磁致伸縮油量傳感器是一種基于磁致伸縮原理進行液位測量并轉換為油量值輸出的傳感器。較之其他類的油量傳感器, 磁致伸縮傳感器在測量精確度、重復性、可靠性等方面具有顯著的優點。目前, 國內外航空領域的燃油測量廣泛使用電容式油量傳感器。隨著航空工業的發展, 如何更精確地測量飛機燃油量成為亟需解決的問題。因此, 研究和設計應用于航空領域的磁致伸縮燃油油量傳感器不僅有著實際應用價值, 也有廣泛的應用前景。
1、磁致伸縮油量傳感器的測量機理及工作原理
磁致伸縮油量傳感器的測量機理源于材料的磁致伸縮特性。鐵磁材料在其居里溫度以下, 在磁場中受到磁化時, 材料的幾何形狀發生微小變化的現象稱為磁致伸縮現象; 由于材料形狀變化引起材料磁化強度發生變化的現象, 稱為磁致伸縮逆效應。磁致伸縮及其逆效應是磁場能和機械場能相互轉化的結果。
磁致伸縮效應及其逆效應有許多表現形式, 磁致伸縮油量傳感器主要應用其中的維德曼效應及其逆效應進行液位測量。維德曼效應是指鐵磁體試件同時受縱向磁場和環周磁場磁化時發生扭轉的現象, 是測量信號產生的理論基礎; 維德曼逆效應是指鐵磁體試件扭轉導致周圍磁場變化的現象, 是測量信號接收的理論基礎。
磁致伸縮油量傳感器的機械結構主要包括測桿、浮子和連接件。測桿內部由內到外依次是磁導絲、支撐套管、保護套管; 測桿頂部連接脈沖發射電路和信號器, 底部安裝有阻尼元件。浮子可沿測桿上下滑動, 其內部有磁鐵。
脈沖發生電路產生的激勵脈沖沿磁導絲傳播, 在磁導絲上產生一個環周磁場; 浮子內部磁鐵在磁導絲上產生縱向磁場。根據維德曼效應, 這兩個磁場共同作用導致磁導絲扭轉, 產生扭轉脈沖。扭轉脈沖以固定的速度沿磁導絲傳播, 一部分傳回測桿頂端, 根據維德曼逆效應在信號器線圈中產生接收脈沖; 另一部分被測桿底端的阻尼元件吸收。激勵脈沖發送時刻與接收脈沖到達時刻之間的時間差正比于信號器至浮子的距離, 因此通過測量這個時間差就可以確定液位。
2、油量傳感器結構設計應特殊考慮的問題
2.1.1油箱結構及形狀
飛機油箱按其位置可分為機身油箱、機翼油箱和外掛油箱。機身油箱形狀不規則, 一般是在后期設計中隨剩余空間的形狀而配置; 機翼油箱的形狀隨翼形的變化而變化, 一般每邊機翼布置 2～ 3 個油箱空間; 副油箱掛載在機身或機翼下, 其形狀根據空氣動力學設計。
在機載油量傳感器的設計中, 應該充分考慮到油箱的不規則性, 選擇合理的安裝接口, 避免浮子與箱壁的碰撞, 并保證死區范圍與滿量程的比可接受。
2.1.2燃油特性及密度變化
航空燃料主要分為航空汽油和噴氣燃料。航空汽油用于活塞式發動機; 噴氣燃料用于渦輪噴氣發動機。由于目前普遍生產并廣泛使用的噴氣燃料多屬于煤油型, 所以通常稱之為航空煤油。
在描述航空燃油的眾多指標中, 關系到浮子式油量傳感器設計的關鍵影響因素是燃油密度。燃油密度的變化導致燃油油面和浮子浸入燃油的體積均發生變化, 若不加以修正則會導致測量誤差。溫度是影響燃油密度的最主要因素, 而這種影響近似呈線性。圖 3 為某型國產航空煤油密度隨溫度變化曲線圖。在油量傳感器設計中, 燃油特性直接決定了浮子的總體密度和制作材料, 并要求傳感器系統采集溫度信息, 用于誤差修正。
2.1.3飛行姿態及飛行狀態的影響
在實際飛行中, 相對于慣性坐標系, 飛機的飛行姿態可以用俯仰角、滾轉角和航向角 3 個角度來描述, 其中對燃油液位測量產生影響的是俯仰角和滾轉角; 典型的飛行狀態一般有平直飛行狀態、俯沖拉起狀態、進入俯沖狀態、垂直俯沖狀態和等速水平盤旋。飛行姿態的變化導致燃油液面的變化, 影響了作用于浮子的各種力的方向; 飛行狀態影響了浮子上加速度的大小和方向。在傳感器的設計中, 針對飛行姿態和飛行狀態的變化, 必須避免浮子對測桿產生損傷, 并能夠在各種情況下完成測量。
2.1.4其他應考慮的問題
