滑油壓力表信號(hào)測(cè)量和處理電路設(shè)計(jì)
針對(duì)現(xiàn)有飛參記錄儀中發(fā)動(dòng)機(jī)滑油壓力參數(shù)測(cè)量誤差大的問(wèn)題，在分析測(cè)量電路工作原 理的基礎(chǔ)上，提出了在飛參外部加裝電壓信號(hào)測(cè)量處理電路的解決方案，并設(shè)計(jì)了實(shí)際電路，對(duì)測(cè)量 結(jié)果進(jìn)行了分析，從而在不改變飛參設(shè)備內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)的條件下，實(shí)現(xiàn)了滑油壓力信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量，可為發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控提供重要依據(jù)。
飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油壓力參數(shù)是衡量飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是否 正常工作的重要依據(jù)，尤其在飛機(jī)科學(xué)維修、故障預(yù) 防預(yù)測(cè)以及飛行事故調(diào)查時(shí)，飛行參數(shù)記錄設(shè)備（簡(jiǎn)稱 飛參）能否對(duì)壓力參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確記錄則是處理問(wèn)題的關(guān)鍵。
1.滑油壓力測(cè)量現(xiàn)狀
滑油壓力由壓力表系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量指示，該系統(tǒng)是一 種二線磁電式儀表系統(tǒng),由壓力傳感器和指示器構(gòu)成， 原理電路如圖1所示。圖1(a)是直流磁電壓力表原理電 路，圖1(b)是交流磁電壓力表原理電路，系統(tǒng)中的傳感 器在油壓作用下改變指示器中兩個(gè)工作線圈的電流比 值，此電流比與滑油壓力成一定函數(shù)關(guān)系，而指示器中 指針的轉(zhuǎn)角與該電流比也成同樣的函數(shù)關(guān)系?，F(xiàn)在飛機(jī) 所裝備的飛參記錄設(shè)備利用測(cè)量（圖1中A、B兩點(diǎn)）電 壓的方法來(lái)計(jì)算滑油壓力，從多年來(lái)的使用情況看，飛 參記錄的滑油壓力值誤差很大，嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)工作 性能的正確判定。從壓力表的工作原理可知，用A、B兩 點(diǎn)的電壓計(jì)算滑油壓力，此方法存在原理性錯(cuò)誤，因此， 必須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，才能保證滑油壓力的準(zhǔn)確測(cè)量。
2.壓力信號(hào)提取方法研究
2.1壓力表工作原理分析
交、直流壓力表的工作原理相似，本文就以交流壓 力表為基礎(chǔ)討論壓力信號(hào)測(cè)量方法。
滑油壓力表簡(jiǎn)化等效原理電路如圖1(c)，指示器指 針的轉(zhuǎn)角與電流比值成一定的函數(shù)關(guān)系，即： a =f( IJ Ib)
電路中，可見(jiàn)，電流比只與傳感器阻抗的相對(duì)變化量有關(guān)，也就 是說(shuō)指針轉(zhuǎn)角只與傳感器阻抗的相對(duì)變化量有關(guān)，單值 地反映壓力的變化情況。
2.2壓力與Uab的關(guān)系
根據(jù)簡(jiǎn)化等效電路可得
可見(jiàn)，UkB不僅與傳感器阻抗的相對(duì)變化量成正比，還與 電源電壓成正比。因此單純測(cè)量UkB不能計(jì)算出壓力 值，除非使用恒壓源供電方式，UkB才僅與y成正比，單 值地對(duì)應(yīng)壓力值。表1是不同電源電壓下測(cè)得UkB的實(shí) 際數(shù)據(jù)。從表1可見(jiàn)，UkB隨著電源電壓正比例變化。
