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(dòng)機(jī)研究所， 遼寧 沈陽 110015）

引言

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

鑒于在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試、實(shí)時(shí)控制中具有的重要作用，對(duì)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(dòng)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(duì)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(cè)試準(zhǔn)備

某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載壓力傳感器用于測(cè)試PH、P31及P6。在發(fā)動(dòng)機(jī)初期試車過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)載壓力傳感器依據(jù)出廠時(shí)的參數(shù)應(yīng)用。由于傳感器穩(wěn)定性無法驗(yàn)證，故對(duì)其進(jìn)行測(cè)試并給出誤差分析。測(cè)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(tái)上，調(diào)節(jié)機(jī)載壓力傳感器盒的位置，使其壓力測(cè)量端口與數(shù)字壓力控制儀取壓口處于同一平面上。按照?qǐng)D1 要求連接測(cè)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(cè)量法進(jìn)行校準(zhǔn)。使用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，從測(cè)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(cè)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(cè)試分析

對(duì)某批次機(jī)載壓力傳感器進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算出壓力傳感器的實(shí)測(cè)準(zhǔn)確度，并給出雙余度壓力傳感器的一致性。

實(shí)測(cè)準(zhǔn)確度ΔC的計(jì)算公式如式（1）：

其中：ΔA=Ad-As

式中：ΔA為各測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試誤差；Ad為上行程或下行程各測(cè)試點(diǎn)的實(shí)際輸出值；As為各測(cè)試點(diǎn)的理論輸出值。經(jīng)測(cè)試，可得到PH、P6 及P31 的A、B 通道測(cè)試數(shù)據(jù)，并計(jì)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(cè)試數(shù)據(jù)的一致性

計(jì)算公式如式（2）：

式中：Δy為A 和B 通道測(cè)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(jì)改進(jìn)

機(jī)載壓力傳感器內(nèi)部核心電路是MAX1452 信號(hào)調(diào)理芯片，MAX1452 工作時(shí)有兩個(gè)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(chǔ)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(gè)電阻連接。MAX1452 在常規(guī)設(shè)計(jì)下，典型的應(yīng)用電路中，VDDF引腳有一個(gè)RC 電路（R 在VDD 和VDDF 之間，C 在VDDF 和GND 之間）。原設(shè)計(jì)的電路是在VDD 和VDDF 之間串接了一個(gè)R=4.7 k 的電阻，在VDDF 和GND 之間串接了一個(gè)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(dòng)能力有限，在EEPROM 工作時(shí)可能無法維持VDD 電壓，因此需要一個(gè)RC 濾波器。但由于電源的驅(qū)動(dòng)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(dòng)時(shí)進(jìn)入錯(cuò)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(gè)問題是由于VDDF 電壓上升緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于VDD，這也會(huì)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(duì)該產(chǎn)品相繼進(jìn)行了系列試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原有故障的產(chǎn)品重新上電后，有時(shí)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(dòng)，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(hào)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(jí)輸寫程序?qū)Ｓ玫?，正常信?hào)調(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(duì)信號(hào)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(hào)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(gè)電源引腳（VDD 和VDDF）的供電時(shí)序，如果在VDD 上電到位后，VDDF 在10～50μs 時(shí)間內(nèi)也完成上電，則MAX1452 信號(hào)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(shí)間遠(yuǎn)落后于VDD 上電時(shí)間，則MAX1452 信號(hào)調(diào)理芯片進(jìn)入數(shù)字狀態(tài)下工作?；仡^再分析161 廠設(shè)計(jì)的電路，VDD 與VDDF 間只用了一個(gè)RC 電路，R=4.7 kΩ、C=0.1 μF，因而造成VDDF上電時(shí)間落后VDD 遠(yuǎn)大于10～50 μs 的設(shè)計(jì)參考值；所以造成MAX1452 信號(hào)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(shí)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(hào)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(dòng)能力時(shí)，就不會(huì)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(gè)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(huì)導(dǎo)通。BAT54 肖特基二極管的正向電壓在25 ℃時(shí)為300 mV，測(cè)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(dòng)問題，二極管使VDDF 電壓緊隨VDD電壓—相差一個(gè)二極管壓降（小于300 mV）。因此，當(dāng)出現(xiàn)POR 信號(hào)時(shí)，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(dòng)。

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(shí)間常數(shù)多大，VDD 和VDDF 的壓差始終為一個(gè)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(duì)VDD 的紋波干擾。如果沒有二極管，過大的RC 會(huì)引起VDDF 上升時(shí)有很大的延時(shí)，并可能導(dǎo)致啟動(dòng)問題。同樣，過小的電容又會(huì)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(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī)載壓力傳感器的誤差分析，計(jì)算出壓力傳感器的實(shí)測(cè)準(zhǔn)確度及雙余度壓力傳感器的一致性。對(duì)機(jī)載傳感器RC 電路設(shè)計(jì)的機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了在VDD 和VDDF 之間連接一個(gè)肖特基二極管，與RC 濾波器中的R 并聯(lián)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，保證了機(jī)載傳感器的性能。該設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)試車等試驗(yàn)造成的影響。目前系統(tǒng)內(nèi)其他多家單位對(duì)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。