某型航空发动机机载压力传感器误差分析及改进设计

邢 威， 孔庆有， 吴红肖， 刘业路， 程 昊， 王舜禹

（中国航发沈阳发动机研究所， 辽宁 沈阳 110015）

引言

某型航空发动机机载压力传感器安装在发动机外涵前机匣，用于测试发动机重要性能参数，并将压力信号转换为电信号传输给数字式电子控制器，用以对发动机状态进行实时控制。每种压力信号均通过双传感器测试来实现双余度设计，每个传感器要求电源信号和输出信号各自独立。

鉴于在发动机测试、实时控制中具有的重要作用，对机载压力传感器的研究十分必要。本文首先结合某型发动机的整机试车和机载实际使用工况，介绍了机载压力传感器的性能分析。在此基础上，通过对传感器电路的机理分析，提出相应改进措施。

1 误差分析

1.1 测试准备

某型发动机机载压力传感器用于测试PH、P31及P6。在发动机初期试车过程中，发动机的机载压力传感器依据出厂时的参数应用。由于传感器稳定性无法验证，故对其进行测试并给出误差分析。测试按照如下步骤进行。

1）基于传感器供电要求，选用直流稳压电源供电；为达到热平衡，校准前，机载压力传感器盒必须在校准环境中放置2 h 以上。按输入文件中供电要求设置供电电压，接通直流稳压源，通电预热15 min 以上。

2）基于PH、P6 及P31 的量程及精度，选精度0.01%rdg 的高精度数字式压力控制器提供标准压力，将机载压力传感器盒与数字压力控制仪放置在水平工作台上，调节机载压力传感器盒的位置，使其压力测量端口与数字压力控制仪取压口处于同一平面上。按照图1 要求连接测量标准、配套设备和被校机载压力传感器。

3）采用直接测量法进行校准。使用测量标准，从测量下限开始平稳地输入标准压力至各校准点，待压力稳定后，依次记录机载压力传感器各校准点输出值至测量上限，读取并记录机载压力传感器各校准点输出值，完成校准。

1.2 测试分析

对某批次机载压力传感器进行独立测试，根据测试数据，计算出压力传感器的实测准确度，并给出双余度压力传感器的一致性。

实测准确度ΔC的计算公式如式（1）：

其中：ΔA=Ad-As

式中：ΔA为各测试点的测试误差；Ad为上行程或下行程各测试点的实际输出值；As为各测试点的理论输出值。经测试，可得到PH、P6 及P31 的A、B 通道测试数据，并计算出双余度压力传感器的一致性。见下页表1。

表1 A 和B 通道测试数据的一致性

计算公式如式（2）：

式中：Δy为A 和B 通道测试数据的一致性；AA为A通道各检定点的输出值；AB为B 通道各检定点的输出值；As为各检定点的理论输出值。

2 设计改进

机载压力传感器内部核心电路是MAX1452 信号调理芯片，MAX1452 工作时有两个电源输入：VDD 为内部逻辑电路和模拟电路供电；VDDF 为芯片内EEPROM存储器供电。在系统中，一般VDD 和VDDF可以直接连接在一起，也可以通过一个电阻连接。MAX1452 在常规设计下，典型的应用电路中，VDDF引脚有一个RC 电路（R 在VDD 和VDDF 之间，C 在VDDF 和GND 之间）。原设计的电路是在VDD 和VDDF 之间串接了一个R=4.7 k 的电阻，在VDDF 和GND 之间串接了一个C=0.1μF 的电容。

因受成本和空间限制和所选择的VDD 电源通常驱动能力有限，在EEPROM 工作时可能无法维持VDD 电压，因此需要一个RC 滤波器。但由于电源的驱动能力有限，使得工作期间系统可能存在一些隐患，在试车过程中有可能得以浮现。其中之一就是可能导致启动时进入错误的模式，一旦出现该问题，输出将以数字模式开启，而非模拟模式。发生这个问题是由于VDDF 电压上升缓慢，远远滞后于VDD，这也会导致闪存控制地址读写的不可靠；第二问题是：VDD 上的纹波所引起的输出噪声耦合到输出端。

