張雷 趙昆 孫科

摘要：針對(duì)運(yùn)輸機(jī)上長(zhǎng)雙絞線線間電容引起的壓力傳感器工作穩(wěn)定性及測(cè)量誤差問題，該文首先就容性負(fù)載對(duì)壓力傳感器的影響及壓力傳感器工作穩(wěn)定性要素進(jìn)行分析并利用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真研究。然后，提出利用增加隔離電阻的方法來(lái)消除容性負(fù)載引起的壓力傳感器信號(hào)振蕩，并進(jìn)行理論分析。最后，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法能夠解決壓力傳感器工作不穩(wěn)定的問題，減小測(cè)量誤差。該文對(duì)運(yùn)輸機(jī)中壓力傳感器輸出信號(hào)振蕩問題的研究可為今后飛行測(cè)試中使用的各類模擬量傳感器的設(shè)計(jì)制造提供借鑒和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：振蕩；線問電容；容性負(fù)載；波特圖

0引言

在試驗(yàn)機(jī)定型試飛過(guò)程中，各種壓力精確、穩(wěn)定的測(cè)量直接關(guān)系到飛行器質(zhì)量和安全的有效評(píng)估，是飛行試驗(yàn)中最為重要的測(cè)量參數(shù)。為了更加準(zhǔn)確地給飛行器及相關(guān)武器裝備的性能品質(zhì)評(píng)判提供依據(jù)，航空測(cè)試領(lǐng)域使用的壓力傳感器正向著高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、高可靠性以及多測(cè)量方式結(jié)合的方向發(fā)展。目前，相關(guān)的研究主要集中在溫度對(duì)壓力傳感器性能的影響方面。劉鵬，石海星分別提出了基于溫度調(diào)理芯片和符合CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝的溫度補(bǔ)償電路方案以改善溫度對(duì)壓力傳感器測(cè)試性能的影響。賀曉雷等研究并使用絕緣體硅片（silicon-on-insulator，SOI）材料制作壓阻式壓力傳感器以降低壓力傳感器的測(cè)量誤差。雖然這些方案中壓力傳感器輸出信號(hào)的溫度漂移均有一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的改善，但它們的實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜且未考慮實(shí)際使用過(guò)程中外部設(shè)施對(duì)傳感器性能的影響。

在實(shí)際的試驗(yàn)試飛中，用于傳輸壓力信號(hào)的雙絞線的電氣特性將會(huì)影響壓力傳感器內(nèi)部信號(hào)放大電路的工作穩(wěn)定性，當(dāng)其工作在不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)壓力傳感器的測(cè)量誤差將顯著增大。Wells利用波特圖闡明了容性負(fù)載會(huì)對(duì)運(yùn)放電路的工作穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，并使用增加系統(tǒng)傳輸函數(shù)零點(diǎn)的方案消除了容性負(fù)載對(duì)運(yùn)放電路的影響。目前，針對(duì)航空測(cè)試領(lǐng)域中用于傳輸信號(hào)的雙絞線對(duì)模擬量傳感器的影響研究還很少。針對(duì)上述問題，本文研究了運(yùn)輸機(jī)試飛測(cè)試過(guò)程中長(zhǎng)雙絞線對(duì)壓力傳感器工作穩(wěn)定性及測(cè)量誤差的影響，提出在壓力傳感器中使用隔離電阻以消除雙絞線對(duì)其性能影響的方案并從理論、仿真及實(shí)際實(shí)驗(yàn)3個(gè)方面驗(yàn)證該方案的有效性。

