高精度磁致伸缩燃油油量传感器的结构设计
作者：袁梅；史磊；吴京惠





       磁致伸缩油量传感器是一种基于磁致伸缩原理进行液位测量并转换为油量值输出的传感器。较之其他类的油量传感器, 磁致伸缩传感器在测量精确度、重复性、可靠性等方面具有显著的优点。目前, 国内外航空领域的燃油测量广泛使用电容式油量传感器。随着航空工业的发展, 如何更精确地测量飞机燃油量成为亟需解决的问题。因此, 研究和设计应用于航空领域的磁致伸缩燃油油量传感器不仅有着实际应用价值, 也有广泛的应用前景。

1、磁致伸缩油量传感器的测量机理及工作原理

       磁致伸缩油量传感器的测量机理源于材料的磁致伸缩特性。铁磁材料在其居里温度以下, 在磁场中受到磁化时, 材料的几何形状发生微小变化的现象称为磁致伸缩现象; 由于材料形状变化引起材料磁化强度发生变化的现象, 称为磁致伸缩逆效应。磁致伸缩及其逆效应是磁场能和机械场能相互转化的结果。

       磁致伸缩效应及其逆效应有许多表现形式, 磁致伸缩油量传感器主要应用其中的维德曼效应及其逆效应进行液位测量。维德曼效应是指铁磁体试件同时受纵向磁场和环周磁场磁化时发生扭转的现象, 是测量信号产生的理论基础; 维德曼逆效应是指铁磁体试件扭转导致周围磁场变化的现象, 是测量信号接收的理论基础。

       磁致伸缩油量传感器的机械结构主要包括测杆、浮子和连接件。测杆内部由内到外依次是磁导丝、支撑套管、保护套管; 测杆顶部连接脉冲发射电路和信号器, 底部安装有阻尼元件。浮子可沿测杆上下滑动, 其内部有磁铁。

       脉冲发生电路产生的激励脉冲沿磁导丝传播, 在磁导丝上产生一个环周磁场; 浮子内部磁铁在磁导丝上产生纵向磁场。根据维德曼效应, 这两个磁场共同作用导致磁导丝扭转, 产生扭转脉冲。扭转脉冲以固定的速度沿磁导丝传播, 一部分传回测杆顶端, 根据维德曼逆效应在信号器线圈中产生接收脉冲; 另一部分被测杆底端的阻尼元件吸收。激励脉冲发送时刻与接收脉冲到达时刻之间的时间差正比于信号器至浮子的距离, 因此通过测量这个时间差就可以确定液位。

2、油量传感器结构设计应特殊考虑的问题

2.1.1油箱结构及形状

       飞机油箱按其位置可分为机身油箱、机翼油箱和外挂油箱。机身油箱形状不规则, 一般是在后期设计中随剩余空间的形状而配置; 机翼油箱的形状随翼形的变化而变化, 一般每边机翼布置 2～ 3 个油箱空间; 副油箱挂载在机身或机翼下, 其形状根据空气动力学设计。

在机载油量传感器的设计中, 应该充分考虑到油箱的不规则性, 选择合理的安装接口, 避免浮子与箱壁的碰撞, 并保证死区范围与满量程的比可接受。

2.1.2燃油特性及密度变化

       航空燃料主要分为航空汽油和喷气燃料。航空汽油用于活塞式发动机; 喷气燃料用于涡轮喷气发动机。由于目前普遍生产并广泛使用的喷气燃料多属于煤油型, 所以通常称之为航空煤油。

       在描述航空燃油的众多指标中, 关系到浮子式油量传感器设计的关键影响因素是燃油密度。燃油密度的变化导致燃油油面和浮子浸入燃油的体积均发生变化, 若不加以修正则会导致测量误差。温度是影响燃油密度的最主要因素, 而这种影响近似呈线性。图 3 为某型国产航空煤油密度随温度变化曲线图。在油量传感器设计中, 燃油特性直接决定了浮子的总体密度和制作材料, 并要求传感器系统采集温度信息, 用于误差修正。

2.1.3飞行姿态及飞行状态的影响

       在实际飞行中, 相对于惯性坐标系, 飞机的飞行姿态可以用俯仰角、滚转角和航向角 3 个角度来描述, 其中对燃油液位测量产生影响的是俯仰角和滚转角; 典型的飞行状态一般有平直飞行状态、俯冲拉起状态、进入俯冲状态、垂直俯冲状态和等速水平盘旋。飞行姿态的变化导致燃油液面的变化, 影响了作用于浮子的各种力的方向; 飞行状态影响了浮子上加速度的大小和方向。在传感器的设计中, 针对飞行姿态和飞行状态的变化, 必须避免浮子对测杆产生损伤, 并能够在各种情况下完成测量。

