发动机火警传感器校验仪的研制

航佳技术

发动机火警传感器校验仪的研制         2015-01-14          南航    胡志伟                        航佳技术

  

[size=1em]摘要：

本文主要介绍了基于C8051单片机的发动机火警传感器校验仪的研制；讨论了该校验仪硬件电路的设计以及如何对温度非线性进行曲线拟合。实验结果表明该校验仪能够全自动地检测出火警传感器的动作情况，并且具有较高的温度检测精度和稳定性。关键词: C8051单片机；发动机火警传感器；温度非线性；曲线拟合；

[size=1em]一：前言

发动机在工作中因机件严重磨损，燃油泄漏，电气着火等可能出现火警，若不加以控制，不仅会严重损坏发动机，还直接危及飞行安全。因此现代飞机均设置了发动机的火警探测系统，在发动机发生火情时，及时准确的发出火警信号，并可对发动机实施灭火。然而，跟据统计，发动机火警系统误报警的事件频频发生。这不仅给航空公司带来巨大的经济损失，而且给操作人员带来了极大地心理压力，严重影响操作人员的操作，对飞行安全造成隐患。所以，提出研制发动机火警传感器校验仪，以降低火警探测时的虚警率[1]。

图1所示为待测发动机火警传感器工作原理图。它由快速形变金属片和慢速形变隔热金属片组成。常温下这两块金属片通过双金属连接点连接在一起，传感器正负极短路。在传感器温度缓慢升高的过程中，两块金属片向相同的方向弯曲。当到达截止温度时，探测器温度截止门槛阻碍慢速形变隔热金属片继续向上弯曲，而快速形变金属片继续形变，使得两金属片断开，传感器正负极断路，触发报警。当传感器温度急剧升高，快速形变金属片传热快，因此形变大于慢速形变隔热金属片，这使得原本吸和的两块弹片分开，传感器正负极断路，触发报警。

  

图1 发动机火警传感器工作原理图

二：校验仪整体设计方案

该校验仪的设计主要分两个部分，一部分是高温加热阱的设计。它是将高温加热圈（镶嵌K型热电偶）内嵌在阱的中间，周围塞满隔热石棉，加热和温度反馈导线穿过隔热板接入温度控制系统，由控制系统输出的PWM信号控制电流大小以控制加热阱温度。另一部分是温度控制系统的设计。它是以C8051 F020单片机为控制核心。该器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，内部采用高速、流水线结构，最高处理速度可达25MIPS。
由于该芯片自带64K FLASH与4K RAM，足以满足程序需要，因此不需要外扩程序和数据存储器。本系统还辅以温度采样电路、温度传感器检测电路和电流输出控制电路。温度控制系统采用闭环控制形式，其结构框图如图2所示。具体工作过程为：将温度设定值与温度反馈值送入控制电路，然后经过软件控制算法得到输出控制量，输出控制量通过PWM方式驱动AC-SSR对电流进行控制，从而控制被控对象的温度。

图2 系统结构框图

三：硬件设计

3.1 温度采集单元

本温度控制系统温度采集所用的传感器是K型热电偶。它是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽等特点。根据K型热电偶的测温原理，它的输出电势不仅与测量端的温度有关，还与冷端温度有关。只有在冷端温度恒定的情况下，电势才能正确反映热端温度的大小，而环境温度是不断变化的，因此我们就需要对冷端进行补偿。比较传统的方法有冷端法或电桥补偿法等，但这些方法在实际设计电路板和调试电路的过程中都比较麻烦，另外由于热电偶的非线性，以往是采用线性电路方法来减小热电偶本身非线性带来的测量误差，但这仍然增加了电路的设计难度。因此，我们采用这款美信公司生产的MAX6675芯片来解决上述问题。MAX6675内部元器件的参数进行了激光修正，从而对热电偶的非线性进行了内部修正。与此同时，该芯片还集成了冷端补偿电路、断线检测电路等都给K型热电偶的使用带来了极大的方便。

MAX6675是一款复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构如图3所示。主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。

其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。对于K型热电偶，电压变化率为(41μV/℃)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。


  

(1)上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0是周围温度。

在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S5输入ADC转换器。

               

(2)在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。

图3 MAX6675内部原理图

3.2 电流输出和显示单元

本系统采用PWM控制方式控制交流固态继电器（AC-SSR）以控制电流的输出。由于AC-SSR的输入控制电流小，用TTL、COMS等集成电路可以直接驱动，而且与普通电磁继电器相比无机械噪声、无抖动和回跳。因此特别适用于在本单片机控制系统中作为输出通道的控制原件。本系统中单片机IO输出的PWM信号经同相器SN7407N后直接驱动AC-SSR，以控制输出电流的大小，其原理如图4所示。

