CN108613715A - 基于交流比例法的航空油量传感器采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到航空油量测量方案架构技术领域，具体涉及一种基于交流比例法的航空油量传感器采集系统。本发明从整体架构上，采用数字合成技术产生高精密激励频率信号，通过程控增益放大档位切换技术实现对激励信号幅值的高精度控制，对激励输出信号和传感器反馈信号采用同样的滤波处理和精密整流进行处理，整流后将交流信号转换为直流信号进行采集，最终通过比例除法和内部高精度参考电容值可推算得到外部待测容值。

Description

基于交流比例法的航空油量传感器采集系统

技术领域

本发明涉及到航空油量测量技术领域，具体涉及一种基于交流比例法的航空油量传感器采集系统。

背景技术

航空油量的准确采集，可以减少飞机起飞时的备用燃油量，为飞机战术制定提供更准确的参考依据，对于航空领域各机型具有重要意义。目前航空各机型采用的是电容式油量传感器，油量传感器在接收到一定幅值一定频率的交流激励信号后，输出pF级的微小电容信号。通过专用测量电路采集，电路补偿，电容值解算，权重解算，飞行姿态补偿等步骤可以推算得到整机油量。

传统的交流比例法无法克服激励输出信号衰减和在机上复杂电磁环境下测量的难题。因此，需要高集成度高精度的新型油量传感器采集系统。

发明内容

本发明提供了高集成度高精度的新型油量传感器采集系统。

基于交流比例法的平衡式比例电路，其中，电容C1，C2，电阻R1，R2和运算放大器N1，N2构成比例放大电路单元。电容C3，C4，C5，电阻R3，R4，R5，R6，R7，R8，R9，R10，R11，二极管V1，V2和运算放大器N3，N4，N5，N6构成反馈输入通道的滤波加精密整流单元。电容C6，C7，C8，电阻R12，R13，R14，R15，R16，R17，R18，R19，R20，二极管V3，V4和运算放大器N7，N8，N9，N10构成激励回采通道的滤波加精密整流单元。

其中，激励信号经过外部油位传感器C1后形成反馈信号，反馈信号输入运放N1的负端，运放N1的正端经过电阻R2下拉到模拟地。电阻R1和参考电容C2并联跨接在N1的负输入端和输出端之间，与C1构成比例运放电路。N1的输出信号经过运放N2的电压跟随器实现隔离后进入后端信号处理过程。该信号首先通过电容C3和电阻R3构成的高通滤波器后，再经过电阻R4和电容C4构成的低通滤波器，将反馈回信号中的干扰滤除。经过运放N3构成的电压跟随器进入全波整理单元。该信号分为两个旁路，旁路1直接经过电阻R6输入运放N5的负端，旁路2经过电阻R5输入运放N4的负端，运放N4的正端通过电阻R8接地。N4的负端同时与电阻R7的1端和二极管V1的负端相连，运放输出脚与二极管V1的正端和二极管V2的负端相连，二极管V2的正端与电阻R7的2端和电阻R9的1端相连，信号经过电阻R9输入运放N5的负端，则经过电阻R6的信号和经过电阻R9的信号构成加法器电路。N5的负端与电阻R6的2端和电阻R9的2端相连，N5的正端经过电阻R11到地。电阻R10和电容C5并联跨接在运放N5的负输入端和输出端。N5的输出信号经过N6形成的电压跟随器进入AD进行反馈输入直流电压的采集。激励回采通道的电路构成与反馈通道的电路形式完全一致，二者构成平衡式比例电路。

所述的包括平衡式比例电路的航空油量传感器采集系统，包括：激励频率配置单元、档位切换单元、带通滤波与幅值放大单元、本安防护单元、单层屏蔽线缆、外部油位传感器、双层屏蔽线缆、多通道分时采集控制单元、A/D采集单元以及上述的平衡式比例电路。

FPGA通过SPI总线接口控制激励频率配置单元中的频率寄存器和控制寄存器，激励频率配置单元输出符合设定频率未经放大的正弦激励信号。该信号经过带通滤波与幅值放大单元滤除干扰后，在档位切换单元的控制下进行幅值放大。带通滤波与幅值放大单元最终输出符合外部油量传感器频率和幅值要求的激励信号。该激励信号通过本安防护单元和电容采集专用连接器向外输出。信号在单层屏蔽线缆的屏蔽保护下传输到油箱开口处的穿箱连接器处。该信号经过穿箱连接器进入油箱内部继续通过单层屏蔽线缆传输到油量传感器的一侧极板。油量传感器接收到激励信号后，通过另一侧的极板输出反馈交流正弦信号，反馈信号通过双层屏蔽线缆通过穿箱连接器和电容采集专用连接器传输回。反馈信号在经过本安防护单元进入多通道分时采集控制单元。多通道分时采集控制单元在FPGA的控制下对6路正常采集接口和1路自测试通道依次进行轮循采集。被选通通道的油位传感器与比例放大电路单元内的高精度参考电容构成比例放大电路。激励回采的信号和经过放大处理后的反馈信号通过各自的滤波加精密整流单元滤波处理后，通过AD进行采集，通过两路AD的采集结果，推断外部传感器的容值。