1容性負(fù)載對(duì)壓力傳感器測(cè)量值的影響

在試飛測(cè)試任務(wù)中為了提高傳輸信號(hào)質(zhì)量，減小外界環(huán)境對(duì)傳輸信號(hào)的影響，常使用雙絞線作為壓力傳感器輸出信號(hào)的傳輸介質(zhì)，然而雙絞線由于兩根導(dǎo)線的絞合而具有線間電容。特別是運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)大于一般的小型飛機(jī)，用于傳輸壓力信號(hào)的雙絞線長(zhǎng)度甚至?xí)笥?0m，設(shè)計(jì)使用的壓力傳感器若不考慮運(yùn)輸機(jī)這一特點(diǎn)，其連接的雙絞線的線間電容會(huì)對(duì)壓力傳感器工作特性產(chǎn)生巨大影響。

1.1運(yùn)輸機(jī)壓力傳感器輸出信號(hào)

在運(yùn)輸機(jī)上利用示波器觀測(cè)壓力傳感器在連接不同長(zhǎng)度雙絞線情況下的輸出信號(hào)波形，如圖1、圖2所示。

對(duì)比可知，當(dāng)雙絞線長(zhǎng)度達(dá)到一定長(zhǎng)度后，載機(jī)平臺(tái)壓力傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生了明顯的波動(dòng)，該波動(dòng)被稱為振蕩。當(dāng)采集器利用RMS方法對(duì)該信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)得到的輸出測(cè)量值將異常偏大。

1.2雙絞線對(duì)壓力傳感器校準(zhǔn)結(jié)果影響

在任意飛行試驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備時(shí)，載機(jī)上所需加裝的壓力傳感器都會(huì)在實(shí)驗(yàn)室中使用獨(dú)立導(dǎo)線對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，以便后期得到飛行測(cè)試數(shù)據(jù)后使用實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)曲線計(jì)算得到實(shí)際壓力測(cè)量值。但如1.1節(jié)所述，壓力傳感器輸出端連接的長(zhǎng)雙絞線會(huì)使其輸出信號(hào)產(chǎn)生振蕩，所以使用校準(zhǔn)曲線處理采集器輸出異常偏大的測(cè)量值將會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果異常偏大。使用不同長(zhǎng)度雙絞線時(shí)壓力傳感器實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。利用表中數(shù)據(jù)得到在實(shí)驗(yàn)室中使用30 m和0.5 m兩種不同長(zhǎng)度雙絞線時(shí)壓力傳感器校準(zhǔn)曲線如圖3所示。

從圖中看出，雙絞線長(zhǎng)度的增加并未造成壓力傳感器校準(zhǔn)曲線線性度的變化。將圖3中兩條不同校準(zhǔn)曲線做差，得到使用不同長(zhǎng)度雙絞線時(shí)壓力傳感器的校準(zhǔn)誤差曲線，如圖4所示。

可以看出，使用的雙絞線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)室中采樣得到的校準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量值就越大，同時(shí)，由于長(zhǎng)雙絞線并不會(huì)影響校準(zhǔn)曲線的線性度，因此，圖4中的誤差曲線變化幅度很小。在實(shí)際飛行試驗(yàn)中，運(yùn)輸機(jī)上有關(guān)壓力值的測(cè)量過(guò)程與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)過(guò)程一樣，所以當(dāng)載機(jī)上壓力傳感器連接的雙絞線長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，在雙絞線終端輸出的電壓信號(hào)測(cè)量值就越大，進(jìn)而造成使用實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)曲線計(jì)算得到的實(shí)際物理測(cè)量值異常偏大。

2影響壓力傳感器性能的關(guān)鍵問題分析

2.1壓力傳感器設(shè)計(jì)原理及關(guān)鍵問題

飛行試驗(yàn)中運(yùn)輸機(jī)上有關(guān)壓力測(cè)量系統(tǒng)的原理示意圖，如圖5所示。

圖中A點(diǎn)表示壓力傳感器輸出端，B點(diǎn)表示載機(jī)上對(duì)壓力傳感器輸出信號(hào)采集的采集器輸入端。兩種設(shè)備間使用雙絞線進(jìn)行信號(hào)的傳輸。

