CN113984138B - 一种基于fft频谱分析的航空燃油测量系统 - Google Patents

一种基于fft频谱分析的航空燃油测量系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统，所述系统包括：处理器单元、激励发生单元、滤波单元、误差消除电阻R2、比例放大单元和A/D转换单元；所述处理器单元包括FFT单元，控制单元和数据解算单元；所述激励发生单元包括D/A转换单元和放大单元,其中：处理器单元的FFT单元的输入与A/D转换单元的输出连接，FFT单元的输出端与数据解算单元连接，控制单元与数据解算单元连接；控制单元与数据解算单元均通过激励发生单元的D/A转换单元与跟随单元连接，跟随单元通过滤波单元与一个误差消除电阻连接；两个误差消除电阻分别与油量传感器等效电容两端的飞机线缆等效电阻R1连接。

Description

一种基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统
技术领域
本发明涉及到航空燃油测量技术领域，具体涉及一种基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统。
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
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，消除交流比例反馈电容精度低、易受干扰等缺陷，实现燃油容量全量程范围内的等精度测量。
为了解决上述技术问题，本申请提供一种基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统，其特征在于，所述系统包括：处理器单元、激励发生单元、滤波单元、误差消除电阻R2、比例放大单元和A/D转换单元；所述处理器单元包括FFT单元，控制单元和数据解算单元；所述激励发生单元包括D/A转换单元和跟随单元,其中：
处理器单元的FFT单元的输入与A/D转换单元的输出连接，FFT单元的输出端与数据解算单元连接，控制单元与数据解算单元连接；控制单元与数据解算单元均通过激励发生单元的D/A转换单元与跟随单元连接，跟随单元通过滤波单元与一个误差消除电阻连接；两个误差消除电阻分别与油量传感器等效电容两端的飞机线缆等效电阻R1连接；比例放大单元的输入负端与另一个误差消除电阻连接，比例放大单元的输出端通过滤波单元与A/D转换单元连接；
比例放大单元包括反馈电阻R3、接地电阻R4和放大单元，放大单元的输出端通过反馈电阻R3与放大单元的输入负端连接，放大单元的输入正端通过接地电阻R4接地。
优选的，所述处理器单元采用FFT单元计算A/D转换单元输出信号的频谱；采用控制单元控制A/D转换单元和D/A转换单元；通过控制D/A转换单元的输出激励源的幅值和周期，实现激励源可编程控制；所述处理器单元采用数据解算单元解算油量传感器等效电容CX。
优选的，所述激励发生单元输出的激励源包括三角波、锯齿波、梯形波和方波。
优选的，所述误差消除电阻R2取值为：R1<<R2<<R3；R2取值为100～500Ω；其中，飞机线缆等效电阻R1为设置在油量传感器与误差消除电阻之间的等效电阻。
优选的，所述比例放大单元反馈电阻R3取值方法为：
其中，k为0.6～0.8之间的数值，V反馈为比例放大单元输出的饱和电压上限，V激励为激励发生单元输出的电压上限值，C满量程为油量传感器等效电容的最大范围，ω1为激励发生单元输出的激励频率。
优选的，所述控制单元依据数据解算单元输出的油量传感器等效电容的采集结果，调整激励发生单元的频率，实施过程如下：
步骤1：将油量传感器等效电容的容值范围等分为N段，分别为(C0,C1]，(C1,C2]，…(CN-1,CN]，N取值为6～10；
步骤2：配置激励发生单元输出频率为ω1的周期激励源；
步骤3：解算被测油量传感器等效电容Cx；
步骤4：判断Cx属于的等分段区间，假设Cx∈(Ck-1,Ck]，(其中K∈[1,N])，配置激励发生单元产生频率为(N-k+1)ω1的激励源；
步骤5：重复步骤2和3，重新解算油量传感器等效电容Cx。
优选的，所述数据解算单元解算油量传感器等效电容的过程如下：
步骤1：依据傅里叶级数公式，计算所述激励发生单元发出的激励源的基波幅值A1，三次谐波幅值A3；
步骤2：依据FFT单元输出的FFT结果，计算A/D转换单元输出的基波幅值B1和三次谐波幅值B3；
步骤3：根据激励发生单元发出的激励源的基波幅值A1、三次谐波幅值A3、A/D转换单元输出的基波幅值B1和三次谐波幅值B3，计算基波电容容值三次谐波电容容值/>
选取基波电容容值Cx(1)为油量传感器等效电容的采集结果；选取三次谐波电容容值Cx(3)为油量传感器等效电容的BIT结果。
优选的，方法还包括：
计算基波电容容值Cx(1)和三次谐波电容容值Cx(3)的绝对差值，当绝对差值小于允许的范围时，则采集结果正常；否则，报燃油测量采集系统故障。
