飞行器气动参数测试系统设计.pdf

2 0 1 5年 第 3 4卷 第 2期 传感器与微系统 T r a n s d u c e r a n d Mi c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 1 1 3 DO I 1 0 ． 1 3 8 7 3 ／ J ． 1 0 0 0 - 9 7 8 7 2 0 1 5 0 2 - -0 1 1 3 - 0 3 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 0 3 0 0 5 1 摘要为实现飞行器在实际飞行过程中受不同梯度气压影响的实时测试， 设计了一种飞行器气动参数 测试系统。针对压力敏感头在测试过程中温度漂移的问题， 在恒流激励下， 采用高精度元器件完成压力传 感器的零点和灵敏度温度补偿 ， 介绍了各个模块的设计。通过最小二乘法进行曲线拟合得到补偿数据， 经 过测试， 压力测量精度优于 0 ． 1 ％， 验证了设计方案的可行性。 关键词恒流源；压力传感器； 温度补偿 ； 气动参数 中图分类号T P 2 1 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 - 9 7 8 7 2 0 1 5 0 2 -01 1 3 -03 De s i g n o f a i r c r a f t a e r o d y n a m i c p a r a m e t e r s t e s t s y s t e m S HI J u n h u i ，L I Yo n g h o n g ，WANG E n h u a i S c h o o l o f I n s t r u me n t a n d E l e c t r o n i c s ， N o r t h U n i v e r s i t y o f C h i n a ， T a i y u a n 0 3 0 0 5 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T o a c h i e v e r e a l t i me t e s t s o f a i r c r a f t d u r i n g a c t u a l fl i g h t a f f e c t e d b y d i f f e r e n t p r e s s u r e g r a d i e n t s ， d e s i g n a t e s t s y s t e m o f a e r o d y n a mi c p a r a me t e r s o f a i r c r aft ． Ai mi n g a t t e mp e r a t u r e d r i ft p r o b l e m o f p r e s s u r e s e n s i t i v e h e a d d u ri n g t e s t i n g ， e x c i t e d b y c o n s t a n t c u r r e n t ， u s e h i g h p r e c i s i o n c o mp o n e n t s t o c o mp l e t e t e mp e r a t u r e c o mp e n s a t i o n o f z e r o p o i n t a n d s e n s i t i v i t y ， i n t r o d u c e d e s i g n o f e a c h mo d u l e s ． T e s t r e s u l t s h o w s t h a t me a s u r e me n t p r e c i s i o n o f p r e s s u r e p a r a me t e r s b e t t e r t h a n 0 ． 1％ ． v e ri f y f e a s i b i l i t y o f t h e d e s i g n ． Ke y wo r d s c o n s t a n t c u r r e n t s o u r c e ；p r e s s u r e s e n s o r ；t e mp e r a t u r e c o mpe n s a t i o n；a e r o d y n a mi c p a r a i n e t e r 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 J ， 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 ME MS 压阻式压力传感器 S M 5 4 2 0作为敏感头 ， 传感器的失调和 满量程温漂会达到2 O ％ 3 0 ％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 。 收稿 日期 2 0 1 4 ～ 1 0 - 2 2 1系统总体设计 系统由稳压 电源电路、 激励源电路、 M E M S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、 R S - 4 8 5串行通信电路以及上位机部分， 系统框 图如图 1 所 示。 ME MS 传感器} 信号调理k N A／ D转换器 蜜 囡匝 图1系统框图 单片机 控 制 位机 Fi g 1 Bl o c k d i a g r a m o f s y s t e m M E M S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 ， 基于L a b V I E W开发了上位机软件。 l 1 4 传 感 器 与 微 系 统 第 3 4卷 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 v o ， 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 △ ，初始状态电桥电阻 R R 2R 3 R 4 ，A V0 ； 在受到外界压力时 △ 一旦 一旦 ，传感器的输出信号与电阻变化 △ 、 电阻R值以及激 励源 有关； 在恒流模式下， 若输出恒流激励为 厶， 则传感 器的正端输出电压为 V 1 1 o R ， 负输出端电压为 I o ，传感器在受到外力作用后输出的信号为 A Vl ， l 一 2 f 。 R， 传感器的输出只与激励电流 f f1 和电阻的变化 △ R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 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 。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 A D R 4 5 2 5基准源、 A D 8 5 0 6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。 基 准 源卜 驱 动 电 路 卜 电流／ 电压反馈 图 2 激励源原理图 F i g 2 Pr i n c i p l e d i a g r a m o f e x c i t ati o n s o u r c e 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 J 。理想传感器的输出量与输入量 关 系 Y 6 ， 1 式中Y为传感器输出； 为传感器的输入； 6为传感器的零 点； 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 Y 6 0 6 T [ 0 T ] 。 妒 ， 2 式中b 。 为传感器的零点， b 为零点的温漂， 。为传感器 的灵敏度， T 为灵敏度的温漂， 为传感器非线性系数。 