容性负载和压力传感器稳定性及测量误差相关性

DOI：10.16660/ki.1674-098X.2018.18.001
容性负载和压力传感器稳定性及测量误差相关性
李年红
(中航工业特种飞行器研究所 湖北荆门 448000)
摘 要：针对电容长双绞线运输机上线间给传感器造成压力，出现测量误差和工作不稳定情况，本文选择负载容性对传感器压力造成影响的因素进行分析，通过软件Multisim仿真软件进行研究。

之后，利用电阻增加隔离方式减少负载容性给压力传感器造成的信号振荡情况，最后通过实验验证来解决这些问题，减少实际测量存在的误差。

关键词：容性负载 振荡 线间电容 波特图
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)06(c)-0001-02
在定型试验机飞行中，很容易因为测量稳定、压力精度等影响飞行器安全和质量评估，为了提高飞行器和其相关装备的品质，人们不断加强对航空测试方面的压力传感器进行完善，主要进行高可靠性、高精度、快速动态响应等方面进行改善[1-2]。

但是关于航空测试中双绞线传输信号模拟传感器值的影响研究比较少。

本文将会针对测试中运输机试飞，影响压力双绞线传感器稳定工作和测量误差的因素，提出利用隔离电阻消除双绞线性能受到的影响。

1 容性负载对压力传感器测量值的影响
1.1 运输机压力传感器信号输出
通过示波器在运输机上观测压力传感器和不同双绞线长度连接情况下信号波形输出情况。

1.2 双绞线对压力传感器校准结果影响
设计任意飞行试验准备任务时，使用载机中的压力传感器加载，在实验室中，都有独立导线来完成校准，这样可以方便之后试验曲线校准时得到有效的飞行数据测试，从而计算实际测量压力值[3-4]。

就像上述分析的，连接双绞长线的压力传感器输出端会造成信号输出产生振荡情况，所以，在起机器输出测量值异常偏大情况下，选择校准曲线处理会造成结果测量异常偏大，如果在实验室中使用长度不同的双绞线进行压力传感器校准，得到的结果如表1所示。

在实验室中根据表格数据通过0.5m、30m两种双绞线不同长度压力传感器曲线校准情况，随着增加双绞线长度，压力传感器的校准曲线不会出现线性变化。

根据中校准曲线不同做差，可以得到双绞线不同长度使用时，得到传感器压力校准误差曲线。

从中发现，随着双绞线不断增加长度，实验室选择的校准点采集测量值就会越大，另外，长双绞线对曲线校准线性度不会造成很大影响，所以，曲线幅度误差变化比较小。

在飞行试验中，压力值在运输机测量和实验室校准过程相同，所以，连接压力传感器载机上双绞线长度越长，终端双绞线输出信号电压测量值就会越大，从而通过实验室曲线校准计算得到物理实际测量值，出现异常偏大情况。

2 影响压力传感器性能的关键问题分析
2.1 压力传感器设计原理及问题
在运输机上飞行试验测量压力系统的原理如图1所示。

图中B点表示压力传感器采集器载机上信号输出采集输入端，A点是压力传感器的输出端，设备之间是通过双绞传输信号。

试飞运输机测量领域使用比较多的是压力传感器，它是通过电阻应变片进行工作。

压力传感器通过恒流源、恒压源作为激励源，在通过电路信号调理和最终电路放大处理，输出电桥的电压信号，得到压力测量最终的输出信号。

在实际飞行实验中，使用双绞线电容型线间特征，相当于在压力传感器增加一定负载容性和一个容量值在最后一级放大电路中。

2.2 运算放大器稳定性分析
影响运算放大器的稳定性，主要是因为放大器处于不稳定工作状态时，会受到输入端的瞬态电压和噪声的影响，如果没有输入端信号，输出端就会有电压不期望不波动，就是振荡。

使用负反馈方式进行压力传感器运算放大，可以得到放大器反馈输入端的信号与输入端信号相抵，这样可以减少放大器运算造成的电压增益。

所以，通过环路运放中反馈压强(kPa)
长度30m时双绞线信号
测量值(mV)
双绞线是0.5m长度时测量
信号值(mV) 20605580
4010881060
6015691541
8020502021
10025302500
12030112980
14034903461
180********
2004934
4900
表1 实验室压力传感器校准结果比较
(下转3页)
图1 测量机载压力系统示意图
验管线准确的坐标信息，并利用管线探测仪，实地测量基础埋深数据，同时获取了试验初期地表高程及埋深数据。

经过实地探测后，得到的研究区管线埋深数据，管线实际埋深为1.1～3.7m之间。

3.2.2 无人机地形测绘及埋深数据处理
利用固定翼无人机搭载后差分设备在管线覆埋作业施工前后分两次获取研究区数据；通过两次无人机拍摄工作，共分别获取0.1m分辨率两期影像共521张，经软件处理后得到两期无人机飞行影像，按照无人机测绘规范制定像控方案，在研究区内开展像控点测量工作，确保成果精度，共获取像控点40个。

