魏英豪 王晴 蔣干

（蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司軍品研究所 江蘇省蘇州市 215151）

1 引言

某型號(hào)配裝的滑油溫度采集系統(tǒng)是根據(jù)同類溫度采集裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，由于溫度測(cè)量精度的進(jìn)一步提高，對(duì)原有溫度采集電路進(jìn)行了硬件和軟件的改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了溫度采集精度，能夠契合于如今對(duì)飛機(jī)儀表類采集精度日益增高的要求，對(duì)于同類產(chǎn)品中數(shù)據(jù)采集精度的提高具有重要借鑒意義。

2 工作原理介紹

飛機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)常用溫度傳感器有熱電偶溫度傳感器、鉑電阻溫度傳感器等?？紤]到飛機(jī)滑油溫度范圍一般在-50℃～210℃，在此溫度范圍內(nèi)熱電偶電勢(shì)較小，熱敏電阻的非線性較大影響測(cè)溫范圍，非線性補(bǔ)償較復(fù)雜，因此本方法采用PT1000 鉑電阻溫度傳感器，鉑電阻溫度傳感器精度高且無(wú)需冷端補(bǔ)償，在-50℃～300℃溫度范圍內(nèi)非線性較小。

鉑電阻Pt100 是指鉑電阻在0℃時(shí)的電阻值等于1000Ω，選用A 級(jí)精度鉑電阻，允許誤差

公式（1）中：

t——溫度值（℃）

鉑電阻為電阻原件，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，電阻本身會(huì)發(fā)熱，因此產(chǎn)生自然誤差，自然誤差取決于電阻原件的電能輸入和自然系數(shù)。

鉑電阻電阻值隨溫度變化的函數(shù)表達(dá)式為：

對(duì)于-50℃～0℃的溫度范圍，溫度與電阻值的關(guān)系如公式（2）：

對(duì)于0℃～300℃的溫度范圍，溫度與電阻值的關(guān)系如公式（3）：

在公式（2）和公式（3）中：

t——溫度，單位℃；

Rt——t 溫度時(shí)鉑電阻的電阻值；

R0——0℃時(shí)鉑電阻的電阻值；

A——常數(shù)，其值為3.9083×10-3，℃-1；

B——常數(shù)，其值為-5.775×10-7，℃-2；

C——常數(shù)，其值為-4.183×10-12，℃-4。

3 電路設(shè)計(jì)

溫度采集電路主要由恒流源電路、電阻測(cè)量回路、濾波電路、信號(hào)放大電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)硬件濾波、斷路檢測(cè)、以及經(jīng)典和雷電防護(hù)等功能。原理框圖見圖1。

圖1：溫度采集電路原理框圖

考慮到PT1000 溫度傳感器在飛機(jī)上安裝位置距離溫度采集盒較遠(yuǎn)，需要用較長(zhǎng)電纜連接，因此電纜電阻會(huì)導(dǎo)致采集的電阻值虛高，導(dǎo)致采集溫度比實(shí)際溫度偏高。因此本文設(shè)計(jì)了電阻測(cè)量回路用于補(bǔ)償電纜電阻對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響，具體原理見圖2。

圖2：電阻測(cè)量電路原理框圖

（1）該測(cè)量回路中有恒流源輸入I；

（2）RTD 為所需要測(cè)量的鉑電阻，設(shè)RTD 鉑電阻電壓為VR；

（3）RW1、RW2、RW3 為鉑電阻傳感器到標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程接口單元的線路等效電阻，由于線路長(zhǎng)度一致，RW1=RW2=RW3，設(shè)三段線路電壓分別為VW1、VW2、VW3；

（4）設(shè)運(yùn)算放大器U1 反向輸入端電壓為V-，同向輸入端為V+，輸出端電壓為Vout。

根據(jù)測(cè)量回路，可得：

由于V-= V+=VR+VW3，且R1=R2可得：

由于該測(cè)量回路輸入為恒流源，測(cè)得運(yùn)算放大器輸出端電壓Vout，即得到VR電壓并換算得到RTD 電阻值，對(duì)該電阻值進(jìn)一步處理即可得到熱電阻溫度。