在運(yùn)輸機(jī)試飛測(cè)試領(lǐng)域廣泛使用的壓力傳感器是基于電阻應(yīng)變片的工作原理，如圖6所示。壓力傳感器利用恒壓源或者恒流源作為激勵(lì)源，電橋輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路和最終的放大電路處理后，得到最終的壓力測(cè)量輸出信號(hào)。在實(shí)際飛行試驗(yàn)過(guò)程中，壓力傳感器使用的雙絞線的線間電容特性等價(jià)于壓力傳感器最后一級(jí)放大電路增加一個(gè)容量值一定的容性負(fù)載，如圖7所示。

2.2運(yùn)算放大器穩(wěn)定性分析

2.2.1運(yùn)算放大器振蕩原因分析

使用運(yùn)算放大器時(shí)，穩(wěn)定性是需要考慮的關(guān)鍵問題。當(dāng)運(yùn)算放大器工作在不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，由于輸入端的噪聲和瞬態(tài)電壓，即使其輸入端沒有信號(hào)，輸出端也會(huì)有不期望的電壓波動(dòng)，即振蕩。

在壓力傳感器中采用負(fù)反饋方式的運(yùn)算放大器，其反饋到放大器輸入端的信號(hào)和輸入信號(hào)相抵，可以有效地減小運(yùn)算放大器帶來(lái)的電壓增益。因此，只要運(yùn)放環(huán)路中的反饋是負(fù)的，運(yùn)算放大器就是穩(wěn)定工作的。但是當(dāng)運(yùn)放反相輸入端輸入的反饋信號(hào)相位與正相輸入端輸入信號(hào)的相位一致時(shí)，運(yùn)算放大器就會(huì)工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)生振蕩。負(fù)反饋運(yùn)算放大器的原理示意圖，如圖8所示。

綜上可知，當(dāng)運(yùn)算放大器輸出信號(hào)產(chǎn)生振蕩時(shí)，其一定滿足以下條件：

1）必須有正反饋：

2）閉環(huán)放大器環(huán)路增益必須大于1。

壓力傳感器中使用的運(yùn)放電路原理如圖9所示。雙絞線的線間電容與放大器本身的輸出電阻Ro構(gòu)成一個(gè)RC滯后網(wǎng)絡(luò)，因此輸入放大器反相輸入端的反饋信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一定的相移‰（即延遲）。

為了方便研究，本文采用相位裕量，對(duì)運(yùn)放穩(wěn)定性問題進(jìn)行分析，它是使反饋環(huán)路總相移為360°（360°等價(jià)于0°）時(shí)的額外相移，即運(yùn)放發(fā)生正反饋時(shí)所需的額外相移，如下式所示：

2.2.2運(yùn)算放大器振蕩仿真

使用Multisim電路仿真軟件對(duì)圖9所示的運(yùn)放電路的工作穩(wěn)定性進(jìn)行仿真，其原理如圖10所示。最終得到信號(hào)時(shí)域波形圖，如圖11所示，其中信號(hào)源采用60HZ，10 mVrms的交流仿真信號(hào)源。

從圖11看出該運(yùn)放工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，其輸出信號(hào)發(fā)生振蕩，進(jìn)而造成在采集器輸入端的測(cè)量值增大，與1.1節(jié)載機(jī)上示波器觀測(cè)結(jié)果一致。

3運(yùn)算放大器穩(wěn)定性補(bǔ)償

在2.2.1節(jié)中本文分析了壓力傳感器的運(yùn)算放大器工作狀態(tài)不穩(wěn)定的原因是由于傳感器信號(hào)輸出端連接的長(zhǎng)雙絞線引入了較大的容性負(fù)載，導(dǎo)致其反饋網(wǎng)絡(luò)引入了額外相移。當(dāng)這些相移等于或者超過(guò)180°時(shí)，放大器就會(huì)產(chǎn)生振蕩。因此，若要使壓力傳感器在具有較大容性負(fù)載的情況下依然能夠穩(wěn)定工作就必須對(duì)滯后的相位進(jìn)行補(bǔ)償。