对该产品相继进行了系列试验，试验发现原有故障的产品重新上电后，有时也能进入非故障状态，并且一旦进入非故障状态，只要不重新上电启动，产品就能长期正常稳定工作；同样一旦故障出现，产品就长期输出为几毫伏或最大值4.5 V 以上。因MAX1452信号调理芯片进入到了数字模式工作状态，所以输出才能只有最大和最小两种状态，而数字工作状态只是用来给芯片产品升级输写程序专用的，正常信号调理工作状态应稳定工作在模拟状态。

初步锁定故障原因后，又对信号调理芯片进入数字状态的故障原因进行了研究分析，发现决定MAX1452 信号调理芯片工作在数字和模拟不同状态的因素取决于该芯片两个电源引脚（VDD 和VDDF）的供电时序，如果在VDD 上电到位后，VDDF 在10～50μs 时间内也完成上电，则MAX1452 信号调理芯片进入模拟状态下工作；如果在VDD 上电到位后，VDDF 上电时间远落后于VDD 上电时间，则MAX1452 信号调理芯片进入数字状态下工作。回头再分析161 厂设计的电路，VDD 与VDDF 间只用了一个RC 电路，R=4.7 kΩ、C=0.1 μF，因而造成VDDF上电时间落后VDD 远大于10～50 μs 的设计参考值；所以造成MAX1452 信号调理芯片进入了数字状态下工作。

简单的解决办法是减小RC 电路中的R 值，以实现减小RC 电路的时间常数，但该方法不是100%的可靠，其存在受到干扰等特殊情况下MAX1452 信号调理芯片仍能进入到数字工作模式的可能。如果具体应用中，所选择的VDD 电源具有足够的电流驱动能力时，就不会出现上述所有问题。

利用VDDF 连接的RC 滤波器可以抑制输出噪声，但不能避免上电顺序问题，可以在VDD 和VDDF之间连接一个肖特基二极管，与RC 滤波器中的R 并联，见图2。

肖特基二极管的正向电压必须小于VDD 和GND 之间寄生二极管的正向电压，并且还要提供足够的裕量，保证机载传感器在最大工作温度下不会导通。BAT54 肖特基二极管的正向电压在25 ℃时为300 mV，测试证明能够满足本应用的要求。在VDD 和VDDF 之间连接该二极管可以带来以下好处：

解决启动问题，二极管使VDDF 电压紧随VDD电压—相差一个二极管压降（小于300 mV）。因此，当出现POR 信号时，VDDF 电压位于正确电平，正确读出EEPROM的控制位置，因此能够以正确模式启动。

降低输出噪声，连接二极管后可以使用更大容值的C（在大电流读操作期间，维持VDDF 电平所需的最小电容为0.47μF）和更大阻值的R（典型值为1kΩ）。使用较大的RC 后，无论RC 滤波器的时间常数多大，VDD 和VDDF 的压差始终为一个二极管压降（小于300 mV），读操作期间，因电容C 可以更大，更有利于消除对VDD 的纹波干扰。如果没有二极管，过大的RC 会引起VDDF 上升时有很大的延时，并可能导致启动问题。同样，过小的电容又会引起VDD 尖峰电压耦合到输出，造成不必要的输出干扰。连接二极管后，VDDF 上电起动延迟问题得以彻底解决，且RC 电路中的C 选取为0.47 μF，也解决了VDD 尖峰电压耦合输出干扰问题。

3 结论

本文给出了某型航空发动机机载压力传感器的误差分析，计算出压力传感器的实测准确度及双余度压力传感器的一致性。对机载传感器RC 电路设计的机理进行了分析，提出了在VDD 和VDDF 之间连接一个肖特基二极管，与RC 滤波器中的R 并联的改进设计，保证了机载传感器的性能。该设计方案已投入实际应用多年，取得令人满意的效果，通过对机载压力传感器存在的故障排查、分析，现已从多方面完成质量改进，避免了因出厂失误而对试车等试验造成的影响。目前系统内其他多家单位对新购进的机载传感器，采取的方式也多是首批必须入厂检定校准，有力保护了试车数据的可靠。