ICS 49.090 V 45
HB 8543-2018
机载振动筒压力传感器设计要求
Design requirement for airborne vibration-cylinder pressure sensor
2018-07-04 发布 2019-01-01 实施
中华人民共和国工业和信息化部发布
前言
本标准按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。
本标准由中国航空综合技术研究所归口。
本标准起草单位：成都凯天电子股份有限公司。
本标准主要起草人：何俊、刘利、刘兴业、罗静、苏长远、文良玉。
机载振动筒压力传感器设计要求
1 范围
本标准规定了机载振动筒压力传感器的设计依据、设计准则、设计内容、设计程序、设计方法和设计验证要求。
本标准适用于机载振动筒压力传感器(以下简称传感器)的设计。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适应于本文件，凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 7665-2005 传感器通用术语
HB 8431-2014 民用大气数据计算机通用规范
RTCA DO-160F 机载设备的环境条件和试验程序(Environmental conditions and test procedures)
3 术语和定义
GB/T 7665-2005 确立的术语与定义适用于本标准。
3.1
谐振灵敏度 resonance sensitivity
传感器在满量程压力范围内输出周期量的变化值与满量程输出周期之比。
3.2
压力迟滞 pressure hysteresis
传感器在规定的压力测量范围内，正行程(输出量增大)和反行程(输出量减小)期间，输出特性不一致的程度，用满量程输出的百分比来表示。
3.3
拟合精度 fit error
传感器经全温度、全压力量程范围标定， 测试数据按一定的方法拟合后，压力输出值与压力基准真值间的最大偏差，用满量程输出的百分比来表示。
3.4
温度迟滞 temperature hysteresis
传感器压力量程范围内的某些压力点上，当温度以逐渐上升和逐渐下降的两种方式接近并达到某一温度时，压力输出值的差值，用满量程输出的百分比来表示。
3.5
起振时间 start-up time
传感器从上电到正常工作，达到规定输出周期范围且输出周期波形稳定的时间。 3.6
年漂 year shift
传感器在存贮条件下，一年之内多次测试的最大变化值与满量程压力之比。
4 设计依据
传感器设计依据如下：
a) 振动筒压力传感器总要求和大气数据计算机对传感器的要求;
b) 适航性要求，传感器应满足的适航要求;
c) 传感器可靠性、维修性、保障性要求。
5 设计准则
传感器设计应遵循以下准则：
a) 设计的先进性和继承性原则;
b) 方案优选、参数优化原则;
c) 维修性设计原则;
d) 原材料、元器件、标准件选用原则;
e) 具有良好的工艺性和经济性原则。
6 设计内容
6.1 传感器组成
传感器主要由受感器和印制电路板组成，主要零组件组成如图 1 所示。
图 1
6.2 传感器工作原理
振动筒组合
法兰盘
基架组合
印制线路板
谐振放大电路
插座
传感器组成
振动筒外筒
传感器的敏感元件——振动筒直接与被测介质接触，被测介质的压力与其等效刚度成对应关系，振动筒的等效刚度与其谐振频率一一对应，通过测试振动筒的谐振频率可反推出被测介质的压力，其工作
原理如图 2 所示。
①骨架组合(拾振);②温度二极管;③振动筒;④骨架组合(激振);⑤真空参考腔;⑥外筒;
⑦被测介质;⑧印刷电路板;⑨频率信号(TTL 电平输出);⑩温度模拟(电压输出)
