采集導致飛控超限報故不成立。

1.3.3 綜合數據采集系統故障(X3)

模擬綜合數據采集系統[3]故障，故障發生時測試綜合數據采集系統的自檢功能，所有自檢項正常。拆下綜合數據采集系統并進行獨立的信號采集，采用函數發生器單獨對總距操縱量交流信號采集通道施加信號，觀察到地面軟件監測到的采集數據在精度范圍內，證明綜合數據采集系統正常。因此，綜合數據采集系統故障(X3)而引起總距操縱量等桿位移傳感器信號采集導致飛控超限報故不成立。

1.3.4 并聯采集電路匹配性問題(E1)

1)采集回路電容與傳感器線圈發生LC振蕩(X4)

綜合數據采集系統的交流信號采集電路的S7濾波器存在較大內置電容，如果電容和傳感器線圈的電感發生LC振蕩，那么桿位移傳感器輸出的交流電壓幅值和頻率會發生變化，導致飛控系統采集數據偏差而超限報故。

在對綜合數據采集系統和飛控系統開展地面聯試試驗時，使用示波器測量了并聯采集時的桿位移傳感器輸出端的信號波形。波形正常，頻率1800 Hz，沒有發生畸變和振蕩。因此，采集回路電容與傳感器線圈發生LC振蕩(X4)而引起總距操縱量等桿位移傳感器信號并聯采集導致飛控超限報故不成立。

2)采集回路電容充放電效應影響(X5)

綜合數據采集系統的對外接口為S7濾波連接器，其型號為S7W4ZPB549-01L1-01。該連接器針孔對外殼地具有4700 pF濾波電容，主要目的是濾除輸入信號的電磁干擾，通過濾除傳播耦合路徑上的干擾信號，提高產品電磁兼容性能。此外在信號接口端還設計有瞬變電壓抑制二極管(TVS管)SMCJ18CA及其并聯820 pF電容的組合電路，用于浪涌吸收和抑制。但是TVS管SMCJ18CA本身具有較大的結電容(典型值為3000 pF)，充放電效應影響比較明顯。考慮到桿位移傳感器輸出的交流電壓信號對電容敏感，在信號峰值時對電容充電，在下個1/4周期電容放電。若電容充放電不平衡，累積的電荷則無法完全釋放，從而導致傳感器輸出端電壓幅值增大。

基于以上分析，綜合數據采集系統采集回路電容充放電效應影響(X5)不能排除。

2 機理分析

綜合數據采集系統接口板上S7濾波連接器對應通道單端的濾波電容為4700 pF(針腳對外殼地)，接口板在濾波連接器之后有防浪涌設計，采用TVS管SMCJ18CA(結電容3000 pF)并聯820 pF電容到外殼地。這樣高端(H)電容8520 pF，低端(L)電容8520 pF，中端(CT)電容4700 pF。因中端引腳接地，此處電容不起作用。那么采集回路相當于兩個8520 pF電容串聯，串聯等效電容為C=4260 pF，詳見圖3。

圖3 濾波電容等效圖

桿位移傳感器輸出的正弦波交流信號的頻率f=1800 Hz，對應周期T=1/f=0.56 ms，T/4=0.14 ms。桿位移傳感器輸出的正弦交流信號在峰值的時候對綜合數據采集系統接口板上的等效電容C進行充電，電時間常數τ=R1×C=48.5×4260 ×0.000001 μs=0.207 μs。對一般電容，5個電時間常數可認為是其充滿電量的時間，即5τ=5×0.207 μs=1.035 μs。根據交流信號的特征，需在T/4內讓電容在充電時存儲的電量泄放完畢才能保持電壓的平衡。而飛控計算機采集電路的輸入端阻抗為MΩ級別(約為2.5 MΩ)，所需的泄放時間t=5×R2×C=5×2.5×1000000×4260×0.000001 μs = 53.3 ms，遠超T/4周期(0.14 ms)，綜合數據采集系統接口板上電容累積電量無法完全釋放，造成電壓上偏。

