李宇飛，石群燕，鄒興洋

（1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035；2.航空工業(yè)成都凱天電子股份有限公司，成都 610000）

0 引言

硅壓阻式壓力傳感器具有結構簡單、靈敏度高、動態(tài)響應特性好、抗過載能力強等優(yōu)點，廣泛用于壓力測量。但由于硅半導體對溫度的敏感性，傳感器無法避免產生零點漂移和溫度漂移[1-4]，因此在溫度變化范圍廣的應用場合，需對其進行補償。發(fā)動機的壓力傳感器普遍采用熱敏電阻補償的方式來提高精度。目前，對于部隊配裝的發(fā)動機，開環(huán)供油起動占主導地位[5]，這種起動方式對壓力傳感器精度十分敏感?；跓崦綦娮柩a償的壓力傳感器很難滿足發(fā)動機在寬溫度范圍內壓力測量的精度要求，導致發(fā)動機地面起動成功率不高。為保證發(fā)動機起動成功率，在地面起動前通常要對壓力傳感器進行標定。這種調整方式增加了機務的工作量，影響飛行任務的執(zhí)行[6-7]，同時該方法僅標定了傳感器在地面條件下的精度，未考慮空中起動、高溫起動、低溫起動等狀態(tài)。而在上述狀態(tài)起動時壓力傳感器所處環(huán)境與地面起動時有較大差異，傳感器易產生測量偏差，造成發(fā)動機起動不成功，影響發(fā)動機安全。本文以某型發(fā)動機為平臺，分析了壓力傳感器需要達到的精度，對于傳感器精度不滿足要求的情況，提出了一種補償電路的優(yōu)化措施。

1 某型發(fā)動機壓力傳感器測量精度要求

某型發(fā)動機壓力傳感器分為兩類：一類用于油壓采集，包括燃油壓力和滑油壓力；另一類用于空氣壓力采集，包括進氣壓強P0和壓氣機后壓強P3。油壓不參與控制，僅作為告警使用，對傳感器精度要求不高。而P0和P3參與發(fā)動機燃油控制，對傳感器精度要求較高。該型發(fā)動機裝配的P0傳感器工作環(huán)境溫度為-55～70℃，壓強測量范圍為0～0.3MPa，精度為±0.5%；裝配的P3傳感器工作環(huán)境溫度為-55～150 ℃，壓強測量范圍為0～3.5 MPa，精度為±0.5%。

根據該型發(fā)動機控制規(guī)律，P0影響發(fā)動機供油、起動最小燃油流量，P3影響發(fā)動機供油、起動最大燃油流量。發(fā)動機最小燃油流量和最大燃油流量屬于發(fā)動機限制計劃，在發(fā)動機工作過程中投入時間少，且在設計時留有較大裕度。經過試驗驗證，精度為±0.5%的P0和P3傳感器完全可以滿足上述兩種計劃在發(fā)動機全包線范圍內的使用。

該型發(fā)動機起動采用開環(huán)控制，P0和P3參與起動燃油流量計算。在起動點火流量控制計劃中，

在起動前程加速計劃中，

在起動后程加速計劃中，

式中Wf0為起動點火燃油流量，Wf1為起動前程加速供油量，Wf2為起動后程加速供油量，n2為高壓轉子轉速，f1、f2、f3為起動系數。

從式（1）可以看出，Wf0僅與P0相關，Wf0的精度δWf0為[8]

式中δP0為P0的精度，K1為P0對Wf0的影響系數，

結合式（1）（5），可得K1=3.3。δWf0由試驗數據確定，發(fā)動機穩(wěn)定起動時的δWf0如表1 所示。從表1 可以看出，δWf0至少要達到±5.8%，才能滿足穩(wěn)定起動要求。將δWf0=±5.8%和K1=3.3 代入式（4），可得δP0=±1.75%。

表1 發(fā)動機穩(wěn)定起動時的δWf0

從式（2）可以看出，Wf1與P0、P3、n2相關。Wf1的精度δWf1為[8]

式中：K2為P0對Wf1的影響系數，K2=(ΔWf1/ΔP0)×(P0/Wf1)=4.6；K3為P3對Wf1的影響系數，K3=(ΔWf1/ΔP3)×(P3/Wf1)=25.8；K4為 n2對 Wf1的影響系數，K4=(ΔWf1/Δn2)×(n2/Wf1)=6.4；δP3為P3的精度；δn2為n2的精度，該型發(fā)動機的δn2=±0.2%。

發(fā)動機穩(wěn)定起動時的δWf1如表2 所示。從表2 可以看出，δWf1至少要達到±4.3%，才能滿足穩(wěn)定起動要求。式（6）中還有δP0與δP3不確定，由于K3遠大于K2，δWf1主要由δP3確定。令δP0為±0.5%，將上述參數代入式（6），計算得δP3=±0.33%。

表2 發(fā)動機穩(wěn)定起動時的δWf1

從式（3）中可以看出，Wf2與P3和n2相關，Wf2的精度δWf2為[8]

式中：K5為P3對Wf2的影響系數，K5=(ΔWf2/ΔP3)×(P3/Wf2)=16.7；K6為 n2對 Wf2的影響系數，K6=(ΔWf2/Δn2)×(n2/Wf2)=31.6。發(fā)動機穩(wěn)定起動時的δWf2如表3 所示，從表3 可以看出，δWf2至少要達到±5.9%，才能滿足穩(wěn)定起動要求。將上述數值代入式（7），可得δP3=±1.1%。