在飛機(jī)上,壓力表系統(tǒng)由DC27V供電或由AC 115 V/ 400 Hz經(jīng)變壓器降至約36V供電，這兩種電源的波動(dòng) 同樣會(huì)正比例地傳遞給電壓測(cè)量系統(tǒng)，飛行中兩種電源的電壓波動(dòng)都非常大，會(huì)造成很大的壓力測(cè)量誤差。由 此可見(jiàn)，僅測(cè)量Uab是不能準(zhǔn)確計(jì)算壓力數(shù)值的。
實(shí)際情況是，在飛機(jī)上不可能專門給滑油壓力表系 統(tǒng)提供恒壓電源。從壓力表系統(tǒng)的原理及式(3)、式(5)可 知，只要想辦法去除電源電壓的影響，就可以從根本上 解決準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題。
2.3改進(jìn)方法研究
2.3.1增加電源電壓U的測(cè)量用以修正Uab
在現(xiàn)有測(cè)量的基礎(chǔ)上增加一個(gè)測(cè)量參數(shù)——電源 電壓U，以在36V供電情況下的參數(shù)為基準(zhǔn)，用式(6)對(duì) UkB進(jìn)行修正，然后根據(jù)P ~ UkB對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算壓力數(shù) 值，即：
2.3.2測(cè)量電壓Uk和Ub ,用電壓比計(jì)算壓力
如圖1，如果選擇參考點(diǎn)1，可得：
由式(7)可見(jiàn)，電壓比與電流比一樣，僅與傳感器阻 抗的相對(duì)變化量有關(guān)，可以單值地反映壓力的變化。這 樣一來(lái)，就有如下兩種改進(jìn)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)滑油壓力進(jìn)行準(zhǔn) 確的測(cè)量。
方法一若飛參中有可擴(kuò)展的模擬信號(hào)測(cè)量通道， 則將原測(cè)量Uab的電路在增加了參考點(diǎn)后改成測(cè)量Uk 和Ub,測(cè)試程序中壓力測(cè)量函數(shù)改成Pf Ub/Ua)就可準(zhǔn) 確測(cè)量壓力。該方法飛參改動(dòng)大，既要對(duì)飛參系統(tǒng)硬件 電路進(jìn)行改造，又要對(duì)壓力計(jì)算函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。
方法二飛參外部（即在飛機(jī)上）加裝電壓Uk和U 測(cè)量電路，并完成Ub/ Ua運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果從原通道送給 飛參系統(tǒng)，飛參系統(tǒng)硬件不作任何改動(dòng)，只對(duì)壓力計(jì)算 函數(shù)作相應(yīng)的調(diào)整，即可完成壓力的準(zhǔn)確測(cè)量。
目前，由于飛參系統(tǒng)可用于擴(kuò)展的模擬輸入通道很 緊張，對(duì)飛參系統(tǒng)硬件改動(dòng)的難度很大，故方法二是最 佳的改進(jìn)方法。
3.電壓Vk和VB信號(hào)測(cè)量處理電路設(shè)計(jì)
3.1信號(hào)特性分析
從圖1可知，對(duì)于直流磁電儀表，電壓的測(cè)量相對(duì) 要簡(jiǎn)單一些，而交流表則復(fù)雜一些，其兩條電流支路是 半波整流電路，即流過(guò)各支路的電流是半波脈動(dòng)直流。 若取參考點(diǎn)1，則測(cè)得的Ua和Ub波形見(jiàn)圖2,其中（a)、 (d)是完整波形，可見(jiàn)出現(xiàn)了嚴(yán)重的畸變，這是由于電路 中存在感性元件的緣故；（b)、(c)是壓力為零時(shí)Ua和U 的正半周有效波形，（e)、(f)是壓力為8kg/cm2時(shí)Ua和U 的正半周有效波形。通過(guò)分析可知，只要正確提取每個(gè) 電壓的正半周信號(hào)，濾波后再完成Ub/ Ua運(yùn)算，壓力就 可準(zhǔn)確計(jì)算。同理，若取參考點(diǎn)2，據(jù)圖3所示波形可 知，只要正確提取每個(gè)電壓的負(fù)半周信號(hào)，然后完成Ub/ Ua運(yùn)算，壓力同樣可準(zhǔn)確計(jì)算。