3 問題復現

在實驗室，開展了綜合數據采集計算機和飛控系統地面聯試試驗，模擬外場PBIT條件，飛控系統報飛控計算機飛行前自檢測(PBIT)故障。通過實驗室數據對比飛控系統單獨采集以及和綜合數據采集系統并聯采集發現，飛控系統單獨采集的總距桿位移傳感器各個通道的數據基本一致，而通道C(并聯采集通道)采集的電壓幅值明顯偏大(見表1)，與機上并聯采集導致飛控系統通道C電壓幅值超限現象一致(機上飛控系統PBIT報故的直接原因是通道C采集電壓幅值超限)。

表1 問題復現測試數據

4 措施及驗證情況

從上述分析可知，桿位移傳感器信號并聯采集時，導致飛控系統采集電壓幅值偏大的原因是綜合數據采集系統接口電路上的濾波電容等容性負載的充放電效應影響。電容充放電不平衡，在放電的周期內無法釋放完儲存的電量，導致飛控系統采集端的電壓上升，造成飛控系統采集電壓幅值偏大。

TVS管SMCJ18CA及其并聯的820 pF電容組合電路，主要是用于浪涌吸收和抑制，以保護后級的采集電路。然而TVS管SMCJ18CA本身具有較大的結電容(典型值3000 pF)，這3820 pF容性負載的充放電效應對桿位移傳感器交流信號的影響較為明顯。拆除TVS管SMCJ18CA及其并聯的820 pF電容可以減少采集回路的等效電容，從而減弱接口電路電容充放電效應的影響。

對于S7濾波連接器內置濾波電容，因不能拆除，采用增加泄放電阻對電容提供放電回路的措施，使其充放電平衡，消除電容充放電效應的影響。在接口板S7連接器上對應總距操縱量、俯仰操縱量、航向操縱量、橫滾操縱量4路交流信號采集通道的高端、低端引腳對殼地之間分別焊接泄放電阻，加快濾波電容的放電。

對飛控系統和綜合數據采集系統開展聯試試驗，進行了常溫條件下的交流電壓采集測試試驗、電流測試試驗和相位測試試驗。飛控系統和綜合數據采集系統并聯采集桿位移傳感器交流信號。相對于原狀態的綜合數據采集系統，改進后的綜合數據采集系統對飛控系統采集電壓的影響由原來的56 mVrms降低到8 mVrms，改善比較明顯，可以滿足飛控系統的并聯使用要求。測試數據見表2。

表2 飛控系統的電壓采集數據(通道C)

綜合數據采集系統更改前和更改后的狀態都能滿足采集精度的技術要求(≤ ±1% FS)。更改前的綜合數據采集系統與飛控系統并聯采集時的交流信號采集精度最大為0.786% FS；更改后的綜合數據采集系統在并聯采集時的采集精度為 -0.137% FS，均滿足≤ ±1% FS的采集精度要求，詳見表3。

表3 綜合數據采集系統的電壓采集數據(通道C)

對飛控系統和綜合數據采集系統開展機上聯試試驗。在飛機地面通電條件下，飛控系統和綜合數據采集系統并聯采集飛機上桿位移傳感器交流信號。相較更改前的綜合數據采集系統，更改后的綜合數據采集系統對飛控系統的采集電壓幅值(通道C)的影響由原來的110 mVrms下降到10 mVrms(對應解調前電壓幅值的影響從55 mVrms下降到5 mVrms)。測試數據詳見表4，改善比較明顯。

總距操縱等桿位移傳感器信號并聯采集導致飛控超限報故問題，經分析是由于綜合數據采集系統和飛控系統并聯采集后，接口電路的容性負載充放電效應導致桿位移傳感器輸出電壓增大所致。采用拆除TVS管及其并聯電容降低采集電路等效電容、增加泄放電阻為電容提供放電回路兩項硬件更改措施，經地面聯試和機上地面通電試驗驗證，措施有效。

表4 地面通電試驗數據

5 啟示

飛控系統和綜合數據采集系統單獨采集傳感器數據均能滿足技術要求，但是并聯采集時，卻因兩個系統阻抗匹配原因導致飛控系統采集數據超限報故。這說明問題的源頭是在系統集成設計方面。在系統方案設計階段缺少對并聯采集信號時系統間的相互影響進行詳細的論證和分析。各設備研發人員按各自產品協議書和ICD要求進行設計，未考慮信號采集交聯交互情況，從而導致集成到機上系統時，出現關聯影響而造成飛控系統采集數據偏大的問題。

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