HPX氣體壓力傳感器的功能特性及如何實現(xiàn)飛行器高度測量

一、引言

用氣壓傳感器進(jìn)行高度測量在現(xiàn)代飛行器上有著廣泛的應(yīng)用，主要是通過測量飛行器所在的氣壓來計算出飛行器的飛行高度?；裟犴f爾公司有一些高精度氣壓傳感器（如HPA、PPT等）已經(jīng)用于飛行器高度的測量，且集成了必要的補償模塊，以RS232或RS485作為輸出接口，使用極為方便。但是這些傳感器屬于美國對我國出口的限制產(chǎn)品，并且極為昂貴，很難普及使用。而HPX是霍尼韋爾（Honeywell）推出的一款氣體壓力傳感器，它具有價格較低、精度較高、易購買等特點，因此如果能用它實現(xiàn)高度測量具有廣闊的應(yīng)用前景。

二、HPX氣體壓力傳感器特性描述

HPX系列是一種微結(jié)構(gòu)壓力傳感器，它僅僅只是一個的傳感器，沒有集成信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其外形也比較簡明，如下圖１，其主要特性如下：

圖１.HPX系列壓力傳感器的簡圖

1、HPX系列壓力傳感器提供精確、低成本的傳感裝置，它有兩種不同的封裝形式：DIP（雙列式封裝）和SOIC（小型集成電路）

2、表壓型裝置采用6插針雙列式封裝，絕壓型采用8插針表面貼裝小型集成電路。兩種傳感器都是非放大型和未校準(zhǔn)的。用戶可為HPX系列傳感器配備放大和信號調(diào)整電路，以滿足特定的應(yīng)用要求。

3、這些易于使用的傳感器的特點是采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，硅壓敏電阻技術(shù)和比例輸出，具有可證實的應(yīng)用靈活性，結(jié)構(gòu)簡單性，并易于最終產(chǎn)品的制造。

4、使用干傳感器設(shè)計的儀器裝置應(yīng)該用于非腐蝕性、非電離的工作流體，如空氣和各種干氣體等。HPX的技術(shù)性能特性——表壓型（雙列式封裝）

5、HPX的技術(shù)性能特性——表壓型（雙列式封裝）

表１.HPX的技術(shù)特性

1.基準(zhǔn)條件（除非另有說明）：供電電壓，Vs＝3.0 ± 0.01 Vdc； Ta＝25 ℃ ［77°F］。在供電電壓（Vs）范圍內(nèi)，輸出為比例型的。

2.溫度系數(shù)為-20℃和100℃ ［-4 °F和212 °F］間的標(biāo)準(zhǔn)值。

3.量程為特定壓力下的輸出電壓與零壓力下的輸出（電壓）間的代數(shù)差。量程與供電電壓成比例。

4.從0 psi至滿量程壓力的響應(yīng)時間逐步改變，為10%至90%的上升時間。

從以上HPX系列氣壓傳感器的性能可以看到HPX的精度高、分辨率高、重復(fù)性好，并且該傳感器系列具有不同的量程范圍，可以根據(jù)不同的環(huán)境和要求選用特定的型號。本文選用量程范圍為30psi的HPX030GD，用于測量0~5Km的高度，要求精度±30m，分辨率1m。

三、傳感器信號的放大調(diào)理與AD轉(zhuǎn)換

1、由于HPX氣壓傳感器的輸出的是60±20mV的模擬信號，所以必須對其進(jìn)行調(diào)理，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號送處理器處理。因為信號比較小，在A/D之前必須把信號放大，這里選用一款價格低的高精度放大集成電路塊MAX1452，它是高度集成的高精度信號放大調(diào)理器，它具有抗干擾能力強、工作溫度范圍大、對信號放大進(jìn)行優(yōu)化等特性。下面是它用于調(diào)理和放大非線性信號的典型電路（圖2）。

圖2. 調(diào)理和放大非線性信號的典型電路

2、調(diào)整MAX1452把HPX給出的模擬信號放大100倍，這樣信號就變成6±2V完全可以經(jīng)行A/D轉(zhuǎn)換了。根據(jù)測量要求，測量范圍0 -5Km，分辨率為1m，通過計算可以知道此處的A/D轉(zhuǎn)換器需要16位的。另外考慮到高空經(jīng)常會使儀器在零度以下工作，應(yīng)選擇工作溫度范圍較大的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對轉(zhuǎn)換速度沒有特別要求。AD676可以滿足以上要求。

四、壓-高轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理方法

1、壓-高轉(zhuǎn)換的物理原理和工程應(yīng)用

通常都知道地球大氣層中空氣的單位面積力就是大氣壓力它一成不變地隨著離開地面距離的增加而減少海平面以上高度與空氣壓力的關(guān)系按下列等式確定：

式中：P是自由氣流靜壓；g是重力加速；WM是空氣的分子重量；R是通用的氣體常數(shù)；T是絕對溫度；Z是海平面以上的幾何高度

上式給出了地球上大氣壓力和幾何高度的數(shù)學(xué)換算關(guān)系，但是在實際的工程應(yīng)用中并不能精確實時的得到上述關(guān)系中的輸入參數(shù)量，如空氣的分子重量WM 絕對溫度T等?！睹绹鴺?biāo)準(zhǔn)大氣壓1976（2）》對壓力與高度的比值提供有完善的數(shù)據(jù)表列，設(shè)計人員可將其裝進(jìn)儀表存儲器中這些數(shù)據(jù)考慮到了重力加速度變化情況和溫度對大氣壓的影響。在實際的壓-高轉(zhuǎn)換工程應(yīng)用中大多以美國標(biāo)準(zhǔn)大氣壓表為轉(zhuǎn)換表。

2、數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)方法

把《美國標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1976（2）》給出的壓-高轉(zhuǎn)換表結(jié)合實際要求得到壓-高轉(zhuǎn)換列表，把該列表存入ROM中，將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸入處理器，處理器只要根據(jù)大氣壓力的數(shù)值運用查表算法查詢ROM就可以得到高度值了。

本文所做的測量要求是：測量0~5Km的高度，精度±30m，分辨率1m。那么，根據(jù)分辨率1m就需要根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)大氣壓計算出至少5000個數(shù)據(jù)存入ROM，用來查詢。處理器可以將查詢到的數(shù)據(jù)以RS232或RS485輸出，這樣就有利于和其他儀器通訊以及方便用戶取用。

五 結(jié)論

通過試驗可以看到HPX氣壓傳感器能夠用來比較精確的測量高度，特別是在整臺儀器標(biāo)定后測量精度能夠有很大的提高，本文采用的標(biāo)定方法是在測量范圍的兩端進(jìn)行標(biāo)定，使該儀器的精度達(dá)到±25m，完全符合設(shè)計要求（±30m）。

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