2.1.4其他应考虑的问题

       在磁致伸缩油量传感器的测量中, 有两种情况会导致传感器测量失误。首先, 当浮子位于油箱顶部和底部时, 会产生测量死区。顶部死区是浮子顶部到浮子内部磁铁中心的距离, 底部死区是浮子内部磁铁中心到浮子底部的距离, 总死区范围是浮子高度, 与磁铁在浮子内部的位置无关。测量死区问题无法避免, 只能通过尽量减小浮子高度, 使得死区范围与量程的比可接受。其次, 在飞行器的某些姿态和状态下, 浮子会脱离液面而无法工作。这个问题同样无法避免, 只能通过合理布置多个传感器的方法进行备份和补偿。

3、传感器结构设计及分析

       基于以上分析和考虑, 从传感器测杆材料选择、浮子形状、浮子2测杆活动方式等几个方面对燃油油量传感器结构进行设计。

3.1.1测杆设计

       传感器的主要机械部件是外管和浮子。外管起保护作用, 由于外管是静止部件, 其设计参数主要是材料、长度和直径。

       考虑到燃油的腐蚀性和安装时悬臂梁结构安全性, 外管应为厚壁、耐腐蚀不锈钢管材; 其长度由所需量程决定, 直径需要满足保证结构强度的条件。

3.1.2浮子形状设计

       浮子是油量传感器中关键的活动部件, 决定着系统的测量精度。浮子的设计应从形状、密度、材料、磁铁布置和接触方式 4 个方面考虑。

       油量传感器的浮子一般应设计为球形, 因为球形能在最小的表面积下包含最大的体积, 从而节省了材料并减轻了重量。测量死区的存在, 要求浮子的高度尽量小; 但过小的高度会迫使浮子水平方向宽度加大, 不但浪费材料, 而且使得边缘受力在浮子中心产生的力矩增大。考虑到这些限制, 浮子高度应该在保证安全的前提下由死区范围所决定, 浮子形状应为椭球体。

       浮子总体密度决定于被测液体的密度。首先, 应保证浮子总体密度小于燃油的最小密度, 由于燃油密度随温度增加而减小, 所以其最小密度应小于最大阳城娱乐作温度下的燃油密度。其次, 应保证在正常工作状态下浮子有一定的浸入体积, 对此可设计浮子总体密度为某正常工作状态时燃油密度的半值。根据资料中飞机实际飞行中油箱的温度曲线, 可以发现油箱燃油的中心工作温度约为- 35℃ , 因此可由- 35℃时的平均燃油密度确定浮子总体密度。

       选择合适的浮子材料可以减轻浮子重量, 减小浮子体积。浮子的内壁由于与测杆外壁直接接触, 因此必须采用和测杆同样的不锈钢材料才能保证摩擦最小。浮子的外壳只需考虑抗腐蚀和抗变形, 因此可以采用耐燃油腐蚀的硬质塑料。内壁和外壳的连接应具有良好的密封性。

       磁铁的布置是另一个需要考虑的问题。磁环可由同一平面上互成直角的 4 个圆柱磁铁替代,以此减轻磁铁重量。磁铁平面在浮子内部的位置应平行于或低于浮子几何中心, 以减少碰撞。

3.1.3浮子-测杆活动方式设计

       在一般的浮子式液位传感器中, 浮子与测杆的接触方式是滑动摩擦, 但这种方式不适于航空领域。首先, 由于飞行姿态和飞行状态的影响, 浮子上有可能产生几倍于重力加速度的加速度, 使得摩擦力增大, 轻则影响测量精度, 重则导致浮子死锁。其次, 在大加速度的影响下, 微小间距内产生的突然碰撞也可能引起浮子和测杆损伤, 甚至产生火花。

       对此, 设计中只能采取无间距的滚动摩擦, 利用直线轴承就可以达到这个目的。直线轴承采取滚珠作为接触部件, 与测杆无间隙配合, 不产生碰撞并减小了摩擦力; 唯一的问题是由于标准的直线轴承是按照承力部件设计的, 因此质量稍大。方案A 为使用滑动接触浮子, 方案B 为使用滚动接触浮子。假设方案B 能够进行批量生产, 则其中的直线轴承可以进行简化设计, 以获得更好的总体性能。用于控制系统, 并且控制效果也是较好的, 则说明这样一组参数是合适的。

4、结论

       本文从飞机油箱结构形状、燃油密度特性变化、飞机飞行姿态和状态等多个方面分析了燃油油量传感器结构设计应该注意的问题并提出了解决方案。此外, 还通过对传统浮子设计方案的分析, 提出了应用直线轴承的浮子结构设计, 这种设计方案解决了浮子与测杆的碰撞问题, 减小了死锁状况的发生范围, 提高了系统的安全性, 是一种有价值的可行的设计方案。

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