摘 要： 介紹了基于振動筒式壓力傳感器的飛行器全靜壓" title="靜壓">靜壓自動檢測系統" title="檢測系統">檢測系統的設計，論述了系統的結構和工作原理，對系統硬件電路和軟件設計作了說明。系統的設計與實現提高了飛行器全靜壓檢測系統的自動化程度，具有檢測速度快、精度高、判讀直觀、可靠性高和操作簡單的特點。
關鍵詞： 振筒式傳感器 全靜壓 單片機
飛行器的大氣壓力系統是用來收集大氣氣流的全壓和靜壓信息，并輸送給使用該信息的大氣數據儀表、飛行控制系統、大氣數據計算機等設備和系統的裝置。它收集的大氣壓力信息是否準確，系統是否良好，將直接影響到大氣數據儀表、設備和系統工作的準確性與正常性。因此，對飛行器大氣壓力系統的檢測是至關重要的。
在航空領域，振筒式傳感器應用十分廣泛，它具有如下特點：(1)輸出為頻率(周期)信號，無需經過轉換便可方便地與數字系統或計算機連接，遠距離傳輸中不易產生失真誤差導致的精度降低；(2)遲滯誤差和漂移誤差小，具有很高的精度、靈敏度和分辨率；(3)傳感器系統的抗干擾能力強，長期穩定性好，尤其適用于比較惡劣的工作環境。因此，本文以振筒式壓力傳感器為核心設計了飛行器全靜壓檢測系統，并具體介紹了其激/拾振電路、溫度補償電路" title="補償電路">補償電路和測量顯示電路。
1 系統硬件設計
1.1 系統硬件結構框圖
全靜壓檢測系統以80C51系列的PCF80C552微控制器為核心，外圍電路主要由傳感器、F/D轉換器、程序及數據存儲器、顯示驅動電路、鍵盤驅動電路及電源監控電路等幾部分組成(見圖1)。PCF80C552有五個I/O口，并集成有一個八通道10位的ADC和看門狗(WDT)電路。控制器根據系統要求，將輸入量解算為所需參數，并通過顯示器顯示。傳感器主要用于檢測大氣全壓和靜壓信息，再經F/D轉換電路將其轉換為數字量送入單片機。F/D轉換電路采用的是多路高速高精度專用集成電路FDC9201，它采用軟、硬件測周法將高、低頻計數器設計成循環計數器，分別對標準高頻脈沖和被測頻率的脈沖數進行連續計數，保證同時取得高低頻數，且第i次和第i+1次都是在低頻脈沖的完整周期內進行采樣。軟件處理公式為：
T=N×t0/n
式中，T為周期；N為計數器計數值；n為被測傳感器經過的分頻數； t0為一個標準高頻時鐘周期的時間，設計中采樣周期" title="采樣周期">采樣周期為52.4288ms。為了滿足不同精度和不同的實時性測量需求，電路設置了周期控制器，用編程的方法獲得不同的定時標準采樣周期t。其公式為：
t=t0×65536×2b
式中，b=1，2，3，4。b可通過軟件設定，對實時性要求高的場合，b取小值；對實時性要求不高但對精度要求高的場合，b取大值。此外，為減少因電源波動造成的工作不穩定，選用TL7705 AIP作為系統電源監控器。片外程序存儲器選用AMD27C128，片外數據存儲器選用MCM6264。顯示器采用16位真空熒光顯示器，避免顯示信息受照度和視角的影響。下面詳細討論系統中傳感器激/拾振電路與溫度補償電路的設計與實現。
1.2 傳感器激/拾振電路
振筒式傳感器是利用自由振動頻率與作用力(絕壓或壓差)的函數關系來實現對作用力的測量的。筒內的激振" title="激振">激振線圈用于產生電磁激振力，拾振線圈則感受內筒的運動速度。當被測壓力輸入筒內時，拾振線圈一方面直接檢測出隨壓力而變的振動頻率，并立即將該頻率信號送到放大和限幅器；另一方面又不斷地把感應電勢反饋到激振線圈，使內筒以新的固有頻率維持振動。可見，激/拾振電路設計的正確、合理與否，直接關系到振筒的起振、諧振和壓力檢測系統的穩定運行。
