飛機燃油測量和管理系統是重要的機載系統之一。飛機剩余燃油的實時、準確測,對于提高飛行質量 ,精確地計算出飛機的續航時間 ,有很大的作用。燃油油量的測量方法主要有電容式,浮子式和超聲波式等。目前,國內應用最多的是同心電容式油量傳感器 ,它通過液位的變化 ,引起電容值的變化,進而,得到燃油的體積油量。但是,這種測量方法很容易受到外界的干擾,特性穩定性差,受溫度的影響很大,尤其是在飛行中實時測量,嚴重影響了測量精度。目前,這種傳感器在靜態測量液位精度為0125%FS,而在空中飛行時的油量測量精度只有±4%FS左右,這一精度不能滿足飛行控制的要求,研制高精度的油量測量系統是很有必要的。磁致伸縮液位傳感器具有測量精度高,不易受外界干擾的優點,在地面靜態測量液位精度可達01025%FS,將其用于飛機燃油油量的實時測量,具有廣闊的應用前景。
1 磁致伸縮式油量傳感器的液位測量機理
磁致伸縮式油量傳感器也是首先測得油箱的
液位,再轉換為燃油的體積油量,經過密度修正,得到質量油量。在這個過程中,液位的測量是步 ,也是很重要的一個環節。
磁致伸縮式油量傳感器液位測量是利用磁效應和超聲效應相結合來達到測量目的的。電流脈沖沿磁致伸縮波導絲傳播,根據電磁場理論 , 電脈沖同時伴隨著一個環形磁場H,以光速運行,當該環形磁場遇到浮子中的永磁鐵的軸向穩恒磁場時,將形成一個螺旋形磁場,于是就會產生隨外磁場H變化的螺旋形磁機械振動,也即為扭轉振動,然后發射超聲扭轉波。該扭轉波以恒定速率向兩端傳播。向波導管末端傳播的波,被聲阻尼元件吸收,而傳回傳感器回波接收部件的扭轉波,使得接收線圈中的磁通發生變化,產生感應電壓,再轉換成電脈沖,送到主要由計數器組成的時間差測量電路中,通過精確測量發射脈沖和接收脈沖之間的時間差來確定浮子的位置。扭轉波在波導絲上的傳播速度為 :
ν = G/ρ
式中 : G 為磁致伸縮材料的剪切彈性模量 ; ρ為磁致伸縮材料的密度。
對于選定的波導絲來說,G和ρ都是恒定的,所以,波速也是恒定的,大約為3km/s。可以算出接收線圈到磁鐵的距離,進而得到液位值。
測量中所用的磁效應基于磁致伸縮原理的維德曼( Wiedemann)效應和逆維德曼效應。一些鐵磁和亞鐵磁材料在其居里溫度以下,在磁場中受到磁化作用時,其幾何形狀和大小發生微小變化的現象,稱為磁致伸縮現象。這些現象的產生是因為鐵磁和亞鐵磁材料在居里點以下發生自發磁化 , 形成磁疇。在每個磁疇內部,晶格發生形變,未加外磁場時,磁疇的磁化方向是隨機的 ,不顯示宏觀效應;施加外磁場后,磁疇發生旋轉,使其磁化方向和外加磁場方向趨于一致,宏觀表現為幾何形狀和大小的變化。相反,由于形狀變化而使磁化強度發生變化的現象,稱為磁致伸縮逆效應。
材料的磁致伸縮特性可以用磁致伸縮系數λS來表征 :維德曼(Wiedeman) 效應作為磁致伸縮效應的特例,是指鐵磁體同時為縱向磁場和環周磁場所磁化時試件發生扭轉的現象。逆維德曼(Wiede2 man)效應則可視為逆磁致伸縮效應的特例,其實驗現象包括:
(1)置于環周磁場中的鐵磁體,在受到扭轉變形時,會產生縱向磁化 ;
(2)置于縱向磁場中的磁體,受到扭曲變形時,會產生軸向磁化。
由維德曼效應可知,當激勵磁場到達浮子處時,與穩恒磁場相互作用,使得圓柱形波導絲產生扭轉,引起波導絲內部應力、應變和位移的變化 , 形成了扭轉振動,此扭轉振動即作為波源,將這些內部的變化向波導絲兩端傳播,從而形成扭轉導波。扭轉波的激發可以分成2個步驟 :首先未加脈沖電流時,穩恒磁場的恒磁激勵作用。永磁鐵的恒定磁場對波導絲磁疇產生軸向磁化作用,使磁疇發生趨向外磁場方向排列的轉動。其次,加脈沖電流時,變化磁場的激勵。變化磁場與穩恒磁場正交,使波導絲磁疇疇壁受到扭轉力矩作用,產生扭轉。利用超聲效應將扭轉以彈性波的形式傳播出去,再利用逆維德曼效應,傳感器回波接收部件感應扭轉波,使得接收線圈中的磁化狀態發生變化,轉換成可用電信號進行處理,達到液位測量的目的。
2 磁致伸縮油量傳感器的組成及功能
磁致伸縮油量傳感器結構比較簡單,由測量部件,導桿和磁浮子組成。其中,最主要的部分是測量部件,包括脈沖發生器、回波接收裝置、信號處理電路等。
測量部件中,脈沖發生器用于發射電流脈沖,以產生維德曼(Wiedeman) 效應所需的激勵環周磁場。導桿內部是磁致伸縮絲,外加保護用不銹鋼管 ;磁浮子內含有磁鐵,用以在導桿中產生軸向磁場。回波接收裝置接收磁彈性回波,經過變換,送入信號處理電路中,得到液位值,再送入后續處理電路,進行姿態修正、誤差補償和顯示等處理。
3 結 論
磁致伸縮液位測量技術具有測量精度高的突出優點,在民用工業領域已有應用。文將磁致伸縮技術引入到飛機油量的實時測量中,將大大提高油箱液位的測量精度,對保證飛行安全,改善飛行品質,充分發揮飛機的性能具有實際意義。