附图说明

图1为基于交流比例法的航空油量传感器采集系统整体框架图。

图2为平衡式比例电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本技术方案做进一步详细说明。

基于交流比例法的平衡式比例电路，其中，电容C1，C2，电阻R1，R2和运算放大器N1，N2构成比例放大电路单元。电容C3，C4，C5，电阻R3，R4，R5，R6，R7，R8，R9，R10，R11，二极管V1，V2和运算放大器N3，N4，N5，N6构成反馈输入通道的滤波加精密整流单元。电容C6，C7，C8，电阻R12，R13，R14，R15，R16，R17，R18，R19，R20，二极管V3，V4和运算放大器N7，N8，N9，N10构成激励回采通道的滤波加精密整流单元。

其中，激励信号经过外部油位传感器C1后形成反馈信号，反馈信号输入运放N1的负端，运放N1的正端经过电阻R2下拉到模拟地。电阻R1和参考电容C2并联跨接在N1的负输入端和输出端之间，与C1构成比例运放电路。N1的输出信号经过运放N2的电压跟随器实现隔离后进入后端信号处理过程。该信号首先通过电容C3和电阻R3构成的高通滤波器后，再经过电阻R4和电容C4构成的低通滤波器，将反馈回信号中的干扰滤除。经过运放N3构成的电压跟随器进入全波整理单元。该信号分为两个旁路，旁路1直接经过电阻R6输入运放N5的负端，旁路2经过电阻R5输入运放N4的负端，运放N4的正端通过电阻R8接地。N4的负端同时与电阻R7的1端和二极管V1的负端相连，运放输出脚与二极管V1的正端和二极管V2的负端相连，二极管V2的正端与电阻R7的2端和电阻R9的1端相连，信号经过电阻R9输入运放N5的负端，则经过电阻R6的信号和经过电阻R9的信号构成加法器电路。N5的负端与电阻R6的2端和电阻R9的2端相连，N5的正端经过电阻R11到地。电阻R10和电容C5并联跨接在运放N5的负输入端和输出端。N5的输出信号经过N6形成的电压跟随器进入AD进行反馈输入直流电压的采集。激励回采通道的电路构成与反馈通道的电路形式完全一致，二者构成平衡式比例电路。

平衡式比例电路是指反馈输入通道和激励回采通道采用相同的电路单元构成，二者对于信号衰减度，整流处理和最终的采集机制完全一致。

通过平衡式比例电路单元可实现以下目的：(a)简化计算公式，免除阻抗计算环节。将比例运放电路的输入和输出电压通过同样的滤波处理，精密整流和交流转直流电路进行处理，可免除电容阻抗计算环节，通过反馈输入和激励回采通道的直流电压值相除再乘以内部参考电容容值即可得到外部待测电容值；(b)通过平衡式比例电路的两个A/D同时对激励回采电压和反馈电压进行采集，避免了分时采集造成的偏差；(c)平衡式比例电路可以削减外部共模干扰造成的精度偏差。当外部共模干扰同时影响反馈输入通道和激励回采通道时，相比于传统的单端式采集方案，因两者电路形式完全一致，外部干扰对两路采集通道的影响也是一致的，最后通过做比例除法，可以极大程度上削减干扰造成的精度影响。

所述的包括平衡式比例电路的航空油量传感器采集系统，，包括：激励频率配置单元、档位切换单元、带通滤波与幅值放大单元、本安防护单元、单层屏蔽线缆、外部油位传感器、双层屏蔽线缆、多通道分时采集控制单元、A/D采集单元以及上述的平衡式比例电路。

