一种飞机燃油油位传感器激励源动态切换输出电路

摘要：国内飞机燃油测量采用的传感器大部分是电容式油位传感器，该类型传感器需要测试设备发出正弦激励信号才能工作，因此测量精度受到正弦激励信号幅值大小的限制。文章提出了一种创新的激励源动态切换输出电路，详细阐述了硬件切换电路设计原理和软件动态切换策略，通过软硬件协同动态调整正弦激励信号的幅值，电路仿真证明了该设计的可行性；平台试验验证该设计将电容测量精度提高了2.79%。

关键词：电容式油位传感器；电容测量；软硬件协同；模拟开关；动态切换；高精度

中图分类号：TP301      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）08-0109-03

开放科学（资源服务） 标识码（OSID）

0 引言

飞机的燃油油量对于制定飞行计划和保障飞行安全至关重要。当前实现燃油油位测量的主流传感器仍然为电容式油位传感器[1-2]，该类型传感器具有技术实现简单、应用成熟度高的特点。燃油油量测量时，首先由测试设备产生特定频率和幅值的激励信号作用于电容式油位传感器[3]，随后携带电容值信息的反馈信号进入测试设备的采集电路，通过参考电容比例计算法解算出电容值，进一步得到对应的燃油油量。激励源输出电路的工作原理是处理器配置可编程波形发生器输出正弦激励信号，经过放大电路放大并增强驱动能力后输出至电容式油位传感器。由于放大电路参数固定，输出的正弦激励信号幅值不可改变，因此在燃油油量测量时，存在明显的测量范围小、测试精度低的问题。为了实现燃油油量宽范围、高精度的测量，本研究设计了一种创新的动态切换输出电路，通过软硬件协同完成正弦激励信号幅值的切换，该电路具有结构简单、灵活性强的特点，对飞机燃油油量测量的准确性具有重要参考意义。

2 设计原理与方法

2.1 动态切换策略

一般的正弦激励信号产生电路由处理器、可编程波形发生器和运算放大器组成。在硬件设计上，具备正弦激励信号幅值动态切换的电路在幅值放大电路中增加了模拟开关和反馈电阻。模拟开关为多通道单刀单掷开关集成芯片，处理器控制每个通道开关的打开或关闭，这样就实现了多个通道反馈电阻的动态并联，从而配置运算放大器的增益系数，增益系数的计算公式（1） 所示。

[A=1+RFRG]    （1）

式中：A为增益系数，V/V；RG为增益电阻，kΩ；RF为并联后的反馈电阻，kΩ。

在软件设计上，电容值采集时初始正弦激励信号幅值设置为最低，预采集待测电容值，根据预采集电容值范围，通过查表方式选择精度最高的正弦激励信号幅值，由处理器控制模拟开关完成正弦激励信号输出幅值的切换，确保在宽范围变化的待测电容值下能提供精度最佳的正弦激励信号。

2.2 电容值修正方法

除了常用的电容值温度补偿修正方法外[4-5]，设计中增加了悬空采集电路线路误差值的方法。软件首先关闭对电容式传感器的正弦激励信号输出，进行10次悬空态采集，计算出10次采集的平均值作为电路线路固有的误差值。软件随后接通对电容式传感器的正弦激励信号输出，采集时将根据误差值进行正弦激励信号和反馈信号的修正，以达到提升采集精度的目的。

3 电路实现

3.1 硬件切换电路设计

具备动态切换功能的正弦激励信号产生电路如图1所示，由处理器、可编程波形发生器、模拟开关和运算放大器组成。可编程波形发生器AD9838可以输出幅值[0.030 V，0.600 V]的交流正弦信号，通过对外接的16 MHz晶振进行228量化，输出频率的最小分辨率精度可以达到0.06 Hz。处理器通过SPI接口向可编程波形发生器芯片内部的控制寄存器和数据寄存器进行写操作，控制可编程波形发生器芯片对外输出频率为10 KHz的正弦激励信号。放大电路LF347为低功耗、高速JFET输入运算放大器，其中4只反馈电阻通过四通道模拟开关MAX313打开或关闭实现动态并联，将可编程波形发生器输出的正弦激励信号进行不同增益系数的放大，输出至电容式油位传感器。

反馈信号采集电路如图2所示，电容式油位传感器在稳定交流激励下的容抗值与内部预设的高精度参考电容共同构成比例放大电路，反馈信号采集电路通过测量反馈信号和正弦激励信号，经修正后进行比例运算并与内部参考电容值相乘，从而获得待测油位传感器的电容值。参考电容选用偏差值为120 pF±0.25 pF的高精度电容，A/D转换电路选用分辨率为16位、输入范围为±10 V的A/D转换器。

3.2 软件切换策略设计

软件切换策略如图3所示。在初始化阶段，系统关闭可编程波形发生器的正弦激励信号输出，对油位传感器采集电路进行10次悬空态采集，每次记录正弦激励信号值和反馈信号值。将10次采集的正弦激励信号值累加平均得到正弦激励信号修正值，将10次采集的反馈信号值累加平均得到反馈信号修正值，随后将这两个修正值填入接口数据表中。在软件进入周期性运行阶段，首先关闭可编程波形发生器的正弦激励信号输出，配置模拟开关全部接通以使正弦激励信号输出最低幅值，采集电容值并填入接口数据表中。根据采集到的电容值范围，通过处理器控制模拟开关的通断状态，完成正弦激励信号输出幅值的切换，确保在最佳精度范围内对油位传感器进行采集，再根据修正值对激励电压和反馈电压进行校正，将最终采集结果作为电容值测量结果。