图4 电流输出控制

显示单元采用的是FYD12864液晶显示。选用这种显示方式，一方面是节省单片机IO口，更主要是它集成了驱动和自带字库，不仅简化了程序设计，更达到了人机交互的效果。其原理如图5所示：

图5 液晶显示单元

单片机的P2口设置成弱上拉(P2MDOUT=0x00)，再通过10K上拉电阻接入液晶模块。P3.5-P3.7作为液晶的控制口线分别与液晶LCD_RS、LCD_RW、LCD_EN端口相连。LCD_RS是读写指令或数据选择端口，当LCD_RS为“L”时表示对缓存器下命令；反之为“H”时表示对Display RAM进行数据读写。
LCD_EN为并行的使能信号，LCD_RW为指令、数据读写信号。

四：软件设计

4.1 K型热电偶曲线拟合

虽然MAX6675芯片在采集K型热电偶温度时已对信号做了非线性校正，但是在实际温度测量时发现温度值仍有偏离，并不满足芯片所提供的线性关系式。表1所示为在曲线拟合前天津市计量局对该温度系统的校准结果。

表1：拟合前校准结果

标称值（℃）	实测温度（℃）
100	100.0
200	198.2
300	295.3
400	397.1
500	499.5
600	603.3

从表1可以看出，只有100℃区间段实测的温度与标称值完全符合，其它区间段实测温度与标称值有偏离，最大可达到5℃左右。因此，提出采用曲线拟合的方式来减小测量误差。

实践中最常用的一种数据拟合方法是最小二乘法。将热电偶产生的热电势E与火警传感器温度值T用关系式T=f(E)来描述。对于试验中获取的一组数据

(x,y)(i=1,2,...,n)求一个m次多项式（m＜n):




使得



为最小，即选取参数a,(i=0,1,2,...,m)使得



其中，H为至多m此多项式集合，



为这组数据的最小二乘m次拟合多项式。

由多元函数取极值的必要条件，可得方程组



移项，得


即有



这是最小二乘：



函数组



的线

的多项式,定是已给数据组的



最小二乘m磁拟合多项式。

从理论上讲，拟合多项式的阶数愈高，拟合结果愈精确，但计算量也随之加大，因此通常不采用更高阶的多项式来拟合。在考虑拟合精度、运算速度以及实测需要等情况，我们采用分段拟合的方法。将表1中从200℃-600℃按每100℃进行分段，分别进行曲线拟合。经计算得每分段拟合多项式系数，如表2所示：

表2 分段拟合多项式系数

通过上述五段曲线拟合之后，实测精度得到了很大的改善，表3为曲线拟合之后的校准结果。

3.2 程序流程图

系统采用C语言在单片机上编程实现控制检测。为了提高抗干扰，对采样值进行数字滤波，采用防脉冲抗干扰平均值滤波法，即连续进行5次数据采样，去掉其中最大和最小值，然后求剩下三个数据的平均值。程序控制流程如图6所示：

图6 程序流程图

程序初始化后，首先采集温度信号和数字滤波，消除脉冲干扰。在对实测温度进行曲线拟合之后送显。判断火警温度传感器是否在工作温度内动作，若提前动作，则表明该传感器实际使用时会产生误报警信号。最后，打印校验结果，提供参考。

为了避免传感器在恒温箱中加温时间过长而受损，整个加温过程控制在5分钟以内。如果设定更高温度，则控制器自动控制输出电流，保证恒温箱在5分钟内达到所设定温度值。

[size=1em]4 结语

[size=1em]本系统所测发动机火警传感器型号为H342和H442。H342的动作温度为400℃左右，H442动作温度为500℃左右。在实际校验地过程中发现，由于加热的速度快于热传导的速度，高温加热阱与被测传感器之间存在温度差，因此需要求取一个校准系数来消除该误差。我们是通过实验的方式，首先在计量局测试这两款火警传感器实际的动作温度，测试证书编号为：2009CS03081225，再将仪器检测的温度值校准到该动作温度值上，从而求取校准系数为0.87。

[size=1em]
通过上述方法已经成功研制一台发动机火警传感器校验仪。测试结果表明，该仪器具有测量精度高，抗干扰强，使用方便等特点。同时仪器本身还具有故障自诊断功能，若K型热电偶接线不正确或其导线断裂，系统可给出故障提示，保证了测量数据的可靠性。
作者后记：未来机队规模逐年增长，工作量与日俱增，对维修质量的要求也越来越高。仍靠传统方法既费时又费力，还达不到精度要求。运用自动化的检测设备进行部件维护是发展的必然！

南航湖北分公司（武汉） 胡志伟（首发于航空维修与工程）
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