在磁致伸縮油量傳感器的測量中, 有兩種情況會導致傳感器測量失誤。首先, 當浮子位于油箱頂部和底部時, 會產生測量死區。頂部死區是浮子頂部到浮子內部磁鐵中心的距離, 底部死區是浮子內部磁鐵中心到浮子底部的距離, 總死區范圍是浮子高度, 與磁鐵在浮子內部的位置無關。測量死區問題無法避免, 只能通過盡量減小浮子高度, 使得死區范圍與量程的比可接受。其次, 在飛行器的某些姿態和狀態下, 浮子會脫離液面而無法工作。這個問題同樣無法避免, 只能通過合理布置多個傳感器的方法進行備份和補償。
3、傳感器結構設計及分析
基于以上分析和考慮, 從傳感器測桿材料選擇、浮子形狀、浮子2測桿活動方式等幾個方面對燃油油量傳感器結構進行設計。
3.1.1測桿設計
傳感器的主要機械部件是外管和浮子。外管起保護作用, 由于外管是靜止部件, 其設計參數主要是材料、長度和直徑。
考慮到燃油的腐蝕性和安裝時懸臂梁結構安全性, 外管應為厚壁、耐腐蝕不銹鋼管材; 其長度由所需量程決定, 直徑需要滿足保證結構強度的條件。
3.1.2浮子形狀設計
浮子是油量傳感器中關鍵的活動部件, 決定著系統的測量精度。浮子的設計應從形狀、密度、材料、磁鐵布置和接觸方式 4 個方面考慮。
油量傳感器的浮子一般應設計為球形, 因為球形能在最小的表面積下包含的體積, 從而節省了材料并減輕了重量。測量死區的存在, 要求浮子的高度盡量小; 但過小的高度會迫使浮子水平方向寬度加大, 不但浪費材料, 而且使得邊緣受力在浮子中心產生的力矩增大?？紤]到這些限制, 浮子高度應該在保證安全的前提下由死區范圍所決定, 浮子形狀應為橢球體。
浮子總體密度決定于被測液體的密度。首先, 應保證浮子總體密度小于燃油的最小密度, 由于燃油密度隨溫度增加而減小, 所以其最小密度應小于工作溫度下的燃油密度。其次, 應保證在正常工作狀態下浮子有一定的浸入體積, 對此可設計浮子總體密度為某正常工作狀態時燃油密度的半值。根據資料中飛機實際飛行中油箱的溫度曲線, 可以發現油箱燃油的中心工作溫度約為- 35℃ , 因此可由- 35℃時的平均燃油密度確定浮子總體密度。
選擇合適的浮子材料可以減輕浮子重量, 減小浮子體積。浮子的內壁由于與測桿外壁直接接觸, 因此必須采用和測桿同樣的不銹鋼材料才能保證摩擦最小。浮子的外殼只需考慮抗腐蝕和抗變形, 因此可以采用耐燃油腐蝕的硬質塑料。內壁和外殼的連接應具有良好的密封性。
磁鐵的布置是另一個需要考慮的問題。磁環可由同一平面上互成直角的 4 個圓柱磁鐵替代,以此減輕磁鐵重量。磁鐵平面在浮子內部的位置應平行于或低于浮子幾何中心, 以減少碰撞。
3.1.3浮子-測桿活動方式設計
在一般的浮子式液位傳感器中, 浮子與測桿的接觸方式是滑動摩擦, 但這種方式不適于航空領域。首先, 由于飛行姿態和飛行狀態的影響, 浮子上有可能產生幾倍于重力加速度的加速度, 使得摩擦力增大, 輕則影響測量精度, 重則導致浮子死鎖。其次, 在大加速度的影響下, 微小間距內產生的突然碰撞也可能引起浮子和測桿損傷, 甚至產生火花。
對此, 設計中只能采取無間距的滾動摩擦, 利用直線軸承就可以達到這個目的。直線軸承采取滾珠作為接觸部件, 與測桿無間隙配合, 不產生碰撞并減小了摩擦力; 的問題是由于標準的直線軸承是按照承力部件設計的, 因此質量稍大。方案A 為使用滑動接觸浮子, 方案B 為使用滾動接觸浮子。假設方案B 能夠進行批量生產, 則其中的直線軸承可以進行簡化設計, 以獲得更好的總體性能。用于控制系統, 并且控制效果也是較好的, 則說明這樣一組參數是合適的。
4、結論
本文從飛機油箱結構形狀、燃油密度特性變化、飛機飛行姿態和狀態等多個方面分析了燃油油量傳感器結構設計應該注意的問題并提出了解決方案。此外, 還通過對傳統浮子設計方案的分析, 提出了應用直線軸承的浮子結構設計, 這種設計方案解決了浮子與測桿的碰撞問題, 減小了死鎖狀況的發生范圍, 提高了系統的安全性, 是一種有價值的可行的設計方案。
