一種飛機燃油油位傳感器激勵源動態切換輸出電路

摘要：國內飛機燃油測量采用的傳感器大部分是電容式油位傳感器，該類型傳感器需要測試設備發出正弦激勵信號才能工作，因此測量精度受到正弦激勵信號幅值大小的限制。文章提出了一種創新的激勵源動態切換輸出電路，詳細闡述了硬件切換電路設計原理和軟件動態切換策略，通過軟硬件協同動態調整正弦激勵信號的幅值，電路仿真證明了該設計的可行性；平臺試驗驗證該設計將電容測量精度提高了2.79%。

關鍵詞：電容式油位傳感器；電容測量；軟硬件協同；模擬開關；動態切換；高精度

中圖分類號：TP301" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）08-0109-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

飛機的燃油油量對于制定飛行計劃和保障飛行安全至關重要。當前實現燃油油位測量的主流傳感器仍然為電容式油位傳感器[1-2]，該類型傳感器具有技術實現簡單、應用成熟度高的特點。燃油油量測量時，首先由測試設備產生特定頻率和幅值的激勵信號作用于電容式油位傳感器[3]，隨后攜帶電容值信息的反饋信號進入測試設備的采集電路，通過參考電容比例計算法解算出電容值，進一步得到對應的燃油油量。激勵源輸出電路的工作原理是處理器配置可編程波形發生器輸出正弦激勵信號，經過放大電路放大并增強驅動能力后輸出至電容式油位傳感器。由于放大電路參數固定，輸出的正弦激勵信號幅值不可改變，因此在燃油油量測量時，存在明顯的測量范圍小、測試精度低的問題。為了實現燃油油量寬范圍、高精度的測量，本研究設計了一種創新的動態切換輸出電路，通過軟硬件協同完成正弦激勵信號幅值的切換，該電路具有結構簡單、靈活性強的特點，對飛機燃油油量測量的準確性具有重要參考意義。

2 設計原理與方法

2.1 動態切換策略

一般的正弦激勵信號產生電路由處理器、可編程波形發生器和運算放大器組成。在硬件設計上，具備正弦激勵信號幅值動態切換的電路在幅值放大電路中增加了模擬開關和反饋電阻。模擬開關為多通道單刀單擲開關集成芯片，處理器控制每個通道開關的打開或關閉，這樣就實現了多個通道反饋電阻的動態并聯，從而配置運算放大器的增益系數，增益系數的計算公式（1） 所示。

[A=1+RFRG] " "（1）

式中：A為增益系數，V/V；RG為增益電阻，kΩ；RF為并聯后的反饋電阻，kΩ。

在軟件設計上，電容值采集時初始正弦激勵信號幅值設置為最低，預采集待測電容值，根據預采集電容值范圍，通過查表方式選擇精度最高的正弦激勵信號幅值，由處理器控制模擬開關完成正弦激勵信號輸出幅值的切換，確保在寬范圍變化的待測電容值下能提供精度最佳的正弦激勵信號。

2.2 電容值修正方法

除了常用的電容值溫度補償修正方法外[4-5]，設計中增加了懸空采集電路線路誤差值的方法。軟件首先關閉對電容式傳感器的正弦激勵信號輸出，進行10次懸空態采集，計算出10次采集的平均值作為電路線路固有的誤差值。軟件隨后接通對電容式傳感器的正弦激勵信號輸出，采集時將根據誤差值進行正弦激勵信號和反饋信號的修正，以達到提升采集精度的目的。

3 電路實現

3.1 硬件切換電路設計

具備動態切換功能的正弦激勵信號產生電路如圖1所示，由處理器、可編程波形發生器、模擬開關和運算放大器組成?？删幊滩ㄐ伟l生器AD9838可以輸出幅值[0.030 V，0.600 V]的交流正弦信號，通過對外接的16 MHz晶振進行228量化，輸出頻率的最小分辨率精度可以達到0.06 Hz。處理器通過SPI接口向可編程波形發生器芯片內部的控制寄存器和數據寄存器進行寫操作，控制可編程波形發生器芯片對外輸出頻率為10 KHz的正弦激勵信號。放大電路LF347為低功耗、高速JFET輸入運算放大器，其中4只反饋電阻通過四通道模擬開關MAX313打開或關閉實現動態并聯，將可編程波形發生器輸出的正弦激勵信號進行不同增益系數的放大，輸出至電容式油位傳感器。

反饋信號采集電路如圖2所示，電容式油位傳感器在穩定交流激勵下的容抗值與內部預設的高精度參考電容共同構成比例放大電路，反饋信號采集電路通過測量反饋信號和正弦激勵信號，經修正后進行比例運算并與內部參考電容值相乘，從而獲得待測油位傳感器的電容值。參考電容選用偏差值為120 pF±0.25 pF的高精度電容，A/D轉換電路選用分辨率為16位、輸入范圍為±10 V的A/D轉換器。

3.2 軟件切換策略設計

軟件切換策略如圖3所示。在初始化階段，系統關閉可編程波形發生器的正弦激勵信號輸出，對油位傳感器采集電路進行10次懸空態采集，每次記錄正弦激勵信號值和反饋信號值。將10次采集的正弦激勵信號值累加平均得到正弦激勵信號修正值，將10次采集的反饋信號值累加平均得到反饋信號修正值，隨后將這兩個修正值填入接口數據表中。在軟件進入周期性運行階段，首先關閉可編程波形發生器的正弦激勵信號輸出，配置模擬開關全部接通以使正弦激勵信號輸出最低幅值，采集電容值并填入接口數據表中。根據采集到的電容值范圍，通過處理器控制模擬開關的通斷狀態，完成正弦激勵信號輸出幅值的切換，確保在最佳精度范圍內對油位傳感器進行采集，再根據修正值對激勵電壓和反饋電壓進行校正，將最終采集結果作為電容值測量結果。