图 2 传感器工作原理
当被测介质的压力为零时，振动筒处于真空谐振状态，当被测介质的压力不为零时，由于压力的作用，振动筒的刚度发生变化，从而改变振动筒的谐振频率，骨架组合(拾振)检测出振动筒的随压力而变的谐振频率fp，同时将其信号经谐振放大电路放大后反馈到骨架组合(激振)，使之产生激振力，维持振动筒的振动。被测压力 P 可通过测量放大器输出信号的频率求出fp，P 与fp 的关系见公式(1)。
式中：
fp ——在内外腔差压 P 作用下筒体的固有频率，单位为赫兹(Hz);
f0 ——零压力下筒体的固有频率，单位为赫兹(Hz);
P ——筒体内外腔差压,单位为磅/平方英寸(psi);
R ——振动筒的平均半径，单位为英寸(in);
E ——筒体材料的弹性模量，单位为磅/平方英寸(psi);
h ——振动筒的壁厚，单位为英寸(in);
n ——振动筒振动时的周向波数。
其中，固有振动频率的计算见公式(2)。
f
式中：
f0 ——零压力下筒体的固有频率，单位为赫兹(Hz);
E ——筒体材料的弹性模量，单位为磅/平方英寸(psi);
ρ ——筒体材料的密度，单位为磅/立方英寸(lbf/in3);
R ——振动筒的平均半径，单位为英寸(in);
μ ——筒体材料的泊松比;
l ——振动筒的长度，单位为英寸(in);
n ——振动筒振动时的周向波数;
h ——振动筒的壁厚，单位为英寸(in)。
6.3 功能
传感器用于感受气体的压力，输出与被测压力成对应函数关系的频率信号以及温度电压信号。
6.4 性能
传感器的性能应满足 HB 8431-2014 或设计任务书的要求。一般情况下，传感器的性能应包括表 1所列出的 13 项，主要性能指标应不低于表 1 要求值。性能指标具体计算方法参见附录 A。
表 1 主要性能指标
6.5 环境适应性
传感器的环境适应性应满足设计任务书的要求。一般情况下，传感器应经受 7 项环境试验，具体的项目见表 2，按 RTCA DO-160F 相关试验方法进行试验。
表 2 环境试验项目和方法
表 2 环境试验项目和方法(续)
6.6 可靠性
传感器的平均故障间隔时间(MTBF)应满足设计任务书的要求。一般情况下，传感器的平均故障间隔时间(MTBF)成熟期目标值应≥1.2×104h。
6.7 维修性
传感器应满足设计任务书维修性的定量要求。
6.8 保障性
传感器应满足设计任务书保障性的定量要求。
6.9 耐久性
传感器的耐久性应满足设计任务书的要求。一般情况下，传感器的耐久性应满足以下要求：
a) 贮存期：包装好的传感器应在环境温度为 0℃~35℃、相对湿度不大于 80%、无酸碱和其他腐蚀气体的仓库中存放，贮存期为 18 个月;
b) 使用寿命：累计工作时间和存放时间在内的使用寿命不小于 30a。
6.10 能耗
传感器的能耗应满足设计任务书的要求。一般情况下，应为传感器提供±15V 供电。
能耗：DC±15V±1V≤0.7W。
6.11 电磁兼容性
传感器的电磁兼容性应满足设计任务书的要求。一般情况下，传感器随整机应经受电磁发射和敏感度特性测试，具体项目见表 3，按 RTCA DO-160F 相关试验方法进行试验。
表 3 电磁兼容试验项目和方法
6.12 接口
6.12.1 机械接口
传感器机械接口分为受感器机械接口和印制电路板机械接口。
受感器机械接口见图 3：受感器通常为法兰盘安装固定，法兰盘 Φ21.9mm 圆周上均匀分布 3 个M3 的螺纹通孔用于安装固定，O 形密封圈套在受感器的接管嘴上，并安装在安装板或座的孔内。
印制电路板机械接口由设计任务书决定。
图 3 受感器机械安装接口
6.12.2 电气接口
传感器电气接口一般包括电压信号和频率信号，宜采用电连接器连接。
6.13 尺寸和体积