表3 發(fā)動機穩(wěn)定起動時的δWf2

發(fā)動機在起動點火時δP0需控制在±1.75%以內；發(fā)動機起動前程加速時，δP0需控制在±0.5%以內，δP3需控制在±0.33%以內；發(fā)動機起動后程加速時，δP3需控制在±1.1%以內。綜上，發(fā)動機在起動全過程中，δP0=±0.5%，δP3=±0.33%。而該型發(fā)動機原裝配的P0壓力傳感器精度為±0.5%，滿足要求，原裝配的P3壓力傳感器精度為±0.5%，不滿足起動要求，需進行優(yōu)化設計。

2 壓力傳感器補償電路優(yōu)化設計

P3傳感器為硅壓阻式壓力傳感器，傳感器芯體的4 個壓敏電阻組成惠斯通電橋。P3傳感器原理如圖1所示。當給電橋提供激勵電壓時，橋臂電阻的變化轉變?yōu)殡妷盒盘?，該電壓信號與感受的壓力信號成正比，其電橋輸出為

圖1 P3 傳感器原理

式中Vin為輸入激勵電壓，Vout為輸出電壓，R1、R2、R3、R4為等效惠斯通電橋各橋臂電阻值。P3傳感器采用熱敏電阻補償，通過3 個電阻RT1～RT3實現敏感度補償、零點溫度補償和全程輸出調整[9]。該補償電路簡單、可靠，但只考慮傳感器的零點漂移隨溫度的單一變化，未考慮其他因素對傳感器的零點漂移曲線非單調變化的影響，所以在實際應用中，采用熱敏電阻補償的傳感器精度很難再提高。

為了提高硅壓阻式壓力傳感器測量精度，需對補償電路進行優(yōu)化。目前精度較高的補償方式分為硬件補償和軟件補償兩種[10-11]。硬件補償通過在傳感器中嵌入信號調理芯片，調節(jié)橋臂供電電壓和輸出電壓，從而實現補償；軟件補償通過分析壓力和溫度的關系，擬合溫度與壓力的曲線，從而實現補償。軟件補償需在壓力傳感器處增加溫度傳感器，且補償算法需占用控制器CPU 的計算資源和一定的存儲空間?？紤]到該型發(fā)動機CPU 主頻較低，存儲空間緊張，如果采用軟件補償則需要在控制器和傳感器中增加相應的硬件，改動量較大。信號調理芯片MAX1452 采用窄間距、小型的24 腳封裝，尺寸小，功耗低，可直接集成在傳感器中，因此本文選用其對電路進行優(yōu)化[12-13]。

MAX1452 是一款高度集成的模擬傳感器信號處理器，可用于優(yōu)化工業(yè)生產過程中采用阻性元件的傳感器。其具有放大、校準和溫度補償功能，綜合工作特性可以逼近傳感器所固有的可重復能力。MAX1452內部結構包含1 個可編程傳感器激勵、1 個16 位的可編程增益放大器（PGA）、1 個768 B 的內部EEPROM，4 個16 位的DAC、1 個通用運算放大器以及1 個內嵌的溫度傳感器。

圖2 為優(yōu)化后的P3傳感器原理圖，MAX1452 通過輸入偏置寄存器和跨度溫度系數（FSOTC）寄存器中寫入的16 位校準系數進行一階溫度補償。對于殘留高階項，MAX1452 將FSOTC 和溫度系數（TC）以表格的形式存儲在EEPROM 中，FSOTC 和TC 各有176個數據，數據間隔的溫度約為1.5 ℃。根據溫度傳感器的溫度指針，補償電路自動從存儲器獲取當前溫度下的系數，通過16 位DAC 將FSOTC 轉換后，調節(jié)傳感器的激勵電壓，提供給壓力芯體，實現傳感器滿量程輸出信號的校準修正。TC 通過16 位DAC 后參與加法運算，實現傳感器的零位輸出的校準修正。

圖2 優(yōu)化后的P3 傳感器原理

P3傳感器補償電路如圖3 所示，該電路包括信號調理芯片MAX1452、連接器XT1 和運算放大器XL158。

圖3 P3 傳感器補償電路

壓力芯體的激勵電源由MAX1452 的BDR 管腳提供，輸出的電壓信號進入MAX1452 的INP 和INM管腳。調理過后的信號被MAX1452 輸入內部的運算放大器，經跟隨后輸出至XL158，后經跟隨輸出、濾波后進入電子控制器進行采集。

UNLOCK、DIO 和GND 信號通過XT1 與單片機相連，單片機通過DIO 信號配置MAX1452 的寄存器，并在MAX1452 內部的EEPROM 中寫入FSOTC和TC。

采用MAX1452 軟件補償后的P3傳感器測試數據如表4 所示，從表4 可以看出，傳感器在0～3.5 MPa、-55～150 ℃范圍內精度優(yōu)于±0.3%。發(fā)動機換裝改進傳感器后地面起動數百次，均未出現由傳感器測量誤差引起的起動失敗事故，在傳感器不校準的情況下，高原起動數十次也均成功。

表4 采用MAX1452 軟件補償后的P3 傳感器測試數據

3 結論

本文針對某型發(fā)動機起動成功率不高，且需要根據使用溫度、高度頻繁標定壓力傳感器的情況，在分析發(fā)動機起動供油控制規(guī)律和起動數據的基礎上，提出了發(fā)動機壓力傳感器精度范圍。原發(fā)動機P3傳感器采用的熱敏電阻補償方式不滿足精度要求，本文以MAX1452 為核心補償電路替代原電路，經驗證該優(yōu)化方法有效提高了發(fā)動機的起動成功率，減少了發(fā)動機外場校準的工作，具有良好的工程適用性。