張華享

（江門市潤宇傳感器科技有限公司，江門 529100）

在飛機(jī)飛行中，剩余燃油的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測量工作是確保飛行質(zhì)量和計(jì)算續(xù)航時(shí)間的重要依據(jù)，對飛機(jī)的安全飛行意義重大。燃油油量的測量方式較多，有電容式、超聲波式以及浮子式等[1]?，F(xiàn)階段我國應(yīng)用較多的是同心電容式油量傳感器，即先測量液位變化引起的電容值變化，再計(jì)算燃油的體積。這種檢測方法會(huì)受到外界影響，對應(yīng)的特征穩(wěn)定性不足，特別是在飛機(jī)飛行中，會(huì)受到溫度變化的影響，不能保證測量精度。當(dāng)前使用這種傳感器測量飛機(jī)靜態(tài)液位的精度為0.125%FS，而在飛機(jī)飛行狀態(tài)下，檢測精度只有±4%FS，測量精度較低，難以滿足飛行控制需要[2]。所以，需要探索高精度油量測量系統(tǒng)，提高傳感器檢測精度。磁致伸縮液位傳感器測量精度高，受到外在因素影響的可能性較低。在飛機(jī)靜態(tài)油量液面測量中，它的測量精度可以達(dá)到0.102 5%FS，且在飛行運(yùn)行狀態(tài)下也有很好的測量精準(zhǔn)度，在飛機(jī)燃油油量檢測中具有較好的應(yīng)用前景[3]。

1 磁致伸縮油量傳感器的液位測量機(jī)理分析

這類傳感器通過測量油箱液位，將其轉(zhuǎn)換成燃油的體積油量，再通過開展密度修正，計(jì)算得到油量數(shù)值。測量計(jì)算中，油箱液位測量是首要環(huán)節(jié)，也是決定性的部分。如圖1所示，磁致伸縮油量傳感器液位測量主要是借助磁效應(yīng)和超聲效應(yīng)完成測量任務(wù)。在具體的測量過程中，電流脈沖沿著磁致伸縮波導(dǎo)絲傳播，電脈沖自身伴隨環(huán)境磁場以光速運(yùn)行，而這種環(huán)形磁場在接觸浮子中的永磁鐵軸向穩(wěn)恒磁場的情況下構(gòu)成一個(gè)螺旋式磁場，并產(chǎn)生隨外磁場變化的螺旋磁機(jī)械振動(dòng)，此時(shí)磁場會(huì)發(fā)出以恒定速率向兩邊傳播的超聲扭轉(zhuǎn)波。其中，向波導(dǎo)管尾部傳播的波受到聲阻尼元件阻擋，一部分傳回傳感器回波接收器的扭轉(zhuǎn)波，使接收線圈中的磁通產(chǎn)生變化形成感應(yīng)電壓，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電脈沖送往電路，再通過準(zhǔn)確測量發(fā)射脈沖和接收脈沖間的時(shí)間差，確定浮子所處的具體位置。

扭轉(zhuǎn)波自波導(dǎo)絲中的傳播速度可以通過計(jì)算公式得出，即[4]

式中：G為磁致伸縮材料的剪切彈性模量；P為磁致伸縮材料密度。這里G和P都是恒定值，因此波速也可以看作是恒定的，一般在3 km·s-1左右。通過計(jì)算接收線圈到磁鐵的距離，可以得出液位參數(shù)。

具體測量中，使用的磁效應(yīng)以磁致伸縮原理為基礎(chǔ)，部分鐵磁和亞鐵磁在溫度范圍內(nèi)受到磁場中的磁化影響，對應(yīng)的外形、大小尺寸等都可能產(chǎn)生細(xì)小變化，這種變化就是磁致伸縮現(xiàn)象。這是鐵磁和亞鐵磁在居里溫度下產(chǎn)生的一種自發(fā)磁化現(xiàn)象，也被稱為磁疇現(xiàn)象[5]。在各個(gè)磁疇內(nèi)，晶格會(huì)出現(xiàn)形變。在沒有加外磁場的情況下，磁疇磁化方向是任意的。有外加磁場的情況下，磁疇會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，使得磁化方向和外加磁場的方向保持統(tǒng)一，進(jìn)而出現(xiàn)幾何形狀和大小尺寸的微小變化。

