活塞发动机传感器信号模拟及误差分析_陆晓磊.pdf

西北大学学报（自然科学版）年 月，第 卷第 期，（）收稿日期：基金项目：国家重点研发计划（）第一作者：陆晓磊，女，广西田阳人，从事无人系统机载设备设计工作及电气检验技术研究，。信息科学活塞发动机传感器信号模拟及误差分析陆晓磊，钱 政，张秦岭（北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京；北京航空航天大学 无人系统研究院，北京）摘要 为解决无人机半物理仿真实验中活塞发动机参数长时输入问题，提出了一种轻量级便携式多传感器信号模拟系统解决方案。设计实现了触摸屏人机 信号模拟模块的三级结构，以某型活塞发动机为模拟对象，搭建了信号模拟系统，可简单方便地实现各参数排程输出；设计了电路模拟方法，可对热电阻、热电偶、电流信号、转速脉冲信号及开关量信号等进行模拟；对其中部分易受干扰信号进行了误差分析，给出误差计算公式和误差值估算，验证了系统的可行性。该系统可替代发动机作为各个长时试验的信号源，不仅大大节约了试验成本，还有利于进一步拓展试验边界。关键词 半物理仿真实验；活塞发动机；传感器；信号模拟；误差分析中图分类号：，（，；，），；目前，活塞发动机仍是中小型远程无人机主要的动力来源。发动机各传感器数据是无人机飞行控制算法和逻辑的重要数据输入，对飞行平台的精确控制和可靠飞行具有非常重要的意义。在实际工程应用中，尤其是无人飞行平台的半物理仿真实验，需要长时间的发动机传感器参数输入，以验证飞行控制算法的逻辑和可靠性冗余。半物理仿真实验原理框图见图。图 半物理仿真实验原理框图 活塞发动机的油电混合特性决定了其传感器种类较多，涉及压力、温度、电阻、脉冲信号等多种物理量，无法使用单一常规设备如电阻校验仪、信号发生器等进行模拟。受限于发动机寿命时间，若以发动机作为长时信号源，不仅增加了试验场地、排放要求等成本，还会对发动机寿命造成损失，浪费极大。使用多种信号模拟方法替代发动机各类传感器，作为各类实验的信号源输入，是更为经济可行且稳定可靠的办法。目前，飞行器半物理仿真实验中常常采用搭建单个电路的方法对传感器进行模拟。如 等人提出的无人机半实物仿真试验台实例，通过电机控制编码器转动以模拟角度传感器信号，用于验证系统的信号滤波算法是否能满足飞行控制要求。赵文锋等人研制了一种基于 的信号发生器，可产生方波信号、缺齿方波信号和占空比可调方波信号，用于模拟汽车发动机的曲轴位置霍尔传感器，可实现实验室内进行虚拟车辆运行试验，大大降低汽车诊断和实验成本。以上均实现了针对单一电量传感器的模拟，但通用性较差，且系统不易扩展。刘丹等人研制了一种涡扇发动机控制系统信号模拟平台，由上位机通过总线，控制信号模拟控制管理系统，可实现对涡扇发动机磁力线、热电偶、铂电阻等传感器控制模块的模拟，具备多状态模拟能力，具有良好的实时性。该模拟平台可覆盖多种传感器类型，通用性好，但系统架构庞大，便携性较差，不适宜中小型无人飞行器平台频繁的外场试验需求。郭健等人提出了一种便携式发动机参数模拟器，外形小巧易于携带，使用基于 总线的硬件架构和 软件开发平台，技术成熟模块化程度高，但仍需要耗费较高的硬件成本和较长的软件开发周期。本文针对中小型活塞发动机常用传感器类型，提出了一种轻量级便携式多传感器信号模拟系统方案，设计并实现了对热电阻、热电偶、标准 电流信号、脉冲信号和开关量信号的电路模拟，对其中的易受干扰信号进行误差分析，验证了本文方案的可行性，并根据误差估算结果给出了优化途径。系统指标及架构 设计指标系统以 活塞发动机传感器为模拟目标，需要对热电阻、热电偶、转速脉冲信号、压力信号和开关量进行精确模拟。输出信号技术要求如表 所示。表 输出信号技术要求 名称误差比 物理量精度要求热电阻.热电偶.转速.压力 .开关信号电平 系统架构信号模拟系统由人机界面 二级 传感器模拟模块等三级结构组成，结构框图见图。人机界面由触摸屏、液晶仪表盘、测试端子及开关等组成。