3.2信號(hào)測(cè)量和處理電路設(shè)計(jì)
通過(guò)信號(hào)分析可知，“同相輸入正輸出”半波整流電 路可用于圖2所示有效電壓信號(hào)的測(cè)量，“反相輸入正 輸出”半波整流電路可用于圖3所示有效電壓信號(hào)的測(cè) 量[4]。圖4就是設(shè)計(jì)的半波整流電路，圖中C1和C2的 作用是濾波，即將脈動(dòng)直流信號(hào)濾成比較平滑的直流信 號(hào)，開(kāi)關(guān)K用于切換不同參考點(diǎn)時(shí)的整流方式。當(dāng)選擇 參考點(diǎn)1時(shí)，K應(yīng)為圖中同相輸入位置，否則應(yīng)選擇向 下反相輸入位置，整流器的增益為1/4。
3.3模擬混合四則運(yùn)算電路設(shè)計(jì)
為了使處理電路的輸出能夠適應(yīng)不同的測(cè)試需求 而設(shè)置了參數(shù)K和K2調(diào)整電路，以完成如下計(jì)算：
圖5是按式(7)設(shè)計(jì)的運(yùn)算電路，其核心運(yùn)算器U6 是模擬混合四則運(yùn)算電路，其中U3為緩沖器，U4和其 外圍的各元件構(gòu)成了 一個(gè)同相放大器,以調(diào)整參數(shù)K!,
U5 和 其 外 圍 的 各 元 件 構(gòu) 成 了 參 數(shù) K2 調(diào) 整 電 路U7 為 2.5V標(biāo)準(zhǔn)電壓源。當(dāng)設(shè)定時(shí)，電路對(duì)滑油壓力表系統(tǒng)進(jìn) 行信號(hào)處理的結(jié)果在表2、表3中列出。
3.4測(cè)量結(jié)果分析
從表3中的計(jì)算誤差可見(jiàn),電源電壓超出36 V± 10% 且在極端壓力時(shí)測(cè)量誤差超過(guò)1.0%,但小于2.5%;當(dāng)電 源電壓在36V ± 10%以內(nèi)時(shí)，電路測(cè)量誤差小于1.0%， 且?guī)缀醪浑S電源電壓的波動(dòng)而變化.由此證明：用半波 整流和模擬混合四則運(yùn)算電路組成的壓力信號(hào)測(cè)量電 路可以準(zhǔn)確地測(cè)算壓力表系統(tǒng)的電壓比Ub/Ua，并方便 地以合適的直流模擬電壓形式傳遞給飛參系統(tǒng)，壓力數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確。
3.5誤差分析
通過(guò)對(duì)壓力給定設(shè)備、實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行分析，測(cè)試中 出現(xiàn)誤差的原因主要有以下三個(gè)方面：（1)壓力給定設(shè) 備誤差，會(huì)對(duì)測(cè)量造成一定的影響。(2)從測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，傳感器兩個(gè)電感線圈存在一定的不對(duì)稱誤差，尤其 在電源電壓超過(guò)± 10%以后，其不對(duì)稱性造成的非線性 誤差加大。且傳感器對(duì)稱中點(diǎn)(4.0kg/c)有一定偏差，也 增加了測(cè)量的誤差。（3)在測(cè)量電路中，由于使用的運(yùn)算 放大器沒(méi)有設(shè)置失調(diào)調(diào)整電路，故放大器失調(diào)也造成了 一定的測(cè)量誤差。
實(shí)驗(yàn)證明，用半波整流電路結(jié)合模擬混合四則運(yùn)算 電路可以很好地完成Ub/ Ua的測(cè)算，從而可以不改變飛 參設(shè)備內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，通過(guò)在飛機(jī)上加裝測(cè)量電路，實(shí) 現(xiàn)將與滑油壓力成函數(shù)關(guān)系的直流電壓信號(hào)從原輸入 電路送給飛參設(shè)備，實(shí)現(xiàn)滑油壓力的準(zhǔn)確測(cè)量。
