滑油压力表信号测量和处理电路设计

飞机发动机滑油压力参数是衡量飞机发动机是否正常工作的重要依据[1]，尤其在飞机科学维修、故障预防预测以及飞行事故调查时，飞行参数记录设备(简称飞参)能否对压力参数进行准确记录则是处理问题的关键[2]。

1 滑油压力测量现状

滑油压力由压力表系统进行测量指示，该系统是一种二线磁电式仪表系统,由压力传感器和指示器构成[3]，原理电路如图1所示。图1(a)是直流磁电压力表原理电路，图1(b)是交流磁电压力表原理电路，系统中的传感器在油压作用下改变指示器中两个工作线圈的电流比值，此电流比与滑油压力成一定函数关系，而指示器中指针的转角与该电流比也成同样的函数关系。现在飞机所装备的飞参记录设备利用测量 (图 1中A、B两点)电压的方法来计算滑油压力，从多年来的使用情况看，飞参记录的滑油压力值误差很大，严重影响了发动机工作性能的正确判定。从压力表的工作原理可知，用A、B两点的电压计算滑油压力，此方法存在原理性错误，因此，必须对其进行改进，才能保证滑油压力的准确测量。

2 压力信号提取方法研究

2.1 压力表工作原理分析

交、直流压力表的工作原理相似，本文就以交流压力表为基础讨论压力信号测量方法。

滑油压力表简化等效原理电路如图1(c)，指示器指针的转角与电流比值成一定的函数关系，即:

电路中,

图1 滑油压力表原理电路

其中,R X=kR L，k由电路参数决定，是一个常数，令 γ=△R/R L，得:

可见，电流比只与传感器阻抗的相对变化量有关，也就是说指针转角只与传感器阻抗的相对变化量有关，单值地反映压力的变化情况。

2.2 压力与U AB的关系

根据简化等效电路可得

忽略微小项 γ2，有:

可见，U AB不仅与传感器阻抗的相对变化量成正比，还与电源电压成正比。因此单纯测量U AB不能计算出压力值，除非使用恒压源供电方式，U AB才仅与γ成正比，单值地对应压力值。表1是不同电源电压下测得U AB的实际数据。从表1可见，U AB随着电源电压正比例变化。

在飞机上,压力表系统由DC27V供电或由AC 115 V/400 Hz经变压器降至约36 V供电，这两种电源的波动同样会正比例地传递给电压测量系统，飞行中两种电源的电压波动都非常大，会造成很大的压力测量误差。由此可见，仅测量U AB是不能准确计算压力数值的。

表1 不同电源电压下的U AB值

实际情况是，在飞机上不可能专门给滑油压力表系统提供恒压电源。从压力表系统的原理及式(3)、式(5)可知，只要想办法去除电源电压的影响，就可以从根本上解决准确测量的问题。

2.3 改进方法研究

2.3.1 增加电源电压U的测量用以修正U AB

在现有测量的基础上增加一个测量参数——电源电压U，以在36 V供电情况下的参数为基准，用式(6)对U AB进行修正，然后根据P～U AB对应关系计算压力数值，即:

2.3.2 测量电压U A和U B，用电压比计算压力

如图 1，如果选择参考点1，可得：

则有:

由式(7)可见，电压比与电流比一样，仅与传感器阻抗的相对变化量有关，可以单值地反映压力的变化。这样一来，就有如下两种改进方法实现对滑油压力进行准确的测量。

方法一 若飞参中有可扩展的模拟信号测量通道，则将原测量U AB的电路在增加了参考点后改成测量U A和U B,测试程序中压力测量函数改成P=f B(U B/U A)就可准确测量压力。该方法飞参改动大，既要对飞参系统硬件电路进行改造，又要对压力计算函数进行相应的改进。

方法二 飞参外部 (即在飞机上)加装电压U A和U B测量电路，并完成U B/U A运算，计算结果从原通道送给飞参系统，飞参系统硬件不作任何改动，只对压力计算函数作相应的调整，即可完成压力的准确测量。

目前，由于飞参系统可用于扩展的模拟输入通道很紧张，对飞参系统硬件改动的难度很大，故方法二是最佳的改进方法。

3 电压U A和U B信号测量处理电路设计

3.1 信号特性分析

从图1可知，对于直流磁电仪表，电压的测量相对要简单一些，而交流表则复杂一些，其两条电流支路是半波整流电路，即流过各支路的电流是半波脉动直流。若取参考点 1，则测得的 U A和 U B波形见图 2,其中(a)、(d)是完整波形，可见出现了严重的畸变，这是由于电路中存在感性元件的缘故；(b)、(c)是压力为零时 U A和U B的正半周有效波形，(e)、(f)是压力为8 kg/cm2时 U A和 U B的正半周有效波形。通过分析可知，只要正确提取每个电压的正半周信号，滤波后再完成U B/U A运算，压力就可准确计算。同理，若取参考点2，据图3所示波形可知，只要正确提取每个电压的负半周信号，然后完成U B/U A运算，压力同样可准确计算。

图2 选择参考点1时的电压波形

图3 选择参考点2时的电压波形

3.2 信号测量和处理电路设计

通过信号分析可知，“同相输入正输出”半波整流电路可用于图2所示有效电压信号的测量，“反相输入正输出”半波整流电路可用于图3所示有效电压信号的测量[4]。图 4就是设计的半波整流电路，图中C1和C2的作用是滤波，即将脉动直流信号滤成比较平滑的直流信号，开关K用于切换不同参考点时的整流方式。当选择参考点1时，K应为图中同相输入位置，否则应选择向下反相输入位置，整流器的增益为1/4。

3.3 模拟混合四则运算电路设计

为了使处理电路的输出能够适应不同的测试需求而设置了参数K1和K2调整电路[5]，以完成如下计算：

图5是按式(7)设计的运算电路，其核心运算器U6是模拟混合四则运算电路，其中U3为缓冲器，U4和其外围的各元件构成了一个同相放大器,以调整参数K1，U5和其外围的各元件构成了参数K2调整电路，U7为2.5 V标准电压源。当设定时，电路对滑油压力表系统进行信号处理的结果在表2、表3中列出。

图4 半波整流器检测有效信号电路

图5 四则运算电路

3.4 测量结果分析

从表3中的计算误差可见,电源电压超出36 V±10%且在极端压力时测量误差超过1.0%,但小于2.5%;当电源电压在36 V±10%以内时,电路测量误差小于1.0%，且几乎不随电源电压的波动而变化.由此证明：用半波整流和模拟混合四则运算电路组成的压力信号测量电路可以准确地测算压力表系统的电压比U B/U A，并方便地以合适的直流模拟电压形式传递给飞参系统，压力数值计算准确。

表2 压力表供电电压36 V时的U B/U A值

表3 不同电源电压时各值及其相对误差

3.5 误差分析

通过对压力给定设备、实验电路进行分析，测试中出现误差的原因主要有以下三个方面：(1)压力给定设备误差，会对测量造成一定的影响。(2)从测量数据来看，传感器两个电感线圈存在一定的不对称误差，尤其在电源电压超过±10%以后，其不对称性造成的非线性误差加大。且传感器对称中点(4.0 kg/c)有一定偏差，也增加了测量的误差。(3)在测量电路中，由于使用的运算放大器没有设置失调调整电路，故放大器失调也造成了一定的测量误差。

实验证明，用半波整流电路结合模拟混合四则运算电路可以很好地完成U B/U A的测算，从而可以不改变飞参设备内部硬件结构，通过在飞机上加装测量电路，实现将与滑油压力成函数关系的直流电压信号从原输入电路送给飞参设备，实现滑油压力的准确测量。