飞行器气动参数测试系统设计

石军辉，李永红，王恩怀

(中北大学 仪器与电子学院，山西 太原030051)

0 引 言

随着我国航空、航天事业的不断发展，飞机、火箭等飞行器需要在更高、更恶劣的环境下飞行，这就需要有效的测试手段对飞行器在未知环境中的气动参数进行测试，实时获取飞行器表面的压力场分布参数［1，2］，这样就对飞行器气动参数的测试系统提出了新的要求，即更薄、更小、更精，数据传输速率更快。选择体积小、输出灵敏度高的MEMS压阻式压力传感器SM5420 作为敏感头，传感器的失调和满量程温漂会达到20%～30%左右，要获得足够高的精度，就需要对其进行温度补偿。目前大多补偿方法都是采用小型化、智能化的集成信号调理器进行数字补偿，这样虽然补偿过程简单，但是补偿精度受到信号调理芯片的限制。

本文提出了采用恒流源给传感器提供激励，同时采用高精度的运放和高精度、低温漂、小封装的电阻器搭建补偿电路，对压阻式传感器固有的零点漂移、灵敏度漂移、非线性等性能进行补偿，减少环境温度和元器件对测试精度的影响［3］。

1 系统总体设计

系统由稳压电源电路、激励源电路、MEMS 压力传感器、温度补偿电路、信号调理电路、A/D 转换电路、单片机控制电路、RS—485 串行通信电路以及上位机部分，系统框图如图1 所示。

图1 系统框图Fig 1 Block diagram of system

MEMS 压力传感器输出的微弱差分信号经过温度补偿电路零点和灵敏度补偿后，由信号调理电路对其进行放大、调零、滤波等处理产生所需模拟信号，信号经过A/D 转换器采样转换成数字信号，通过单片机控制模块和串行通信模块将信号传输到上位机［4，5］，基于LabVIEW 开发了上位机软件。

2 电路的设计

2.1 传感器激励的设计

硅压阻式压力传感器内部结构为惠斯通电桥结构，可在恒压或者恒流模式下工作。在恒压模式下，若输出恒压激励为V0，则传感器的正输出端电压，负输出端电压为，传感器输出的差分电压为ΔV=V1-V2，初始状态电桥电阻R1=R2=R3=R4=R，ΔV=0;在受到外界压力时，传感器的输出信号与电阻变化ΔR、电阻R 值以及激励源V0有关;在恒流模式下，若输出恒流激励为I0，则传感器的正端输出电压为V1=I0R2，负输出端电压为V2=I0R3，传感器在受到外力作用后输出的信号为ΔV=V1-V2=2I0R，传感器的输出只与激励电流I0和电阻的变化ΔR 有关，由于硅压阻式传感器很容易受到温度的影响产生漂移，在恒压模式下随着温度的变化，传感器本身电阻R 的变化会对信号产生影响，因此，选择恒流源作为传感器的激励［6］。传感器激励源的稳定与噪声大小直接影响着压力敏感元件的输出，因此，在确保低温漂、低噪声、驱动能力强的选型原则下，选择ADR4525 基准源、AD8506 运放构建驱动电路以及反馈电路。图2 所示为传感器激励原理框图。

图2 激励源原理图Fig 2 Principle diagram of excitation source

2.2 温度补偿电路的设计

温度补偿电路用于对温度发生变化时，敏感元件和构成信号调理电路各主要元器件的输入输出特性的补偿，温度补偿电路提供两类误温度漂移补偿:零点温度漂移补偿与灵敏度温度漂移补偿［7］。理想传感器的输出量与输入量关系

式中 y 为传感器输出;x 为传感器的输入;b 为传感器的零点;k 为传感器的灵敏度。

实际上传感器由于受到环境温度的影响，总是存在着一定的非线性。输入与输出的关系式为

式中 b0为传感器的零点，b(T)为零点的温漂，k0为传感器的灵敏度，k(T)为灵敏度的温漂，ε 为传感器非线性系数。

补偿的原理为将b，k 调整到精确的某个值，最大限度消除温漂值b(T)和k(T)以及二次以上的非线性成分。

2.2.1 零点温度漂移补偿

由温度引起零点变化而造成输出变化的元器件中，压力敏感元件所占比重最大，对零点补偿原理如图3 所示，温度检测元件的输出作为补偿端与待补偿信号做加减运算［8］，最终输出信号即为零点补偿后输出。该部分设计中，温度检测元件选择温度传感器AD590，AD590 封装下、测量范围宽、输出线性，输出信号噪声仅为40 pA，补偿信号不引入更多的噪声;同时由于温度传感器的输出以电流的形式输出，因此，需要通过高精密电阻器将其转换为电压信号后，与待补偿信号做加减运算，电阻器阻值的大小根据测量的零点漂移大小计算。