磁致伸縮效應(yīng)中，維德曼效應(yīng)是一種特殊情況。激勵(lì)磁場到達(dá)浮子位置時(shí)，和穩(wěn)恒磁場之間產(chǎn)生相互作用，使得圓柱形波導(dǎo)絲出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致波導(dǎo)絲內(nèi)部應(yīng)力、位移等發(fā)生變化，即扭轉(zhuǎn)振動(dòng)現(xiàn)象，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。一般扭轉(zhuǎn)波的激勵(lì)包含兩部分：一是在未加脈沖電流的情況下，受到穩(wěn)恒磁場的恒刺激力作用，永磁鐵恒定磁場會(huì)對波導(dǎo)絲磁疇帶來軸向磁化影響，使得磁疇向外磁場方向轉(zhuǎn)動(dòng)；二是在施加脈沖電流的情況下，變化磁場激勵(lì)作用加強(qiáng)，變化磁場和穩(wěn)恒磁場正交，使波導(dǎo)絲磁疇產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)[6]。通過超聲效應(yīng)對扭轉(zhuǎn)以彈性波形式傳播，借助反維德曼效應(yīng)，使傳感器回波接收感應(yīng)扭轉(zhuǎn)波，促使接收線圈中的磁化狀態(tài)出現(xiàn)明顯變化，再使其變成可用電信號，從而達(dá)到液位檢測效果。

2 高精度磁致伸縮燃油油量傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器的主要機(jī)械部位包括外管和浮子[7]。通過磁致伸縮傳感器測量機(jī)理分析，在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要做好傳感器測桿材料、浮子形狀及測桿活動(dòng)方式等的選擇，完成傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 外管設(shè)計(jì)

外管的主要作用是保護(hù)，屬于固定部件。在設(shè)計(jì)中，只需要對外管的材料、直徑及長度進(jìn)行設(shè)定即可?？紤]相應(yīng)傳感器測量油箱液位，燃油本身有一定的腐蝕性，要確保安裝時(shí)懸臂梁的結(jié)構(gòu)安全。外管應(yīng)該盡量采取厚壁設(shè)計(jì)，且應(yīng)該選擇具有一定防腐性的不銹鋼管材。具體的長度應(yīng)該按照需要的量程來確定，并確保外管直徑達(dá)到結(jié)構(gòu)尺寸需要。

2.2 浮子形狀設(shè)計(jì)

在飛機(jī)燃油油量傳感器設(shè)計(jì)中，浮子是重要的活動(dòng)部位，會(huì)對傳感器的測量精度產(chǎn)生一定影響。浮子設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)衡量其形狀、密度、材料、接觸方式及鐵磁布置等。傳感器外形設(shè)計(jì)多采用球形，以確保最小表面積下最大體積的設(shè)計(jì)效果，一定程度上節(jié)省材料，并有效減輕傳感器的設(shè)計(jì)重量?？紤]測量死區(qū)問題，浮子高度需要盡可能低，但太低的高度又會(huì)導(dǎo)致浮子水平方向?qū)挾仍黾?，造成材料浪費(fèi)，導(dǎo)致邊緣受力在浮子中心的力矩增加[8]?；谶@些限制因素，浮子需要確保在安全高度的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)為橢圓形。

浮子自身密度對被測液體密度有直接影響，需確保浮子總體密度低于燃油最小密度?？紤]燃油密度會(huì)因?yàn)闇囟仍黾佣陆?，浮子設(shè)計(jì)的最小密度應(yīng)低于最大工作溫度下的燃油密度。此外，需要確保在一般工作狀態(tài)下具備一定的侵入體積。本文設(shè)計(jì)的浮子總密度為正常工作狀態(tài)下燃油密度的1/2。結(jié)合資料中飛機(jī)實(shí)際飛行中的油箱溫度曲線情況發(fā)現(xiàn)，油箱燃油的中心工作溫度大約為-35 ℃。計(jì)算在這一溫度狀態(tài)下飛機(jī)的平均燃油密度，可獲得浮子的總體密度。

設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合理的材料以減輕浮子的重量，縮小其體積。浮子的內(nèi)壁和測桿外壁直接接觸，可選擇不銹鋼材料適當(dāng)減少摩擦。浮子外殼材料應(yīng)具備一定的耐腐蝕性和形態(tài)穩(wěn)定性，因此可選擇使用耐燃油腐蝕的硬質(zhì)材料[9]。

浮子的磁鐵布置也是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。圖2為不同浮子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

圖2 不同浮子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案（上：主視圖，下：俯視圖）

方案A設(shè)計(jì)為同一平面中4個(gè)圓柱磁鐵互成直角，以減少磁鐵重量。磁鐵平面在浮子內(nèi)部的位置和浮子的幾何中心保持平衡或者低于中心位置，以避免不必要的碰撞。

2.3 浮子測桿活動(dòng)方式設(shè)計(jì)