可根据用户需求定制，方便地实现测试界面切换、数据显示、数据记录等功能，通过 串口与二级 控制器进行交互，可方便地实现自动化测试，数据稳定、易于扩展。通过、等外设控制各个传感器模拟模块进行自动档位切换。图 信号模拟系统结构框图 西北大学学报（自然科学版）第 卷其中，触摸屏选用了 人机模块，长期的工业应用使其具备了成熟的用户开发库和丰富的物理量控件，尤其是其灵活的排程输出能力，可按用户设置通过简单编程语句实现对控件状态的精确定时调整，以简单快捷的低成本实现自动化测试，对仿真实验具有非常好的适配性。该信号模拟系统人机界面实例见图。选用了 系列单片机，其丰富的外设接口，可灵活驱动各类模拟数字芯片，扩展性强。触摸屏与 间通过 接口和标准 协议进行通信，具有良好的可扩展性和维护性。传感器模拟模块是本模拟系统的核心部件，包含热电阻、热电偶、脉冲信号、标准电流信号和开关量信号等子模块，用于实现对各种信号的模拟输出。图 人机界面实例 常用的基于 总线的信号模拟系统需要搭建复杂的四级结构，硬件成本耗费高，适用于需要高速数据输入输出场景，且软件复杂、开发周期长，图 是使用了 总线架构的某型发动机测试系统。图 测试模拟系统结构框图 与之相比，该触摸屏人机 传感器模拟模块的三级结构具有结构简单易行、体积小、便携性好、开发维护成本低、开发周期短等突出优点，特别适用于模拟多点多态稳态参数。图 为信号模拟实物图。图 信号模拟系统实物图 信号模拟电路设计及优化.热电阻模拟活塞发动机有复杂的油路和冷却系统，温度是准确判定发动机工作状态的重要数据。一些关键点温度数据如滑油温度、冷却液温度、机舱温度等，在发动机整个工作剖面中，变化范围为 。目前发动机上测量该类参数常用的传感器为热电阻如，其对应阻值变化范围为 。考虑到发动机工况中标志点温度数量不多，且为了节约测试时间与标定成本，在实际实验中，仅需要测试某几个关注温度点，对热电阻不必做全量程的模拟，因此，文中采用了集成多路模拟开关阵列切换高精度电阻的方式，如图 所示。图 多路模拟开关阵列 集成多路模拟开关内部包含多个开关阵列，受外部信号控制，从多个模拟输入信号中切换选择所需输入通道。其优点是切换速度高、导通电阻低、截止电阻大，在数据自动采集系统中得到了广泛 应 用。本 系 统 选 用 的 多 路 模 拟 开 关 是一款低导通电阻的 通道模拟开第 期 陆晓磊，等：活塞发动机传感器信号模拟及误差分析关，由 控制 端通过寻址方式设置闭合的通道，输入端可配置为施密特触发器，具有非常好的抗噪声特性，模拟电路如图 所示。图 电阻量模拟电路 图 中，端为电阻量公共端，是根据测试需求配置的低温漂精密电阻，通过 口输出电平信号对 寻址，将 自 分别接入后级测试电路。分析该电阻测试回路上的误差源有：集成模拟开关并非理想开关，存在接触电阻；信号至后级测试系统的测试电缆的导线电阻；电阻值误差 和环境变化引起的电阻温漂。可将误差量估算为总 。（）式中，与为固有误差，无法消除，可通过在配置精密电阻 时通过减少阻值进行补偿。、成为误差最大来源，因此，在配置 时，应尽可能选取温漂系数较低的高精度电阻。选用.精密电阻，温度系数为 。以最大电阻 计，。试验场环境温度范围按 计（下同），环境温度变化引起的电阻温度漂移 ，由式（）可估算系统误差为 总 ，满足设计要求。.热电偶模拟发动机排气温度是发动机最重要的气动热力性能参数，是衡量发动机工作正常与否和工作状态判定的重要指标。通常发动机排气温度是由分布于发动机舱的热电偶测得，热电偶感应发动机排气温度变化，产生感应电动势，经信号变换电路放大后由后端计量设备进行测量。常用的 型热电偶感应电动势范围为 ，为毫伏级微电压，已进入电子元器件温漂和噪声引起的电压偏置范围，这给该类信号模拟带来较大困难。本文采用高精度基准信号源和多级数字电位计分压方式对该信号进行模拟，如图 所示。基准电压源产生，经电压跟随器 后接入数字电位计进行一级分压，再经电压跟随器 隔离后由数字电位计做二次分压，最终经 隔离输出微小电压信号。