某型航空發動機機載壓力傳感器誤差分析及改進設計

邢 威， 孔慶有， 吳紅肖， 劉業路， 程 昊， 王舜禹

（中國航發沈陽發動機研究所， 遼寧 沈陽 110015）

引言

某型航空發動機機載壓力傳感器安裝在發動機外涵前機匣，用于測試發動機重要性能參數，并將壓力信號轉換為電信號傳輸給數字式電子控制器，用以對發動機狀態進行實時控制。每種壓力信號均通過雙傳感器測試來實現雙余度設計，每個傳感器要求電源信號和輸出信號各自獨立。

鑒于在發動機測試、實時控制中具有的重要作用，對機載壓力傳感器的研究十分必要。本文首先結合某型發動機的整機試車和機載實際使用工況，介紹了機載壓力傳感器的性能分析。在此基礎上，通過對傳感器電路的機理分析，提出相應改進措施。

1 誤差分析

1.1 測試準備

某型發動機機載壓力傳感器用于測試PH、P31及P6。在發動機初期試車過程中，發動機的機載壓力傳感器依據出廠時的參數應用。由于傳感器穩定性無法驗證，故對其進行測試并給出誤差分析。測試按照如下步驟進行。

1）基于傳感器供電要求，選用直流穩壓電源供電；為達到熱平衡，校準前，機載壓力傳感器盒必須在校準環境中放置2 h 以上。按輸入文件中供電要求設置供電電壓，接通直流穩壓源，通電預熱15 min 以上。

2）基于PH、P6 及P31 的量程及精度，選精度0.01%rdg 的高精度數字式壓力控制器提供標準壓力，將機載壓力傳感器盒與數字壓力控制儀放置在水平工作臺上，調節機載壓力傳感器盒的位置，使其壓力測量端口與數字壓力控制儀取壓口處于同一平面上。按照圖1 要求連接測量標準、配套設備和被校機載壓力傳感器。

3）采用直接測量法進行校準。使用測量標準，從測量下限開始平穩地輸入標準壓力至各校準點，待壓力穩定后，依次記錄機載壓力傳感器各校準點輸出值至測量上限，讀取并記錄機載壓力傳感器各校準點輸出值，完成校準。

1.2 測試分析

對某批次機載壓力傳感器進行獨立測試，根據測試數據，計算出壓力傳感器的實測準確度，并給出雙余度壓力傳感器的一致性。

實測準確度ΔC的計算公式如式（1）：

其中：ΔA=Ad-As

式中：ΔA為各測試點的測試誤差；Ad為上行程或下行程各測試點的實際輸出值；As為各測試點的理論輸出值。經測試，可得到PH、P6 及P31 的A、B 通道測試數據，并計算出雙余度壓力傳感器的一致性。見下頁表1。

表1 A 和B 通道測試數據的一致性

計算公式如式（2）：

式中：Δy為A 和B 通道測試數據的一致性；AA為A通道各檢定點的輸出值；AB為B 通道各檢定點的輸出值；As為各檢定點的理論輸出值。

2 設計改進

機載壓力傳感器內部核心電路是MAX1452 信號調理芯片，MAX1452 工作時有兩個電源輸入：VDD 為內部邏輯電路和模擬電路供電；VDDF 為芯片內EEPROM存儲器供電。在系統中，一般VDD 和VDDF可以直接連接在一起，也可以通過一個電阻連接。MAX1452 在常規設計下，典型的應用電路中，VDDF引腳有一個RC 電路（R 在VDD 和VDDF 之間，C 在VDDF 和GND 之間）。原設計的電路是在VDD 和VDDF 之間串接了一個R=4.7 k 的電阻，在VDDF 和GND 之間串接了一個C=0.1μF 的電容。

因受成本和空間限制和所選擇的VDD 電源通常驅動能力有限，在EEPROM 工作時可能無法維持VDD 電壓，因此需要一個RC 濾波器。但由于電源的驅動能力有限，使得工作期間系統可能存在一些隱患，在試車過程中有可能得以浮現。其中之一就是可能導致啟動時進入錯誤的模式，一旦出現該問題，輸出將以數字模式開啟，而非模擬模式。發生這個問題是由于VDDF 電壓上升緩慢，遠遠滯后于VDD，這也會導致閃存控制地址讀寫的不可靠；第二問題是：VDD 上的紋波所引起的輸出噪聲耦合到輸出端。