当待测电容范围在0～600 pF，反馈信号采集电路A/D转换器的最大采集电压范围是±10 V，参考电容为120 pF时，软件控制的正弦激励信号幅值动态切换策略如表1所示。

4 仿真验证与试验验证

通过仿真分析，细致考察了激励源动态切换输出电路的功能，模拟了多种待测电容场景，确保了电路设计的合理性和预期性能。同时，在平台试验中，对实际电路进行了电容采集的验证，分析了待测电容采集精度的实际表现，确保了实验数据的准确性和实际应用效果。

4.1 动态切换仿真

在软件Multisim中构建激励源动态切换输出电路模型，设置放大电路中反馈电阻RF1= RF2=100 kΩ，RF3= RF4=50 kΩ，增益电阻RG=3.3 kΩ，则不同增益系数下激励输出幅值如表2所示。

在软件Multisim中构建的激励源动态切换输出电路模型中，配置可编程波形发生器输出幅值为0.32 V、频率为10 KHz的正弦激励信号。如图4所示，当S1接通时，正弦激励信号幅值为10.0 V；当S1、S2接通时，正弦激励信号幅值为5.17 V；当S1、S2、S3接通时，正弦激励信号幅值为2.74 V；当S1、S2、S3、S4接通时，正弦激励信号幅值为1.94 V。因此，通过反馈电阻的并联可以实现激励源动态切换。

4.2 待测电容采集精度仿真

待测油位传感器电容值的计算如公式（2） 所示。

[Cx=-Vi±∆mVo±∆n×Cr±∆t]        （2）

式中：Cx为待测电容值；Vi为反馈信号；△m为反馈信号修正值；Vo为正弦激励信号；△n为正弦激励信号修正值；Cr为参考电容值；△t为参考电容温度修正值。

以参考电容值Cr=120 pF为例，假定常温下温度修正值△t为0 pF，则公式（2） 可以简化为公式（3） 。

[Cx=-Vi±△mVo±△n×120pF] （3）

为计算方便，假定待测电容值Cx=120 pF，由公式（3） 可知，影响待测电容值Cx测量精度的是反馈信号与正弦激励信号比例系数α，其计算如公式（4） 所示。

[αmax=Vi+△mVo-△n，αmin=Vi-△mVo+△n]   （4）

假定反馈信号修正值△m和正弦激励信号修正值△n相同，如图5所示为使用Matlab绘制Vo在[0.5 V，10 V]范围内变化时与比例系数α的关系曲线。

由曲线可见，随着正弦激励信号增大，比例系数α相对于1的“摆幅”减小，待测电容精度显著提高。当Vo为最低值1.94 V时，比例系数α约为0.970，计算出的待测电容Cx为116.4 pF。当Vo为最高值10.0 V时，比例系数α约为0.995，计算出的待测电容Cx为119.4 pF。在两种不同幅值的正弦激励信号下，后者使120 pF电容测量精度提高了2.58%。

4.3 试验平台验证

试验平台使用远程数据采集单元的模拟量采集板，该采集板实现了本文设计的激励源动态切换输出电路，并在处理器中部署了具有动态切换策略的软件。如表3所示，主要对比了待测电容值在（0 pF，600 pF]范围内，分别在固定正弦激励和动态切换正弦激励情况下实际采集到的电容值，并比较了两种情况下的最大精度差值。

“/”：该激励下反馈信号超出了A/D转换器的±10 V的输入范围，电容值不采信当固定正弦激励输出的幅值后，由于A/D转换器±10 V的输入范围限制，可测量的电容值范围受到制约，无法满足宽范围测量的要求。例如，固定正弦激励输出的幅值为10.0 V时，仅能测量（0，120 pF）范围内的电容值。当正弦激励输出的幅值可以动态切换后，其可测量范围增加至（0，600 pF）。

同时，待测电容值在（0，120 pF）范围内时，10.0 V正弦激励的测试精度较1.94 V正弦激励的测试精度提高了2.79%。因此，通过处理器控制模拟开关完成正弦激励信号输出幅值的切换，确保了在待测电容值范围内能提供精度最佳的正弦激励信号。

5 结论

研究成果表明，飞机燃油油位传感器的激励源动态切换输出电路通过软件算法和硬件设计的巧妙结合，成功实现了激励信号幅值特性的动态调整，显著提升了电容式油位传感器的测量范围和精度。该技术的应用确保了飞机在不同任务阶段能够实时获取准确的燃油信息，极大地增强了飞行员的操作信心和飞行安全性。这一创新不仅克服了传统电容式传感器在高精度测量中的局限，还为燃油系统的智能化管理奠定了坚实基础。

参考文献：

[1] 屈盼让，呼明亮，孙少华.面向航空油量采集的可编程激励源设计[J].电力电子技术，2020，54（4）：53-56.

[2] 于进勇，吴晓男，戴洪德.基于电容传感器的数字式飞机燃油测量系统的设计[J].工业仪表与自动化装置，2013，43（1）：46-49.

[3] 贾俊舒.飞机油箱测量技术研究[D].成都：电子科技大学，2018.

[4] 师显强，樊伟.飞机燃油测量液位高度解算方法研究[J].电子元器件与信息技术，2018，2（6）：95-100.

[5] 王永国，王凌伟，席鹏.直升机新型燃油测量管理系统设计与实现[J].航空计算技术，2018，48（5）：245-247.

【通联编辑：谢媛媛】