传感器的外形如图 4 所示，其受感器和印制电路板的尺寸和体积应满足设计任务书的要求。一般情况下，受感器和印制电路板的尺寸和体积应符合表 4 的规定。
图 4 传感器示意图
表 4 外形尺寸
6.14 重量
传感器的重量应满足设计任务书的要求。一般情况下，传感器的重量应符合表 5 的规定。
表 5 重量
6.15 外观质量
传感器的受感器外表面应无明显的腐蚀、变形， 涂覆层应均匀，无气泡、龟裂和脱落等现象; 标志应清晰完整、准确无误。
印制电路板应无灰尘、杂物、油污、指纹、残余焊剂、残余铜及其他影响寿命或使用性能的污物。
6.16 测试介质的要求
测量介质推荐为零级空气，零级空气气体成分含量见表 6。
表 6 零级空气成分
7 设计程序
传感器的设计流程如图 5 所示。
图 5 传感器设计程序
8 设计方法
8.1 顶层设计
8.1.1 总则
传感器的顶层设计主要进行传感器的总体设计，根据设计任务书对传感器的要求，开展传感器类型确定、接口类型确定、总体结构设计、总体尺寸设计，提出各组件的尺寸要求等。
8.1.2 确定传感器类型
根据设计任务书的量程范围和外形尺寸，确定传感器类型。
8.1.3 确定接口类型
根据设计任务书的要求，确定其机械安装接口和电气连接方式等。
8.1.4 确定总体结构及尺寸
根据设计任务书的力学环境试验指标，确定传感器结构，根据设计任务书的尺寸要求，设计传感器的外形尺寸等。
8.2 组件设计
8.2.1 总则
如图 6 所示，受感器是振动筒组合、基架组合和法兰盘的组合部件， 设计时要考虑振动筒组合与基架组合在组装后，其谐振状态应处于最佳的位置。两者的组合采用真空电子束焊接工艺，漏率应≤1.33×10-9Pa ·m3/s，随后采用温度稳定的方式进行焊接应力消除。
图 6 受感器示意图
8.2.2 振动筒组合设计
振动筒组合结构如图 7 所示。振动筒组合是焊接式组合件，真空容腔的残余气体压力应低于1×10-2Pa。所有接缝漏率应≤1.33×10-9Pa ·m3/s，焊后采用真空时效和温度稳定的方式进行焊接应力消除。
图 7 振动筒组合示意图
8.2.3 基架组合设计
基架组合机构见图 8。基架组合是磁钢、磁极、线圈和基座组合的组合件， 采用环氧树脂材料将其封固成一个整体。骨架组合机构见图 9。激振磁路是一字型磁路，拾振磁路是十字型磁路，两磁路的位置相对振动筒工作段均布。为避免两磁路的相互干扰，激振磁路与拾振磁路空间呈 90°分布。
图 8 基架组合示意图
图 9 骨架组合示意图
8.2.4 电路设计
如图 10 所示，整个电路由两部分组成，第一部分是谐振放大电路，它的功能是把输入的正弦波拾振信号进行相位、增益变化， 得到符合要求的正弦波，再经过反向放大、选频放大、滤波后， 输出具有高电平的脉冲，同时作为激励信号反馈回受感器;第二部分为温度电压放大电路，外接二极管电压，经过 10 倍放大后输出。
图 10 电路示意图
谐振放大电路的设计主要包括相位增益电路和脉冲输出电路的设计，要求电路输入阻抗高、相移温度系数小、激励强度合理等。谐振放大电路、激、拾振线圈与振动筒构成的闭环谐振系统应满足自激振
荡的幅值放大倍数条件和相位条件，见公式(3)和公式(4)。
T (⑴)≥1………………………………………………(3)
式中：
T (⑴) ——闭环系统的放大倍数;
⑴ ——振动筒传感器振动的角速度，单位为弧度每秒(rad/s)。
φT (⑴)=2nπ (n=0、1、2)…………………………………(4)
式中：
φT (⑴) ——闭环系统的相位，单位为弧度(rad);
n ——振动筒振动时的周向波数。
温度电压放大电路中，传感器采用温度二极管来测量振动筒的温度并对其输出进行补偿。温度二极管的安装位置要求尽量靠近振动筒，以保证测量的准确性，温度二极管温度在工作温度范围内灵敏度范围：-1.8mV/℃~-2.3 mV/℃。温度电压放大电路主要包括放大电路，温度电压进行 10 倍放大后输出。