图3 零点补偿原理Fig 3 Principle of zero point compensation

2.2.2 灵敏度温度漂移补偿

随着温度的变化传感器的满量程输出也会随之变化(即增益发生变化)，从输出来看，该变化可归一为压力敏感元件的灵敏度发生变化，此时，需对传感器的增益特性进行温度补偿。补偿原理如图4 所示，温度检测元件检测到温度变化后，及时调整激励源的基准［9］，调整策略与增益温度特性互补，即增益降低，则增强激励源的基准，由激励源输出相应的恒流;同时可在敏感头的桥臂上串、并联电阻器调整增益特性［10，11］。

图4 灵敏度补偿原理Fig 4 Principle of sensitivity compensation

2.3 信号调理电路的设计

信号调理电路用于将压力传感器输出的差分信号进行放大、滤波，原理图如图5 所示。压阻式传感器输出的电压信号大多为mV 级，采用仪表放大器AD8553 对传感器输出的信号进行放大，AD8553 为轨到轨输出，最大失调电压仅为20 μV，在频响0.01 ～10 Hz 范围内噪声峰峰值为0.7 μV，其中，R 应大于3.92 kΩ;同时由于SM5420 输出的为差分信号，在仪表放大器的输入端需要添加抗射频干扰的滤波电路，如图5 所示，若仪表放大器输入前滤波电路匹配不佳，输入的某些共模信号将转换为差模信号，因此，通常情况下所选的C2至少比C1或者C3大10 倍，用于抑制滤波电路不匹配带来的杂散差分信号;基准源ADR4525 为仪表放大器提供2.5 V 的参考电压，用于调整信号的零位。仪表放大器的输出信号需要进行滤波处理，这里采用MAX295 芯片进行滤波，该芯片为8 阶巴特沃斯滤波器，操作简单，只需提供输入时钟CLK 则可任意控制滤波器的截止频率，输入时钟频率与截止频率的关系为50︰1。

图5 信号调理电路Fig 5 Signal conditioning circuit

2.4 数据采集电路设计

该部分电路主要是将补偿后的模拟信号通过A/D 转换器AD8330 将其转换成数字信号，AD8330 为16 位采样精度，采样率最高可达1 MHz;采用已经使用成熟的微型处理器C8051F410 进行数据采集和处理，微控制器通过SPI 接口采集到量化后信号，同时通过RS—485 总线转USB 适配器与计算机进行通信。

3 传感器标定与测试结果

压力传感器的标定主要是对零点和灵敏度的标定。将压力传感器安装到压力腔体内，共同放入高低温试验箱，打开高低温试验室箱并设置11 个间隔均匀的温度值，在不同的温度梯度下使用压力泵对压力腔体打压，并记录压力传感器在零位和满量程时的输出值，采用最小二乘法对记录的值进行拟合［12］，得到传感器的零点温度漂移值和灵敏度温度漂移值。根据得到的值调整补偿电路使传感器的输出满足要求。

将经过补偿后的压力传感器放入高低温试验箱，高低温试验室箱内温度设置为25 ℃，在量程范围内设置10 个均匀的压力测试点，将测试结果记录到表1 中，采用最小二乘法拟合数据得到补偿后的传感器静态特性。

表1 传感器静态测试数据Tab 1 Static test datas of sensor

通过Matlab 拟合后得到传感器输入与输出的线性关系式为y=0.020 x+2.454，如图6(a)所示;经过计算传感器的静态特性为非线性误差为0.043%，迟滞为0.062%，重复性为0.027%，精度为0.085%，如图6(b)所示，最大误差位于点0 kPa 处，偏差为0.001 54 V，故非线性度小于1.54/(20.29×175)=0.043%，满足设计的要求。在测试的过程中，由于一天当中大气压强的变化测试结果会受到影响。

图6 数据拟合结果Fig 6 Data fitting results

4 结束语

结合大量的工程实践，所设计的压力传感器的校准系统已成功用于某飞行器气动参数测试系统，性能稳定、安装简单。在微型化的基础上，实现了飞行器表面压力场分布的实时性测试，并且测试精度提高到了0.1%，实验数据表明:精度达到了要求，传感器的温度性能得到了改善，为飞行器和其它武器装备在恶劣环境下的研究提供了保障。

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