补偿的原理为将 6 ， 调整到精确的某个值， 最大限度 消除温漂值 6 T 和 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 力敏感元件所古比重最大， 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 ， 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 A D 5 9 0 ， A D 5 9 0封装下、 测量 范围宽、 输出线性 ， 输出信号噪声仅为4 Op A， 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。 信号输入 } 补偿信号 - J ／／ 图 3 零点补偿原理 Fi g 3 Pr i n c i p l e o f z e r o p o i nt c o m p e n s a tio n 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 ， 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n “ ] 。 丽 云 塑 磊 赢 1 圭 i 望 度 特 性 自 补 输 出 图 4 灵敏度补偿原理 Fi g 4 Pr i nc i p l e o f s e n s i tiv i t y c o mp e n s a tio n 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 m V级， 采用仪表放大器 A D 8 5 5 3对传感器输出 的信号进行放大， A D 8 5 5 3为轨到轨输出， 最大失调电压仅 为2 O V ， 在频响0 ． 0 1 1 0 H z 范围内噪声峰峰值为0 ． 7 V， 其中， R应大于 3 ． 9 2 k H； 同时由于 S M5 4 2 0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 至少 比C 或者 G 大 1 0 倍 ， 用于抑制滤波电路 不匹配带来的杂散差分信号； 基准源 A D R 4 5 2 5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 M A X 2 9 5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 第 2期 石军辉 ， 等 飞行器气动参数测试系统设计 l 1 5 提供输入时钟 C L K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 5 0 1 。 图 5信 号调 理 电路 F i g 5 Si g n a l c o n di t i o ni n g c i r c u i t 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 A D 8 3 3 0 将其转换成数字信号， A D 8 3 3 0为l 6 位采样精 度， 采样率最高可达 1 MH z ； 采用已经使用成熟 的微型处理 器 C 8 0 5 1 F 4 1 0 进行数据采集和处理， 微控制器通过 S P I 接 口采集到量化后信号 ， 同时通过 R S - 4 8 5总线转 U S B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， 共同放人高低温试验箱， 打 开高低温试验室箱并设置 儿 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 ， 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2 5 ℃， 在量程范围内设置l O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 Ta b 1 S t a t i c t e s t d a t a s o f s e n s o r 通过 Ma t l a b拟合后得到传感器输入与输出的线性关系 式为 Y O ． 0 2 0 2 ． 4 5 4， 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 ． 0 4 3％ ， 迟滞为 0 ． 0 6 2％， 重 复性为 0 ． 0 2 7 ％， 精度为 0 ． 0 8 5 ％， 如图6 b 所示， 最大误 差位于点 0 k P a处， 偏差 为 0 ． 0 0 1 5 4 V， 故非线性度小于 1 ． 5 4 ／ 2 0 ． 2 9 1 7 5 0 ． 0 4 3％ ， 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 。 之 丑 媾 一 - 。 0 a 数据拟合 a d a t a6 t t i n g 压 力 ／ k P a b 误差值 b v a lu eo f e r r o r 图 6 数据拟合结果 Fi g 6 Da t a fi t t i n g r e s u l t s 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。 参考文献 [ 1 ] 谢树 伟， 李永红 ， 赵岩 ． 多参数传感器 阵列技术研究 [ J ] ． 传 感器 与微 系统 ， 2 0 1 1 ， 3 0 3 7 0-7 2 ． [ 2 ] 程秀芹， 李永红 ， 王恩怀， 等． 飞行器气动参数测试系统的设 计 [ J ] ． 自动化与仪表 ， 2 0 1 0， 2 5 1 0 4 2-4 5 ． [ 3 ] 郭凤仪， 郭长娜， 佯洋． M P S O - 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h i c u l a r T e c h n o l o g y ， 2 0 0 5， 5 4 3 1 1 8 7--1 1 9 7 ． [ 6 ] 胡 中栋 ， 贾方方． 基于角度判断的无线传感器网络 A P I T定位 算法研究 [ J ] ． 传感器与微系统 ， 2 0 1 3 ， 3 2 1 7 3--7 5 ． [ 7 ] C h e n B ， S u n J ， xu w B， e t a1． A mi x e d l o c al i z a t i o n a l g o ri t h m b a s e d o n RS S I a n d API T wi t h f i t n e s s a n a l y s i s a n d o p t i mi z a - t i o n [ C ] ∥2 0 1 2 l l t h I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n D i s t ri b u t e d C o mp u t i n g a n d Ap p l i c a t i o n s t o Bu s i n e s s ． En g i n e e rin g＆ S c i e n c e D C A B E S ， I E E E， 2 0 1 2 1 6 4--1 6 8 ． 作者简介 何登平 1 9 7 1一 ， 男 ， 四川 泸州人 ， 高级工 程师 ， 研 究生 导师 ， 主要研究方 向为通信新技术应用与研究。 ≯ [ 1 O ]蔡兵． 传 感 器非 线性 硬件 校 正技术 [ J ] ． 襄 樊学 院学 报 ， 2 0 0 4 ， 2 5 2 2 6-- 2 9 ． [ 1 1 ]关荣锋 ， 王晓雪． M E M S 压力传感器的温度补偿 [ J ] ． 河南师 范大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 9， 3 7 1 7 0-7 3 ． [ 1 2 ] 方伟超 ， 张正江 ， 张仁 ， 等． 一种用 于数 据校正 的最小 二乘 与准最小二乘组合方法 [ J ] ． 计算 机与应用化学， 2 0 1 2 ， 2 9 7 8 6 7--8 7 2． 作者简 介 石军辉 1 9 8 8一 ， 男 ， 山西洪洞人 ， 硕士研究生 ， 主要研 究方 向 为动态测试与智能仪器。