激/拾振電路是一個正反饋回路(圖2)，為振動筒提供連續的激勵脈沖。電路中L1為拾振線圈，L2為激振線圈。OPA111BM的偏置電流低、電壓偏移量低、漂移率低、噪聲低、共模抑制比高和開環增益高等特點，有利于振筒在放大器固有噪聲電平的初始激勵下的起振和持續穩定振動。
調試激/拾振電路，可實現電路的起振與諧振功能，并使振筒在通電后能立即進入并保持諧振狀態。在頻率計上觀察，電路輸出為穩定連續方波， 頻率量值符合4kHz~7kHz的理論要求。此外，電容C9在一定程度上決定了振筒式傳感器能否起振及其振動的穩定性，C9值不同，傳感器的起振效果和穩定性不同。為保證振筒的正常工作，本電路C9值選為15pF。
1.3 溫度補償電路
溫度是傳感器系統最主要的干擾量，因為振筒式傳感器的特征參數和感應系數受溫度影響嚴重，尤其在以下兩個方面表現更為突出：(1)彈性模量E是決定傳感器輸出的主要因素之一，而振筒材料的彈性模量E隨溫度變化而變化；(2)溫度對被測氣體密度ρ的影響無法避免，密度ρ的變化造成振筒等效質量與等效剛度的改變。因此，設法消除溫度影響是提高測量精度的關鍵。
電路中(圖3)溫敏元件選用硅PN結BLTS101，利用其偏置電壓隨溫度變化的原理，可實現傳感器的溫度測量和誤差補償。BLTS101有足夠高的靈敏度和線性度，環境溫度每升高1℃，其正向電壓下降約2mV。此外，其體積非常小，便于在狹小的空間內安裝。
電路中R13、R14是可調電阻，用于零位和靈敏度調整。改變LM108AH負反饋電阻R2的大小，即可獲得所需要的BLTS101感溫靈敏度。此外，還對溫度補償電路的輸出溫壓進行模/數轉換，作為線性化電路的第二輸出量，并采用數據融合或神經網絡的方法，進行溫度誤差修正，提高測量精度。溫度補償電路輸入輸出的仿真曲線如圖4所示，從中可見輸入與輸出的線性度非常好。
2 軟件設計
在軟件編程上，以FRANKLINC-51為軟件開發平臺，采用PL/M-51高級語言編寫。該語言是80C51系列單片機的專門程序設計語言，可以對硬件進行操作，便于改進和擴充。該語言所配套的編譯連接程序使用方便，能提供給用戶高質量的轉換代碼。
程序從功能上分為八部分：主程序；初始化程序；F/D定時采樣程序；鍵盤中斷服務程序；壓力解算程序；大氣參數解算程序；定時程序；自檢程序。其中，壓力解算程序根據測量周期T和溫壓值求解壓力p，即p=f(T，t)，t為溫度。壓力解算采用二維回歸曲面擬合法求出擬合系數，然后再分三部分進行：
①判斷采集的溫壓值所處的標定溫度區域；
②計算此區域上、下限溫度時采樣周期所對應的壓力。若t∈[ti-1,ti]，則計算：
3 系統測試與性能分析
使用Honeywell公司精度為0.0001%的ADT-222C型標準設備對該檢測系統進行了標定，從表1中數據可計算出檢測系統的測量精度達到0.003%。此外，實驗測試與應用表明：系統運行可靠、性能穩定、魯棒性好、故障率低，可以滿足大多數測試環境的要求。
目前，測量顯示組件電路及傳感器配套集成電路——激/拾振與溫度補償電路已通過技術鑒定，電路的設計實現體現了良好的實用性與較高的性價比，完全可以滿足各種測試環境的要求。
參考文獻
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