3.1運(yùn)算放大器輸出信號(hào)相位補(bǔ)償原理

為了使運(yùn)算放大器能夠穩(wěn)定工作，本文采用增加隔離電阻的方法來(lái)補(bǔ)償由于較大的容性負(fù)載所帶來(lái)的相位滯后。其原理框圖如圖12所示，圖中R表示隔離電阻。

當(dāng)壓力傳感器輸出端增加容性負(fù)載后，圖9中所示電路電容輸入端B點(diǎn)的信號(hào)相位會(huì)由于電容c自身的充放電特性而與運(yùn)放內(nèi)部輸出電阻R輸入端A點(diǎn)的信號(hào)相位產(chǎn)生相移㈣，也就是本文2.2.1節(jié)中所述的反饋網(wǎng)絡(luò)相移。為了消除由于容性負(fù)載造成的額外相移，可以在圖9所示的原理圖中的電阻R與容性負(fù)載間增加隔離電阻R，得到圖12所示的原理圖。此時(shí)反饋信號(hào)為隔離電阻R輸入端B點(diǎn)的信號(hào)，而且其與電阻R輸入端A點(diǎn)的信號(hào)相位相同，消除由于容性負(fù)載而帶來(lái)的相位延遲。

本文從系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度對(duì)增加隔離電阻以使運(yùn)放穩(wěn)定工作的方法進(jìn)行分析。根據(jù)圖9可以計(jì)算得到，未增加隔離電阻時(shí)運(yùn)放反饋回路的傳輸函數(shù)為其中R'=Ro+Ri+Rr。

從式（4）能夠看出，當(dāng)運(yùn)放電路增加容性負(fù)載后，運(yùn)放反饋環(huán)路的傳輸函數(shù)增加一個(gè)極點(diǎn)，該極點(diǎn)的增加意味著反饋信號(hào)產(chǎn)生90°相移，這會(huì)使系統(tǒng)的不穩(wěn)定度增加。利用波特圖對(duì)未增加隔離電阻時(shí)的運(yùn)放回路分析，如圖13所示。

從圖中看出運(yùn)放環(huán)路增益無(wú)限接近0dB時(shí)，相位裕度<0°。根據(jù)2.2.1節(jié)運(yùn)算放大器振蕩產(chǎn)生的兩個(gè)條件，此時(shí)反饋信號(hào)是以輸入信號(hào)同相反饋的，滿足條件1），同時(shí)，其閉環(huán)回路增益為I+RdRi>1滿足條件2），所以該運(yùn)放工作在不穩(wěn)定狀態(tài)。

計(jì)算圖12所示的運(yùn)放反饋環(huán)路的傳輸函數(shù)為

由式（5）可知，此時(shí)系統(tǒng)的傳輸函數(shù)具有一個(gè)零點(diǎn)，而零點(diǎn)的增加最終會(huì)使反饋信號(hào)相位超前90°，這有效地補(bǔ)償了原滯后網(wǎng)絡(luò)的相位延遲，使運(yùn)放工作趨于穩(wěn)定。

根據(jù)圖13中環(huán)路相位曲線分析，利用式（5）計(jì)算，可以得出要補(bǔ)償4nF負(fù)載電容所產(chǎn)生的相位延遲，需要在放大器輸出端增加一個(gè)大于1kQ的隔離電阻。

利用Multisim仿真軟件對(duì)圖12增加一個(gè)2kQ的隔離電阻后的運(yùn)放電路進(jìn)行波特圖分析，得到結(jié)果如圖14所示。

對(duì)比圖13和圖14可知，當(dāng)在運(yùn)放輸出端增加隔離電阻后，原開環(huán)增益曲線在40 kHz頻率左右得到了補(bǔ)償，開環(huán)增益曲線由原先大于40dB十倍頻程下降補(bǔ)償為20 dB/十倍頻程下降。同時(shí)，在該頻點(diǎn)處開環(huán)增益為0dB時(shí)，相位裕量>66°，說(shuō)明此時(shí)運(yùn)放的反饋信號(hào)已經(jīng)由正反饋信號(hào)轉(zhuǎn)變成負(fù)反饋信號(hào)，運(yùn)放已經(jīng)能夠穩(wěn)定工作。