在多數(shù)浮子形式的液位傳感器設(shè)計(jì)中，浮子和測桿以滑動(dòng)摩擦方式接觸。這種方式在航空領(lǐng)域應(yīng)用效果并不理想，適用性不強(qiáng)。在飛行姿態(tài)和飛行狀態(tài)下，浮子上可能產(chǎn)生幾倍于重力加速度的加速度，導(dǎo)致摩擦力持續(xù)增加，一定程度上影響測量精度，嚴(yán)重時(shí)可能造成浮子死鎖[10]。由于加速度大的影響，微小間距中產(chǎn)生的突然碰撞也可能導(dǎo)致浮子和測桿受到損傷，嚴(yán)重情況下可能會(huì)產(chǎn)生火花。

因此，在浮子測桿設(shè)計(jì)中，可以選擇使用無間距滾動(dòng)摩擦方式，通過直線軸承實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。這種直線軸承通過滾珠充當(dāng)接觸部件，能夠和測桿實(shí)現(xiàn)無間隙接觸且不會(huì)產(chǎn)生碰撞，還能夠在一定程度上解決摩擦問題。這種設(shè)計(jì)方案中采用的標(biāo)準(zhǔn)直線軸承結(jié)合承力部件設(shè)計(jì)，對應(yīng)的質(zhì)量相對較大。

分析對比兩種浮子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：方案A使用滑動(dòng)接觸浮子，浮子和測桿之間摩擦力大，成本相對較低，體積更小，但是安全性不高；方案B使用滾動(dòng)接觸浮子，浮子和測桿摩擦力更小，體積大，安全性高，但是整體設(shè)計(jì)制造成本更高。如果能夠降低方案B的成本，滿足批量生產(chǎn)的需要，簡化設(shè)計(jì)其中的直線軸承，這一方案的整體效果最理想。

2.4 油量傳感器電路設(shè)計(jì)

飛機(jī)運(yùn)行中，油量傳感器電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。相應(yīng)傳感器的工作電路主要包括發(fā)射電路、接收電路和測量電路。在微處理器的控制下，脈沖發(fā)射電路將勵(lì)磁電流脈沖發(fā)送給磁致伸縮波導(dǎo)，返回的扭矩脈沖經(jīng)接收電路接收、放大、整形后送至測量電路。

首先，發(fā)射電路將微處理器發(fā)出的晶體管-晶體管邏輯電平（Transistor Transistor Logic，TTL）窄脈沖放大，產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的電流脈沖。其中，光電耦合器將脈沖發(fā)射電路與測量電路隔離開，以防止干擾。光電耦合器中發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流一般為10～20 mA，不能直接用TTL電平驅(qū)動(dòng)。所以，采用三極管Q1來提高驅(qū)動(dòng)能力。此外，Q2為開關(guān)管，Q3為功率增益功率管。

其次，接收電路對從感應(yīng)線圈得到的返回脈沖信號進(jìn)行放大整形，送入微處理器作為計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)的中斷信號。由于返回脈沖信號微弱，需經(jīng)放大器放大，放大倍數(shù)由變阻器R2調(diào)節(jié)。放大后的信號經(jīng)比較器比較形成，由電阻和穩(wěn)壓管組成的電路得到參考電壓。參考電壓值由放大器放大后的感應(yīng)電壓信號的值決定，參考值必須略低于此值。經(jīng)過比較和整形后的信號，由合適的傳輸電路組成的電壓放大級進(jìn)行二次放大后送至微處理器。

最后，采用AT89C51單片機(jī)作為微處理器產(chǎn)生TTL電平，經(jīng)發(fā)射電路放大后加載到磁致伸縮波導(dǎo)，返回信號作為計(jì)數(shù)器的停止信號，導(dǎo)出脈沖發(fā)射和返回期間的計(jì)數(shù)值。系統(tǒng)采用AD590作為溫度傳感器，將溫度值轉(zhuǎn)換為電壓值，再通過ADC0809 8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入單片機(jī)，用于系統(tǒng)溫度補(bǔ)償處理。通過設(shè)計(jì)傳感器相應(yīng)電路，確保傳感器的信號發(fā)射和接收功能都能正常進(jìn)行，實(shí)時(shí)測量飛機(jī)燃油量，及時(shí)顯示油位，提示飛機(jī)可飛行距離，確保及時(shí)做好飛機(jī)加油準(zhǔn)備。

3 結(jié)語

高精度磁致伸縮燃油油量傳感器設(shè)計(jì)，對于測量飛機(jī)的油量液位具有重要價(jià)值。傳統(tǒng)的測量方式無法保證整體測量精度，尤其是在飛機(jī)飛行的情況下，測量精度更低。通過應(yīng)用磁致伸縮傳感器機(jī)理，能夠?qū)︼w機(jī)燃油油量進(jìn)行精準(zhǔn)測量。本文基于磁致伸縮的燃油油量傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)研究了傳感器的測桿材料、浮子形狀以及浮子測桿活動(dòng)方式，對優(yōu)化傳統(tǒng)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具有一定的參考。