综上所述，本发明涉及到航空燃油测量技术领域，具体涉及一种基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统。本发明采用交流比例放大单元实现被测量电容信号的电气放大，比例放大单元利用电阻的高精度和低温漂特性作为反馈，通过采用FFT频谱分析，解算反馈电压，激励源发生电路采用频率可配置的周期波，依据采集电容容值实现激励源频率档位的切换，提高采集精度。本发明通过计算基波和三次谐波电容容值，实现故障模式诊断，通过配置误差消除电阻实现可靠采集，本发明对于提升燃油测量系统精度，减少飞机燃油备量具备重要的意义。
附图说明
图1为一种基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统整体框架图。
图2为一种基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统实施框图。
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。
图1是本发明提供的一种基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统整体框图，其特征在于，所述系统包括：处理器单元、激励发生单元、滤波单元、误差消除电阻R2、比例放大单元和A/D转换单元；所述处理器单元包括FFT单元，控制单元和数据解算单元；所述激励发生单元包括D/A转换单元和跟随单元,其中：
处理器单元的FFT单元的输入与A/D转换单元的输出连接，FFT单元的输出端与数据解算单元连接，控制单元与数据解算单元连接；控制单元与数据解算单元均通过激励发生单元的D/A转换单元与跟随单元连接，跟随单元通过滤波单元与一个误差消除电阻连接；两个误差消除电阻分别与油量传感器等效电容两端的飞机线缆等效电阻R1连接；比例放大单元的输入负端与另一个误差消除电阻连接，比例放大单元的输出端通过滤波单元与A/D转换单元连接；
比例放大单元包括反馈电阻R3、接地电阻R4和放大单元，放大单元的输出端通过反馈电阻R3与放大单元的输入负端连接，放大单元的输入正端通过接地电阻R4接地。
处理器单元采用FFT单元计算A/D转换单元输出信号的频谱；采用控制单元控制A/D转换单元和D/A转换单元；通过控制D/A转换单元的输出激励源的幅值和周期，实现激励源可编程控制；所述处理器单元采用数据解算单元解算油量传感器等效电容CX。
图2是本发明提供的一种基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统实施框图。激励发生单元输出的激励源选用三角波。
误差消除电阻R2取值为250Ω，实现燃油油箱保护功能和激励源短路保护的功能；其中，飞机线缆等效电阻R1为设置在油量传感器与误差消除电阻之间的等效电阻，取值为2Ω。
比例放大单元反馈电阻R3取值方法为：
其中，取基波ω1＝10kHz，电容测量的满量程数值为C满量程＝500pF，V反馈＝10V，V激励＝8V，k＝0.8，可计算得R3＝200kΩ，R3选用精度为1‰的高精密电阻。
选用TI公司的C5000系列TMS320C5402作为主处理器，A/D转换单元选用TI公司的16位A/D转换器AD976BR,实现(0～±10)电压的采集，该芯片外部供电电压为5V，输入端口最大可承受电压为±25V，为提高系统可靠性，选用内部基准源作为参考源，输出连接至处理单元用于FFT结果分析。D/A转换单元选用TI公司的12位D/A转换器AD664TD-BIP/883B，该芯片参考源采用10V基准，输出通道数为4，通过主处理配置D/A转换器的输出幅值，实现激励发生单元输出频率和幅值的配置。滤波单元和比例放大单元使用低失调电压、高压摆率运放LF147作为核心器件，滤波单元采用二阶有源低通滤波器，参数如下R5＝40Ω，C1＝25pF，R6＝62kΩ，R7＝9.4kΩ，截止频率
控制单元依据数据解算单元输出的油量传感器等效电容的采集结果，调整激励发生单元的频率，实施过程如下：
步骤1：将油量传感器等效电容的容值范围等分为6段，分别为(C0,C1]，(C1,C2]，…(C5,C6]；
步骤2：配置激励发生单元输出频率为ω1＝10kHz的周期激励源；
步骤3：解算被测油量传感器等效电容Cx；
步骤4：判断Cx属于的等分段区间，假设Cx∈(Ck-1,Ck]，(其中K∈[1,6])，配置激励发生单元产生频率为(N-k+1)ω1的激励源；
步骤5：重复步骤2和3，重新解算油量传感器等效电容Cx。
数据解算单元解算油量传感器等效电容的过程如下：
步骤1：依据三角波的傅里叶级数公式：
(式中Amax为三角波激励输出的最大值，系统配置为10V)，计算所述激励发生单元发出的激励源的基波幅值A1，三次谐波幅值A3，计算得A1＝8.106V，A3＝0.901V；
步骤2：依据FFT单元输出的FFT结果，计算A/D转换单元输出的基波幅值B1和三次谐波幅值B3，设置A/D采样频率为1MHz；
步骤3：根据激励发生单元发出的激励源的基波幅值A1、三次谐波幅值A3、A/D转换单元输出的基波幅值B1和三次谐波幅值B3，计算基波电容容值Cx(1)和三次谐波电容容值Cx(3)，计算过程如下：
依据公式：
可得K次谐波电容值：
R2<<R3，可得：
分别取k＝1和k＝3，可解算得燃油传感器容值：
选取基波电容容值Cx(1)为油量传感器等效电容的采集结果；选取三次谐波电容容值Cx(3)为油量传感器等效电容的BIT结果。
方法还包括：
计算基波电容容值Cx(1)和三次谐波电容容值Cx(3)的绝对差值，当绝对差值小于允许的范围时，则采集结果正常；否则，报燃油测量采集系统故障。