3.2相位補(bǔ)償后時(shí)域仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖15為運(yùn)放增加隔離電阻后其輸出信號(hào)的仿真結(jié)果。當(dāng)在運(yùn)算放大器輸出端與容性負(fù)載之間增加隔離電阻后，運(yùn)算放大器輸出信號(hào)的振蕩消失，輸出信號(hào)恢復(fù)正常。

同時(shí)，利用Muhisim仿真軟件的萬(wàn)用表模塊測(cè)量得到放大器輸入信號(hào)的幅值、放大器輸出端信號(hào)的幅值以及放大器負(fù)反饋端的信號(hào)幅值，如圖16所示。

由圖可知，當(dāng)輸出信號(hào)不再振蕩時(shí)，放大器輸出端的輸出信號(hào)幅值與理論輸出信號(hào)幅值相同，說(shuō)明此時(shí)放大電路的工作正常。

在得到圖15和圖16的仿真結(jié)果后，本文對(duì)實(shí)際飛行試驗(yàn)中采用的增加隔離電阻后的壓力傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)和上機(jī)試驗(yàn)并得到了相關(guān)結(jié)果。表2為在實(shí)驗(yàn)室中壓力傳感器輸出端串聯(lián)800Q阻值的電阻后再經(jīng)過(guò)不同長(zhǎng)度雙絞線進(jìn)行信號(hào)傳輸后的校準(zhǔn)結(jié)果。

利用表2得到增加隔離電阻后壓力傳感器校準(zhǔn)曲線和原實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)曲線，如圖17所示。由圖可知，當(dāng)在壓力傳感器輸出端增加隔離電阻后，其輸出電壓信號(hào)的線性度并未受到影響。

利用圖17中的兩條校準(zhǔn)曲線做差，得到增加隔離電阻后壓力傳感器輸出信號(hào)校準(zhǔn)誤差曲線，如圖18所示。

對(duì)比圖4和圖18可知，隔離電阻的增加使壓力傳感器在其全量程范圍內(nèi)幾乎完全消除了由于長(zhǎng)雙絞線線間電容而引起的輸出信號(hào)測(cè)量值誤差，最大誤差結(jié)果在3 mv。在實(shí)際的飛行試驗(yàn)中，該誤差值對(duì)變化范圍為5000m的壓力測(cè)量值來(lái)說(shuō)可以忽略。最后，本文利用示波器在運(yùn)輸機(jī)上對(duì)改進(jìn)后的壓力傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行了觀察測(cè)量，如圖19所示。

對(duì)比圖1、圖2和圖19能夠看出，當(dāng)在壓力傳感器輸出端增加隔離電阻后，由長(zhǎng)雙絞線給壓力傳感器帶來(lái)的容性負(fù)載對(duì)壓力傳感器的影響已經(jīng)消除，傳感器的輸出信號(hào)測(cè)量值恢復(fù)正常。

4結(jié)束語(yǔ)

在飛行測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中容性負(fù)載將影響壓力傳感器的工作穩(wěn)定性及測(cè)量誤差。本文針對(duì)該問題提出在壓力傳感器內(nèi)部增加隔離電阻的方案以消除容性負(fù)載對(duì)其性能的影響，并從理論、仿真和實(shí)際載機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可消除航空測(cè)試任務(wù)中用于傳輸信號(hào)的雙絞線對(duì)壓力傳感器的影響，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文對(duì)壓力傳感器工作穩(wěn)定性和測(cè)量誤差的研究同樣適合于其他航空測(cè)試用模擬量傳感器，且本文提出的隔離電阻方案同樣可消除容性負(fù)載對(duì)它們的性能影響。