3.2.3 埋深数据处理过程
利用无人机飞行获取的两期数据结合控制点成果，分别进行空三处理获得苏6-01-7管线周边正射影像图与数字高程模型(DSM)。

初步处理之后，开始对两期DSM数据进行高程信息提取工作，整理后得到巡线数据采集点位置的坐标、两期DSM高程、高程变化及计算得出的现有埋深数据。

3.2.4 理论计算埋深的检验核查无人机测算埋深结果后，我们对管线埋深成果进行了人工检核。

针对埋深结果分析，42号点位原埋深0.2m，通过两期无人机飞行DSM数据对比计算得出现埋深为1.65m，人工现场测量检核的结果为1.8m，误差为0.15m，41-43号点位高程整体趋势递减，与实地勘察结果相同。

本次研究设置的其他管线数据采集点中，目标点位高程变化值依次为4号点0.06m，5号点位0.42m，6号点位0.67m，7号点位0.62m，8号点位1.13m，9号点位0.49m，10号
点位0.18m，6-9号点高程变化明显，与两期影像数据特征相符合，地面抬升幅度也与实际观测值基本相符。

3.3 管线埋深测算的精度评价
根据试验数据可以得出，基于无人机低空遥感技术，可快速针对大面积范围管线变化情况进行监控，监控的数据精度可达30cm左右。

4 结语
低空遥感技术在社会建设的方方面面已发挥的巨大的潜力，自2015年开始，苏里格气田已有多个单位开展了无人机管道巡护相关研究。

通过两年试验，无人机在埋深巡查方面可行性得到验证。

无人机获取的数据处理后在管线埋深变化方面可完成三四十公分精度的检测，并且相比于人工方法有更高的作业效率，0.1m地面分辨率情况下单
架次飞行可覆盖10余km 2
，并且随着无人机技术的不断发展，作业效率也会不断提升，无人机遥感技术在管线埋深巡查中的作用必将得到进一步快速推进。

参考文献
[1] 欧如坪.浅析无人机航空摄影测量系统及应用[J].建筑工程技术与设计,2015(31):23.
[2] 张峡辉,蒋志玮.无人机航空摄影测量技术在地形测绘中的应用分析[J].工程技术:全文版,2016(11):264.
[3] 李晨超,沈丹华.无人机航拍技术在国土资源监测中的运用[J].科学与信息化,2017(11):15.
[4] 陆兴华.改进PID的无人机飞行姿态角控制消颤算法[J].传感器与微系统,2017,36(3):116-119.
(上接1页)
是负，这样放大器运算就会变得稳定。

但是，如果反相运算输入端出现反馈信号和输入端正相输入信息号保持一致，这时放大器运算器就会处于不稳定状态，产生振动情况。

2.3 放大器稳定性运算补偿
在压力传感器增加容性负载在输出端。

输入端B 点电路电容信号相位会因为自身电容C 充放电特性，以及内部运放电阻R 0输出输入端A 点信号的相位出现位移情况，就是上述分析的网络反馈相移。

想要消除负载容性产生的额外相移，需要在原理图中，增加一个电阻R ios 在电阻R 0和负载容性之间，这时的反馈信号就是输入端B 点电阻隔离R ios 的信号，该端点的相位和电阻输入端R 0的A 点相同，可以减少负载容性带来的相位延迟情况。

根据数据得到环路运放反馈传输函数是：
'
')()1()(R R R R R C C R R s H o F ios s s ios i +++•
•
=
•
•
(1)
其中 f i o R R R R ++=', f i F R R R +=,R o 是放大器运算中输出的内部电阻。

计算得到在传输函数是零点，如果增加零点，反馈信号会超前90°，可补偿网络之后相位延迟。

3 结语
在实验飞行测试中，会因为负载容性给压力传感器的稳定造成影响，出现测量误差。

本文铜鼓增加传感器内部隔离电阻方案，将压力传感器容性负载消除减少影响。

这个方法实现比较简单，而且能够消除航空测试中双绞线传
输信号给压力传感器造成的影响，从而提高测量结果的精
度。

参考文献
[1] 赵双双,卢树峰,黄奇峰,等.一种计量系统电流互感器长期误差稳定性可靠性评价方法:中国,CN106772195A[P].2017.[2] 温龙波,蓝卫忠,李晓柠,等.客观监测近视眼相关环境因素的新设备“云夹”的准确性和稳定性研究[J].中华眼视光学与视觉科学杂志,2017,19(4):198-203.
[3] 冯博琳,王军利,熊超,等.称重传感器蠕变误差检测装置机架动态特性研究[J].陕西理工大学学报:自然科学版,2017,33(2):34-38.
[4] 位恒政,王为农,裴丽梅,等.用于多传感器坐标测量机探测误差评价的薄环规标准器[J ].光学精密工程,2016,24(3):521-525.
[5] 汤华莲,许蓓蕾,庄奕琪,等.工艺偏差下PMOS 器件的负偏置温度不稳定效应分布特性[J].物理学报,2016, 65(16):261-267.。