對該產品相繼進行了系列試驗，試驗發現原有故障的產品重新上電后，有時也能進入非故障狀態，并且一旦進入非故障狀態，只要不重新上電啟動，產品就能長期正常穩定工作；同樣一旦故障出現，產品就長期輸出為幾毫伏或最大值4.5 V 以上。因MAX1452信號調理芯片進入到了數字模式工作狀態，所以輸出才能只有最大和最小兩種狀態，而數字工作狀態只是用來給芯片產品升級輸寫程序專用的，正常信號調理工作狀態應穩定工作在模擬狀態。

初步鎖定故障原因后，又對信號調理芯片進入數字狀態的故障原因進行了研究分析，發現決定MAX1452 信號調理芯片工作在數字和模擬不同狀態的因素取決于該芯片兩個電源引腳（VDD 和VDDF）的供電時序，如果在VDD 上電到位后，VDDF 在10～50μs 時間內也完成上電，則MAX1452 信號調理芯片進入模擬狀態下工作；如果在VDD 上電到位后，VDDF 上電時間遠落后于VDD 上電時間，則MAX1452 信號調理芯片進入數字狀態下工作。回頭再分析161 廠設計的電路，VDD 與VDDF 間只用了一個RC 電路，R=4.7 kΩ、C=0.1 μF，因而造成VDDF上電時間落后VDD 遠大于10～50 μs 的設計參考值；所以造成MAX1452 信號調理芯片進入了數字狀態下工作。

簡單的解決辦法是減小RC 電路中的R 值，以實現減小RC 電路的時間常數，但該方法不是100%的可靠，其存在受到干擾等特殊情況下MAX1452 信號調理芯片仍能進入到數字工作模式的可能。如果具體應用中，所選擇的VDD 電源具有足夠的電流驅動能力時，就不會出現上述所有問題。

利用VDDF 連接的RC 濾波器可以抑制輸出噪聲，但不能避免上電順序問題，可以在VDD 和VDDF之間連接一個肖特基二極管，與RC 濾波器中的R 并聯，見圖2。

肖特基二極管的正向電壓必須小于VDD 和GND 之間寄生二極管的正向電壓，并且還要提供足夠的裕量，保證機載傳感器在最大工作溫度下不會導通。BAT54 肖特基二極管的正向電壓在25 ℃時為300 mV，測試證明能夠滿足本應用的要求。在VDD 和VDDF 之間連接該二極管可以帶來以下好處：

解決啟動問題，二極管使VDDF 電壓緊隨VDD電壓—相差一個二極管壓降（小于300 mV）。因此，當出現POR 信號時，VDDF 電壓位于正確電平，正確讀出EEPROM的控制位置，因此能夠以正確模式啟動。

降低輸出噪聲，連接二極管后可以使用更大容值的C（在大電流讀操作期間，維持VDDF 電平所需的最小電容為0.47μF）和更大阻值的R（典型值為1kΩ）。使用較大的RC 后，無論RC 濾波器的時間常數多大，VDD 和VDDF 的壓差始終為一個二極管壓降（小于300 mV），讀操作期間，因電容C 可以更大，更有利于消除對VDD 的紋波干擾。如果沒有二極管，過大的RC 會引起VDDF 上升時有很大的延時，并可能導致啟動問題。同樣，過小的電容又會引起VDD 尖峰電壓耦合到輸出，造成不必要的輸出干擾。連接二極管后，VDDF 上電起動延遲問題得以徹底解決，且RC 電路中的C 選取為0.47 μF，也解決了VDD 尖峰電壓耦合輸出干擾問題。

3 結論

本文給出了某型航空發動機機載壓力傳感器的誤差分析，計算出壓力傳感器的實測準確度及雙余度壓力傳感器的一致性。對機載傳感器RC 電路設計的機理進行了分析，提出了在VDD 和VDDF 之間連接一個肖特基二極管，與RC 濾波器中的R 并聯的改進設計，保證了機載傳感器的性能。該設計方案已投入實際應用多年，取得令人滿意的效果，通過對機載壓力傳感器存在的故障排查、分析，現已從多方面完成質量改進，避免了因出廠失誤而對試車等試驗造成的影響。目前系統內其他多家單位對新購進的機載傳感器，采取的方式也多是首批必須入廠檢定校準，有力保護了試車數據的可靠。