FPGA通过SPI总线接口控制激励频率配置单元中的频率寄存器和控制寄存器，激励频率配置单元输出符合设定频率未经放大的正弦激励信号。该信号经过带通滤波与幅值放大单元滤除干扰后，在档位切换单元的控制下进行幅值放大。带通滤波与幅值放大单元最终输出符合外部油量传感器频率和幅值要求的激励信号。该激励信号通过本安防护单元和电容采集专用连接器向外输出。信号在单层屏蔽线缆的屏蔽保护下传输到油箱开口处的穿箱连接器处。该信号经过穿箱连接器进入油箱内部继续通过单层屏蔽线缆传输到油量传感器的一侧极板。油量传感器接收到激励信号后，通过另一侧的极板输出反馈交流正弦信号，反馈信号通过双层屏蔽线缆通过穿箱连接器和电容采集专用连接器传输回。反馈信号在经过本安防护单元进入多通道分时采集控制单元。多通道分时采集控制单元在FPGA的控制下对6路正常采集接口和1路自测试通道依次进行轮循采集。被选通通道的油位传感器与比例放大电路单元内的高精度参考电容构成比例放大电路。激励回采的信号和经过放大处理后的反馈信号通过各自的滤波加精密整流单元滤波处理后，通过AD进行采集，通过两路AD的采集结果，推断外部传感器的容值。

通过平衡式比例电路实现无需复杂计算公式实现推算待测电容。激励回采的交流信号和反馈输入的交流信号为同频率不同幅值的同类型信号。两者交流峰值信号的比例关系即为外部油位传感器容值与内部参考电容容值的比值。因此构建两路相同的信号处理通道将交流峰值信号转换为直流电压信号进行采集。通过相同的滤波器滤除相同的测量环境耦合干扰。通过相同的精密整流单元实现全波整流，再采用相同的有源滤波单元滤除整流后的信号纹波。最终通过采集两路稳定的直流电压幅值就可以推算出外部油量传感器和内部参考电容的比值关系，进而可以推算得到外部油量传感器的容值。

通过将外部待测的油量传感器和内部高精度参考电容构成比例电路，避免了推算外部待测油量传感器电容值等效阻抗的复杂计算过程，避免了因晶振频率参数漂移造成的计算误差。通过精密整流和交流转直流技术，将激励回采和反馈信号输入的交流信号转换为直流有效值，最终形成完整的线性电路，待测电容值的解算仅与直流有效值的幅值有关，与交流信号的相位无关，测量计算过程简单可靠。

具体的推算方法如下：

a.依据上一循环的采集结果确定当前通道的激励幅值档位，对外输出同时将多通道分时采集控制单元设置为当前通道；

b.开启10ms定时器；

c.10ms后通过两路AD同时采集反馈通道输出的直流电压值和激励回采输出的直流电压值；

d.将反馈通道输出的直流电压值和反馈通道输出的直流电压值代入公式计算，得到外部容值。

最终的待测电容值按照以下公式计算。

式中：

C_x——外部待测油位传感器容值，pF；

C_f——内部高精度参考电容容值，pF；

V_反馈电压——交流激励信号通过比例放大电路后的电压值，V；

V_激励回采——交流激励信号回采电压，V。

以上容值推算的电路基础为整个电路为线性电路，最终输出的直流电压值仅与外部油量传感器的容值相关，因此需要对电路内部的非线性误差进行修正，调整整个电路的线性度。多路模拟开关的漏电流，多级运算放大器的偏置电压会产生叠加并在最终的直流电压采集端形成非线性误差。

开路电容值的修正方法如下：

a.在产品上电初始化时，将多路模拟开关通道置于AGND误差修正通道；

b.以10ms时间间隔连续采集电压8次，取平均值得到ΔV，以ΔV作为非线性误差的修正值；

c.进入正常采集模式后，各通道采集值减去修正值作为最终运算公式的输入值。

通过实际测量结果显示，通过此种方法可以极大的减小测量电路的非线性误差，既实现了高集成度接口复用，又保证了采集精度。

此外通过内部搭建的自测试通道单元测量固定容值，用以支撑BIT自测试和内部故障定位。在内部搭建100pF精密电容自测试通道，进行周期采集时，依次轮循进行6路外部油量传感器的测量和1路自测试通道的测量，每路采集时间为10ms，总的轮循时间为70ms。自测试通道精度可达到0.5％，即自测试通道结果在99.5pF～100.5pF之间认为自测试通道采集结果正常。通过多路模拟开关的分时切换，实现了激励输出，激励回采和反馈输入的自回绕测试，可以实现接口电路的BIT全覆盖测试。结合自测试通道的测量结果，激励回采和反馈输入的直流电压采集结果可以实现更精准的故障定位。