Claims (5)

1.一种基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统，其特征在于，所述系统包括：处理器单元、激励发生单元、第一滤波单元、第二滤波单元、误差消除电阻R2、比例放大单元和A/D转换单元；所述处理器单元包括FFT单元，控制单元和数据解算单元；所述激励发生单元包括D/A转换单元和跟随单元,其中：
处理器单元的FFT单元的输入与A/D转换单元的输出连接，FFT单元的输出端与数据解算单元连接，控制单元与数据解算单元连接；控制单元与数据解算单元均通过激励发生单元的D/A转换单元与跟随单元连接，跟随单元通过第一滤波单元与一个误差消除电阻连接；两个误差消除电阻分别与油量传感器等效电容两端的飞机线缆等效电阻R1连接；比例放大单元的输入负端与另一个误差消除电阻连接，比例放大单元的输出端通过第二滤波单元与A/D转换单元连接；
比例放大单元包括反馈电阻R3、接地电阻R4和放大单元，放大单元的输出端通过反馈电阻R3与放大单元的输入负端连接，放大单元的输入正端通过接地电阻R4接地；
所述处理器单元采用FFT单元计算A/D转换单元输出信号的频谱；采用控制单元控制A/D转换单元和D/A转换单元；通过控制D/A转换单元的输出激励源的幅值和周期，实现激励源可编程控制；所述处理器单元采用数据解算单元解算油量传感器等效电容CX；
控制单元依据数据解算单元输出的油量传感器等效电容的采集结果，调整激励发生单元的频率，实施过程如下：
步骤1：将油量传感器等效电容的容值范围等分为N段，分别为(C0,C1]，(C1,C2]，…(CN-1,CN]，N取值为6～10；
步骤2：配置激励发生单元输出频率为ω1的周期激励源；
步骤3：解算被测油量传感器等效电容Cx；
步骤4：判断Cx属于的等分段区间，假设Cx∈(Ck-1,Ck]，其中，K∈[1,N]，配置激励发生单元产生频率为(N-k+1)ω1的激励源；
步骤5：重复步骤2和3，重新解算油量传感器等效电容Cx；
数据解算单元解算油量传感器等效电容的过程如下：
步骤1：依据傅里叶级数公式，计算所述激励发生单元发出的激励源的基波幅值A1，三次谐波幅值A3；
步骤2：依据FFT单元输出的FFT结果，计算A/D转换单元输出的基波幅值B1和三次谐波幅值B3；
步骤3：根据激励发生单元发出的激励源的基波幅值A1、三次谐波幅值A3、A/D转换单元输出的基波幅值B1和三次谐波幅值B3，计算基波电容容值三次谐波电容容值/>
选取基波电容容值Cx(1)为油量传感器等效电容的采集结果；选取三次谐波电容容值Cx(3)为油量传感器等效电容的BIT结果。
2.根据权利要求1所述的基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统，其特征在于，所述激励发生单元输出的激励源包括三角波、锯齿波、梯形波和方波。
3.根据权利要求1所述的基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统，其特征在于，所述误差消除电阻R2取值为：R1<<R2<<R3；R2取值为100～500Ω。
4.根据权利要求1所述的基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统，其特征在于，所述比例放大单元反馈电阻R3取值方法为：
其中，k为0.6～0.8之间的数值，V反馈为比例放大单元输出的饱和电压上限，V激励为激励发生单元输出的电压上限值，C满量程为油量传感器等效电容的最大范围，ω1为激励发生单元输出的激励频率。
5.根据权利要求1所述的基于FFT频谱分析的航空燃油测量系统，其特征在，方法还包括：
计算基波电容容值Cx(1)和三次谐波电容容值Cx(3)的绝对差值，当绝对差值小于允许的范围时，则采集结果正常；否则，报燃油测量采集系统故障。
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