當待測電容范圍在0～600 pF，反饋信號采集電路A/D轉換器的最大采集電壓范圍是±10 V，參考電容為120 pF時，軟件控制的正弦激勵信號幅值動態切換策略如表1所示。

4 仿真驗證與試驗驗證

通過仿真分析，細致考察了激勵源動態切換輸出電路的功能，模擬了多種待測電容場景，確保了電路設計的合理性和預期性能。同時，在平臺試驗中，對實際電路進行了電容采集的驗證，分析了待測電容采集精度的實際表現，確保了實驗數據的準確性和實際應用效果。

4.1 動態切換仿真

在軟件Multisim中構建激勵源動態切換輸出電路模型，設置放大電路中反饋電阻RF1= RF2=100 kΩ，RF3= RF4=50 kΩ，增益電阻RG=3.3 kΩ，則不同增益系數下激勵輸出幅值如表2所示。

在軟件Multisim中構建的激勵源動態切換輸出電路模型中，配置可編程波形發生器輸出幅值為0.32 V、頻率為10 KHz的正弦激勵信號。如圖4所示，當S1接通時，正弦激勵信號幅值為10.0 V；當S1、S2接通時，正弦激勵信號幅值為5.17 V；當S1、S2、S3接通時，正弦激勵信號幅值為2.74 V；當S1、S2、S3、S4接通時，正弦激勵信號幅值為1.94 V。因此，通過反饋電阻的并聯可以實現激勵源動態切換。

4.2 待測電容采集精度仿真

待測油位傳感器電容值的計算如公式（2） 所示。

[Cx=-Vi±?mVo±?n×Cr±?t] " " " "（2）

式中：Cx為待測電容值；Vi為反饋信號；△m為反饋信號修正值；Vo為正弦激勵信號；△n為正弦激勵信號修正值；Cr為參考電容值；△t為參考電容溫度修正值。

以參考電容值Cr=120 pF為例，假定常溫下溫度修正值△t為0 pF，則公式（2） 可以簡化為公式（3） 。

[Cx=-Vi±△mVo±△n×120pF] （3）

為計算方便，假定待測電容值Cx=120 pF，由公式（3） 可知，影響待測電容值Cx測量精度的是反饋信號與正弦激勵信號比例系數α，其計算如公式（4） 所示。

[αmax=Vi+△mVo-△n，αmin=Vi-△mVo+△n] " （4）

假定反饋信號修正值△m和正弦激勵信號修正值△n相同，如圖5所示為使用Matlab繪制Vo在[0.5 V，10 V]范圍內變化時與比例系數α的關系曲線。

由曲線可見，隨著正弦激勵信號增大，比例系數α相對于1的“擺幅”減小，待測電容精度顯著提高。當Vo為最低值1.94 V時，比例系數α約為0.970，計算出的待測電容Cx為116.4 pF。當Vo為最高值10.0 V時，比例系數α約為0.995，計算出的待測電容Cx為119.4 pF。在兩種不同幅值的正弦激勵信號下，后者使120 pF電容測量精度提高了2.58%。

4.3 試驗平臺驗證

試驗平臺使用遠程數據采集單元的模擬量采集板，該采集板實現了本文設計的激勵源動態切換輸出電路，并在處理器中部署了具有動態切換策略的軟件。如表3所示，主要對比了待測電容值在（0 pF，600 pF]范圍內，分別在固定正弦激勵和動態切換正弦激勵情況下實際采集到的電容值，并比較了兩種情況下的最大精度差值。

“/”：該激勵下反饋信號超出了A/D轉換器的±10 V的輸入范圍，電容值不采信當固定正弦激勵輸出的幅值后，由于A/D轉換器±10 V的輸入范圍限制，可測量的電容值范圍受到制約，無法滿足寬范圍測量的要求。例如，固定正弦激勵輸出的幅值為10.0 V時，僅能測量（0，120 pF）范圍內的電容值。當正弦激勵輸出的幅值可以動態切換后，其可測量范圍增加至（0，600 pF）。

同時，待測電容值在（0，120 pF）范圍內時，10.0 V正弦激勵的測試精度較1.94 V正弦激勵的測試精度提高了2.79%。因此，通過處理器控制模擬開關完成正弦激勵信號輸出幅值的切換，確保了在待測電容值范圍內能提供精度最佳的正弦激勵信號。

5 結論

研究成果表明，飛機燃油油位傳感器的激勵源動態切換輸出電路通過軟件算法和硬件設計的巧妙結合，成功實現了激勵信號幅值特性的動態調整，顯著提升了電容式油位傳感器的測量范圍和精度。該技術的應用確保了飛機在不同任務階段能夠實時獲取準確的燃油信息，極大地增強了飛行員的操作信心和飛行安全性。這一創新不僅克服了傳統電容式傳感器在高精度測量中的局限，還為燃油系統的智能化管理奠定了堅實基礎。

參考文獻：

[1] 屈盼讓，呼明亮，孫少華.面向航空油量采集的可編程激勵源設計[J].電力電子技術，2020，54（4）：53-56.

[2] 于進勇，吳曉男，戴洪德.基于電容傳感器的數字式飛機燃油測量系統的設計[J].工業儀表與自動化裝置，2013，43（1）：46-49.

[3] 賈俊舒.飛機油箱測量技術研究[D].成都：電子科技大學，2018.

[4] 師顯強，樊偉.飛機燃油測量液位高度解算方法研究[J].電子元器件與信息技術，2018，2（6）：95-100.

[5] 王永國，王凌偉，席鵬.直升機新型燃油測量管理系統設計與實現[J].航空計算技術，2018，48（5）：245-247.

【通聯編輯：謝媛媛】