自测试通道辅助故障定位的方法如下：

a.如自测试通道结果异常，激励回采电压正常，反馈输入电压异常，定位为反馈输入电压采集电路故障；

b.如自测试通道结果异常，激励回采电压异常，反馈输入电压异常，定位为激励回采电压采集电路故障；

c.如自测试通道结果异常，激励回采电压异常，反馈输入电压异常，定位为激励输出电路故障。

通过设立自测试通道，可以极大提高测试覆盖率和采集数据的有效性。

Claims (3)

1.基于交流比例法的平衡式比例电路，其特征是，其中，电容C1，C2，电阻R1，R2和运算放大器N1，N2构成比例放大电路单元；电容C3，C4，C5，电阻R3，R4，R5，R6，R7，R8，R9，R10，R11，二极管V1，V2和运算放大器N3，N4，N5，N6构成反馈输入通道的滤波加精密整流单元；电容C6，C7，C8，电阻R12，R13，R14，R15，R16，R17，R18，R19，R20，二极管V3，V4和运算放大器N7，N8，N9，N10构成激励回采通道的滤波加精密整流单元；

其中，激励信号经过外部油位传感器C1后形成反馈信号，反馈信号输入运放N1的负端，运放N1的正端经过电阻R2下拉到模拟地；电阻R1和参考电容C2并联跨接在N1的负输入端和输出端之间，与C1构成比例运放电路；N1的输出信号经过运放N2的电压跟随器实现隔离后进入后端信号处理过程；该信号首先通过电容C3和电阻R3构成的高通滤波器后，再经过电阻R4和电容C4构成的低通滤波器，将反馈回信号中的干扰滤除；经过运放N3构成的电压跟随器进入全波整理单元；该信号分为两个旁路，旁路1直接经过电阻R6输入运放N5的负端，旁路2经过电阻R5输入运放N4的负端，运放N4的正端通过电阻R8接地；N4的负端同时与电阻R7的1端和二极管V1的负端相连，运放输出脚与二极管V1的正端和二极管V2的负端相连，二极管V2的正端与电阻R7的2端和电阻R9的1端相连，信号经过电阻R9输入运放N5的负端，则经过电阻R6的信号和经过电阻R9的信号构成加法器电路；N5的负端与电阻R6的2端和电阻R9的2端相连，N5的正端经过电阻R11到地；电阻R10和电容C5并联跨接在运放N5的负输入端和输出端；N5的输出信号经过N6形成的电压跟随器进入AD进行反馈输入直流电压的采集；激励回采通道的电路构成与反馈通道的电路形式完全一致，二者构成平衡式比例电路。

2.包括如权利要求1所述的平衡式比例电路的航空油量传感器采集系统，其特征是，包括：激励频率配置单元、档位切换单元、带通滤波与幅值放大单元、本安防护单元、单层屏蔽线缆、外部油位传感器、双层屏蔽线缆、多通道分时采集控制单元、A/D采集单元以及上述的平衡式比例电路；

FPGA通过SPI总线接口控制激励频率配置单元中的频率寄存器和控制寄存器，激励频率配置单元输出符合设定频率未经放大的正弦激励信号；该信号经过带通滤波与幅值放大单元滤除干扰后，在档位切换单元的控制下进行幅值放大；带通滤波与幅值放大单元最终输出符合外部油量传感器频率和幅值要求的激励信号；该激励信号通过本安防护单元和电容采集专用连接器向外输出；信号在单层屏蔽线缆的屏蔽保护下传输到油箱开口处的穿箱连接器处；该信号经过穿箱连接器进入油箱内部继续通过单层屏蔽线缆传输到油量传感器的一侧极板；油量传感器接收到激励信号后，通过另一侧的极板输出反馈交流正弦信号，反馈信号通过双层屏蔽线缆通过穿箱连接器和电容采集专用连接器传输回；反馈信号在经过本安防护单元进入多通道分时采集控制单元；多通道分时采集控制单元在FPGA的控制下对6路正常采集接口和1路自测试通道依次进行轮循采集；被选通通道的油位传感器与比例放大电路单元内的高精度参考电容构成比例放大电路；激励回采的信号和经过放大处理后的反馈信号通过各自的滤波加精密整流单元滤波处理后，通过AD进行采集，通过两路AD的采集结果，推断外部传感器的容值。

3.如权利要求2所述的包括平衡式比例电路的航空油量传感器采集系统，其特征是，该系统自测试通道辅助故障定位的方法如下：

a.如自测试通道结果异常，激励回采电压正常，反馈输入电压异常，定位为反馈输入电压采集电路故障；

b.如自测试通道结果异常，激励回采电压异常，反馈输入电压异常，定位为激励回采电压采集电路故障；

c.如自测试通道结果异常，激励回采电压异常，反馈输入电压异常，定位为激励输出电路故障。