8.3 零件设计
8.3.1 总则
零件设计主要包括振动筒、外筒、磁钢、磁极等零件的结构设计以及材料选择等。
8.3.2 振动筒
8.3.2.1 结构尺寸
如图 11 所示，振动筒为两端开口的薄壁圆筒，一端与基座相连。振动筒几何尺寸的设计可根据传感器外形结构要求，优先确定振动筒的直径(D)，通常不大于 Φ18mm，采用理论计算和计算机辅助设计方法，确定振动筒的壁厚(h)和有效长度(L)等。
图 11 振动筒结构示意图
8.3.2.2 振型设计
振动筒振动时，可以实现的振型模态有很多种，每一种振型都包括轴向半波数和周向波数 2 个参数，通常选择轴向半波数为 1，周向波数为 4 作为振动筒的工作模态。
8.3.2.3 周向应力
为了保证传感器有较好的重复性，长期稳定性，振动筒的周向应力 σt 不得超过筒材比例极限 σp 的五分之一。在忽略振动筒边界效应的条件下，周向应力 σt 按公式(5)计算。
σt=Pm R/h…………………………………………(5)
式中：
σt ——周向应力，单位为帕斯卡(Pa);
Pm ——最大压力差，单位为帕斯卡(Pa);
R ——振动筒的半径，单位为毫米(mm);
h ——振动筒的壁厚, 单位为毫米(mm)。
8.3.2.4 材料选择
根据设计准则中材料选用原则和实际传感器要求，选择频率稳定性高、频率温度系数小和机械品质因数高的镍基恒弹合金，如 3J53、3J58、GY-ZE01 和 Ni-Span C 902。
8.3.3 外筒
8.3.3.1 结构尺寸
外筒的外形尺寸主要依据传感器的外形尺寸决定，外筒与振动筒形成的真空容腔的间隙通常为0.5mm～2mm，外筒的壁厚为 0.5mm～1.5mm。
8.3.3.2 材料选择
外筒选用振动筒同类型的材料进行制造。
8.3.4 磁钢
8.3.4.1 结构尺寸
磁钢是骨架组合的零件，外形尺寸一般为 Φ2mm ×2mm~Φ4mm ×4mm。
8.3.4.2 材料选用
磁钢选用磁性能稳定，综合性能较好的铸造铝镍钴系永磁合金或稀土钴永磁合金，通常使用 LNG34或 SmCo5、Sm2Co17。
8.3.5 磁极
8.3.5.1 结构尺寸
磁极是骨架组合的零件，外形尺寸一般为 Φ2mm ×2mm~Φ4mm ×4mm。
8.3.5.2 材料选用
磁极应选用高磁导率、较高饱和磁感应强度的铁磁性软磁合金，通常使用 1J50。
8.3.6 滤网
滤网孔径推荐小于 0.04mm，可过滤直径大于 0.04mm 的颗粒、灰尘等杂质，通常选用粉末烧结滤网或烧结铜网。
8.4 环境适应性设计
传感器应按设计任务书规定的环境适应性设计准则进行环境适应性设计，设计时主要考虑：
a) 采用成熟的环境适应性设计技术;
b) 给出适当的耐环境设计余量;
c) 采取防止瞬态过应力作用的措施;
d) 选用耐环境能力的零组件、元器件和材料;
e) 采用改善环境或减缓环境影响的措施，如冷却、减振措施;
f) 进行环境防护设计，如保护涂(镀)层，进行密封设计等。
9 设计验证
9.1 设计仿真分析
传感器在设计过程中，应借助专业工具进行仿真分析和验证：
a) 完成振动筒设计后，应采用结构仿真软件进行振型和固有频率的仿真，并根据仿真计算结果进行迭代设计，确保振动筒在工作压力范围内能处于振型设计工作模态，同时在工作压力范围内的频率能满足设计要求;
b) 完成基架组合设计后，应采用仿真软件进行磁性能的仿真，并根据结果进行迭代设计，确保基架组合磁性能能够使振动筒起振并维持其振动;
c) 完成传感器的电路设计后，应采用电路仿真软件对电路进行功能原理仿真分析，根据仿真结果的波特图分析设计是否满足要求，并进行迭代设计，确保电路能够达到设计任务书规定的功能性能和电磁环境的要求;