图 微小电压模拟电路 是一款适配低压处理器的低功耗基准信号源，输出的.参考电压经电压跟随器接入数字电位计 进行分压。是一款 接口的 位单电源数控电位计，标称阻值，包含 个电阻单元。根据人机界面发来指令，通过 和 控制两个数字电位西北大学学报（自然科学版）第 卷计的工作状态。两级分压后的电压信号需经电压跟随器进行隔离以消除后级分压电阻的影响。电压跟随器使用了低失调电压低噪声高性能运算放大器。由于测试过程信号变化缓慢，该信号的误差主要表现为稳态误差。由图 电路关系可知 。（）式中：、为两级数字电位计的分压比；为基准电压源的温漂和偏置引起的误差；为一级数字电位计分压误差；为二级数字电位计分压误差；、和 为各级运算放大器零漂、温漂和偏置导致的误差。下面对这些误差分别进行分析和估算。.基准电压源误差基准电压源误差可由式（）得出，。（）式中：为基准电压温漂引起的误差；为基准电压偏置。温漂为 ，初始偏置为.。在环境温度为 时，总电压误差可由式（）计算得到，。.电位计分压误差数字电位计的结构如图 所示，内部电阻阵列相串联，每个节点接有数字开关，外部数字信号经译码后，驱动数字开关通断，将电阻抽头 端接入指定节点。电阻阵列共有 个子电阻，其中，中间抽头位于第 个电阻与第 个电阻之间时，分压比 。图 数字电位计结构图 和 为电阻阵列的两端，调节中心抽头 时，端与、两端阻值随之变化。可见电位计相当于 个同步调节的可调电阻串联而成的电阻，可建立数字电位计电阻阵列模型如图。记电位计总电阻标称值为，分压点电阻误差为，电位计抽头接触点电阻为。图 数字电位计分压电路模型 受工艺因素影响，数字电位计的电阻阵列必然存在非线性误差。如图 所示，对于电阻阵列，每个电阻单元均可视为理想阻值 与误差 串联而成，其中，。电阻阵列的误差有积分非线性误差（）和差分非线性误差（）两种。其中，积分非线性误差是除了偏移误差和增益误差外，实际传递函数曲线和理想传递函数曲线的最大误差，单位为最低有效位（）。差分非线性误差是实际码宽与理想码宽的误差（）。在分压模式下，电位计的积分非线性误差 和差分非线性误差 均为。电位计阻值误差可由式（）计算，。（）对，有.。输出电压理论值为，（）输出电压实际值为 ，（）推出数字电位计分压误差为 。（）第 期 陆晓磊，等：活塞发动机传感器信号模拟及误差分析可知电位计分压误差与分压比 相关，在满足分压比例的前提下，对、进行合理分配可有效降低数字电位计分压误差。对第一级分压电路，按分压要求取分压比 .时，电压误差比为 ；对第二级分压电路，最低档信号取分压比.时，电压误差比为 。可见电位计分压引入的误差很小，可忽略不计。由于后级电压跟随器的高输入阻抗，的影响也可忽略不计。综上分析，可忽略数字电位计误差对分压信号的影响。.运算放大器误差电压跟随器中的运放均工作于深度负反馈状态，稳态误差主要来源于运放失调电压 及温漂。环境温度变化时，最大电压偏移为 （）。（）式中：为常温（）时运算放大器输入失调电压；为运放温漂。由式（）可得 运算放大器有 。由式（）可得，在最高环境温度为 时，取.，.，误差可估算为 。型热电偶的输出范围为 .（对应 ），信号模拟电路输出误差比为 。满足设计指标要求。标准 电流模拟滑油压力是发动机润滑系统的重要参数，是度量发动机的使用寿命及工作稳定性的标志信号。目前常用的滑油压力传感器为电动式压力变送器，将压力信号转换为标准 电流供后级测量使用，传感器输出信号如图 所示。图 滑油压力信号 基于运放的压控恒流源，负载接入方式有悬浮式和接地式两种。由于接地式对输入输出阻抗的匹配性要求较高，本文采用了悬浮式的负载接入，如图 所示，负载由 两端接入。通过 输出电压信号，经 滤波后输入运放同相端，由三极管进行电流放大，其中，为输出反馈电阻，用于调节输出电压范围，为去抖电容对反馈信号做滞后补偿，以防止负载波动对前端深度负反馈电路的影响。图 标准 电流信号模拟 由运放特性可知。（）负载 上电流与 输出电压 成线性关系，当 输出值与 阻值匹配，在预定范围内变动时，即