PT1000 傳感器信號(hào)采集電路使用高精度低功耗運(yùn)算放大器構(gòu)建激勵(lì)電路和比例放大電路，激勵(lì)電路通過(guò)輸出恒流源信號(hào)將輸入的電阻量信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)。

源端輸入阻值范圍：700Ω～2800Ω，對(duì)應(yīng)輸出電壓為0.7V～2.8V，當(dāng)源端輸入電阻為500Ω～3000Ω 時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出電壓為0.5V～3V，此時(shí)當(dāng)采集到的電壓小于0.5V 或大于3V 進(jìn)行報(bào)警。

輸入信號(hào)經(jīng)接口保護(hù)電路、RC 低通濾波電路、比例放大處理電路后給A/D 電路。使用TVS 管進(jìn)行雷電防護(hù)、靜電防護(hù)，RC低通濾波電路選用電阻R10K、電容C5.3nF，截止頻率為3KHZ。運(yùn)放配置電阻均選用高精度B 級(jí)器件（精度0.1%），降低增益誤差，符合設(shè)計(jì)要求。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件周期訪問(wèn)CPU內(nèi)的1個(gè)A/D通道，依次采樣進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲取外部模擬量，包括1 路電壓模擬量信號(hào)。軟件將采集到的模擬量根據(jù)信號(hào)特性進(jìn)行對(duì)應(yīng)的平滑操作，去除信號(hào)干擾后，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的溫度、電壓信號(hào)。模擬量采集處理功能包含模擬量采集模塊、模擬量平滑模塊和模擬量計(jì)算模塊。每個(gè)模擬量信號(hào)根據(jù)信號(hào)范圍，進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判斷，超邊界范圍時(shí)，報(bào)相應(yīng)的信號(hào)無(wú)效，軟件處理算法流程圖見圖3。

5 驗(yàn)證測(cè)試

為驗(yàn)證采取軟硬件優(yōu)化改進(jìn)后的溫度采集電路的采集精度，本文通過(guò)等效試驗(yàn)來(lái)考察鉑電阻測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量穩(wěn)定性和測(cè)量精度。將PT100 溫度傳感器放置于高精度溫箱中進(jìn)行試驗(yàn)，記錄溫度變化過(guò)程中溫箱實(shí)際溫度和測(cè)量溫度，根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)得到了兩者的誤差，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1：實(shí)際溫度和測(cè)量溫度數(shù)據(jù)記錄

利用最小二乘法（見圖4）得到溫度采集電路中實(shí)際溫度與測(cè)量溫度的擬合直線：

圖3：基于平滑濾波的模擬量采集算法流程圖

圖4：基于最小二乘法的鉑電阻溫度傳感器誤差計(jì)算方法

誤差計(jì)算公式：

由公式7 可知，當(dāng)T實(shí)際=210℃，得到誤差最大值，此時(shí)△max=0.4229℃。

從試驗(yàn)結(jié)果看，改進(jìn)后的溫度采集系統(tǒng)具有較好的精確性，誤差在±0.5℃范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

本文在分析飛機(jī)滑油溫度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量誤差的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)采集電路的硬件和軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提高滑油溫度采集的精度。該設(shè)計(jì)同樣適用于其他型號(hào)同類產(chǎn)品的溫度測(cè)量精度的提升，僅通過(guò)簡(jiǎn)單軟、硬件的更改即可推廣到其它航空產(chǎn)品的數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)中去，這對(duì)軍品老產(chǎn)品的更新?lián)Q代、縮短新產(chǎn)品研制周期、降低研制費(fèi)、產(chǎn)品系列化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)有著深遠(yuǎn)的影響。