d) 完成传感器设计后对其结构进行静力学强度、力学环境试验性能仿真分析， 验证传感器结构设计是否确保能够达到设计任务书要求。
9.2 物理、功能性能验证
对传感器的外形尺寸、安装接口尺寸、重量、标志和代号、外观质量进行检查， 应满足设计任务书的要求。对传感器的功能、性能指标进行验证， 传感器的输出参数、拟合精度、温度迟滞、起振时间等功能性能指标应满足设计任务书的要求。
附录 A
(资料性附录)
技术指标的计算方法
A.1 谐振灵敏度
谐振灵敏度按公式(A.1)计算。传感器在满量程压力范围内输出周期量的变化值与满量程输出周期之比。
S 式中：
S ——谐振灵敏度;
T0 ——标准大气条件下，传感器在输入为真空压力下输出周期，单位为微秒(μs);
TFS ——标准大气条件下，传感器在输入为满量程压力下输出周期，单位为微秒(μs)。
A.2 压力迟滞
压力迟滞按公式(A.2)计算。压力迟滞为传感器在规定的压力测量范围内，正反行程(输出量增大)和反行程(输出量减小)期间，输出特性不一致的程度，用满量程输出的百分比来表示。
式中：
ξH ——压力迟滞;
YUi，YDi ——分别为同一校验点上正、反行程示值的平均值，单位为帕斯卡(Pa);
YFS ——满量程压力值，单位为帕斯卡(Pa)。
A.3 拟合精度
传感器经全温度、全压力量程范围标定， 测试数据按一定的方法拟合后，压力输出值与压力基准真值间的最大偏差，用满量程输出的百分比来表示。
解算压力值按公式(A.3)计算：
KmnXn Ym…………………………………
式中：
Pc ——解算压力值，单位为帕斯卡(Pa);
S ——比例系数;
Kmn ——特征系数;
X ——传感器的温度二极管电压值，单位为伏特(V);
Y ——传感器的输出周期值，单位为微秒(μs)。
拟合精度按公式(A.4)计算。
A 式中：
A ——传感器拟合精度;
Pc ——解算压力值，单位为帕斯卡(Pa);
P ——输入压力值，单位为帕斯卡(Pa);
YFS ——满量程压力值，单位为帕斯卡(Pa)。
A.4 温度迟滞
温度迟滞按公式(A.5)计算。传感器压力量程范围内的某些压力点上， 当温度以逐渐上升和逐渐下降的两种方式接近并达到某一温度时，压力输出值的差值，用满量程输出的百分比来表示。
式中：
ξH ——温度迟滞;
YUi，YDi ——分别为同一校验点上正、反行程示值的平均值，单位均为帕斯卡(Pa);
YFS ——满量程压力值，单位为帕斯卡(Pa)。
A.5 年漂
传感器在存贮条件下，一年之内多次测试的最大变化量值与满量程压力之比。
传感器在一年内按规定条件对传感器进行四次测量，测试间距不少于两个月，对应测试数据之间的差值。
式中：
rs ——年漂;
丨ΔY丨max ——同一效验点的最大差值，单位为帕斯卡(Pa);
YFS ——满量程压力值，单位为帕斯卡(Pa)。
A.6 重复性
在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。
采用贝塞尔公式分别计算每个效验点上正、反行程的字样标准偏差：
正行程字样标准偏差 SUi 按公式(A.7)计算：
SUi
反行程子样标准偏差 SDi 按式(A.8)计算：
SDi 传感器在整个测量范围内的字样标准偏差 S 按公式(A.9)计算。
则，重复性 ξR 按公式(A.10)计算。
式中：
YUij ——正行程第i 个检定点第j 次检定示值，单位为帕斯卡(Pa);
YDij ——反行程第i 个检定点第j 次检定示值，单位为帕斯卡(Pa);
YUf ——正行程平均值，单位为帕斯卡(Pa);
YDi ——反行程平均值，单位为帕斯卡(Pa);
n ——重复试验次数;
m ——校验点个数。
