高精度磁致伸縮燃油油量傳感器的結構設計

張華享

（江門市潤宇傳感器科技有限公司，江門 529100）

在飛機飛行中，剩余燃油的實時精準測量工作是確保飛行質量和計算續航時間的重要依據，對飛機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]。現階段我國應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，再計算燃油的體積。這種檢測方法會受到外界影響，對應的特征穩定性不足，特別是在飛機飛行中，會受到溫度變化的影響，不能保證測量精度。當前使用這種傳感器測量飛機靜態液位的精度為0.125%FS，而在飛機飛行狀態下，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，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。在飛機靜態油量液面測量中，它的測量精度可以達到0.102 5%FS，且在飛行運行狀態下也有很好的測量精準度，在飛機燃油油量檢測中具有較好的應用前景[3]。

1 磁致伸縮油量傳感器的液位測量機理分析

這類傳感器通過測量油箱液位，將其轉換成燃油的體積油量，再通過開展密度修正，計算得到油量數值。測量計算中，油箱液位測量是首要環節，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和超聲效應完成測量任務。在具體的測量過程中，電流脈沖沿著磁致伸縮波導絲傳播，電脈沖自身伴隨環境磁場以光速運行，而這種環形磁場在接觸浮子中的永磁鐵軸向穩恒磁場的情況下構成一個螺旋式磁場，并產生隨外磁場變化的螺旋磁機械振動，此時磁場會發出以恒定速率向兩邊傳播的超聲扭轉波。其中，向波導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波，使接收線圈中的磁通產生變化形成感應電壓，進而轉換成電脈沖送往電路，再通過準確測量發射脈沖和接收脈沖間的時間差，確定浮子所處的具體位置。

扭轉波自波導絲中的傳播速度可以通過計算公式得出，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。通過計算接收線圈到磁鐵的距離，可以得出液位參數。

具體測量中，使用的磁效應以磁致伸縮原理為基礎，部分鐵磁和亞鐵磁在溫度范圍內受到磁場中的磁化影響，對應的外形、大小尺寸等都可能產生細小變化，這種變化就是磁致伸縮現象。這是鐵磁和亞鐵磁在居里溫度下產生的一種自發磁化現象，也被稱為磁疇現象[5]。在各個磁疇內，晶格會出現形變。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，磁疇會出現旋轉，使得磁化方向和外加磁場的方向保持統一，進而出現幾何形狀和大小尺寸的微小變化。

磁致伸縮效應中，維德曼效應是一種特殊情況。激勵磁場到達浮子位置時，和穩恒磁場之間產生相互作用，使得圓柱形波導絲出現扭轉，導致波導絲內部應力、位移等發生變化，即扭轉振動現象，產生扭轉導波。一般扭轉波的激勵包含兩部分：一是在未加脈沖電流的情況下，受到穩恒磁場的恒刺激力作用，永磁鐵恒定磁場會對波導絲磁疇帶來軸向磁化影響，使得磁疇向外磁場方向轉動；二是在施加脈沖電流的情況下，變化磁場激勵作用加強，變化磁場和穩恒磁場正交，使波導絲磁疇產生扭轉[6]。通過超聲效應對扭轉以彈性波形式傳播，借助反維德曼效應，使傳感器回波接收感應扭轉波，促使接收線圈中的磁化狀態出現明顯變化，再使其變成可用電信號，從而達到液位檢測效果。

2 高精度磁致伸縮燃油油量傳感器結構設計

傳感器的主要機械部位包括外管和浮子[7]。通過磁致伸縮傳感器測量機理分析，在傳感器結構設計中需要做好傳感器測桿材料、浮子形狀及測桿活動方式等的選擇，完成傳感器結構的優化設計。

2.1 外管設計

外管的主要作用是保護，屬于固定部件。在設計中，只需要對外管的材料、直徑及長度進行設定即可。考慮相應傳感器測量油箱液位，燃油本身有一定的腐蝕性，要確保安裝時懸臂梁的結構安全。外管應該盡量采取厚壁設計，且應該選擇具有一定防腐性的不銹鋼管材。具體的長度應該按照需要的量程來確定，并確保外管直徑達到結構尺寸需要。

2.2 浮子形狀設計

在飛機燃油油量傳感器設計中，浮子是重要的活動部位，會對傳感器的測量精度產生一定影響。浮子設計需要重點衡量其形狀、密度、材料、接觸方式及鐵磁布置等。傳感器外形設計多采用球形，以確保最小表面積下最大體積的設計效果，一定程度上節省材料，并有效減輕傳感器的設計重量。考慮測量死區問題，浮子高度需要盡可能低，但太低的高度又會導致浮子水平方向寬度增加，造成材料浪費，導致邊緣受力在浮子中心的力矩增加[8]。基于這些限制因素，浮子需要確保在安全高度的基礎上設計為橢圓形。

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。考慮燃油密度會因為溫度增加而下降，浮子設計的最小密度應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下具備一定的侵入體積。本文設計的浮子總密度為正常工作狀態下燃油密度的1/2。結合資料中飛機實際飛行中的油箱溫度曲線情況發現，油箱燃油的中心工作溫度大約為-35 ℃。計算在這一溫度狀態下飛機的平均燃油密度，可獲得浮子的總體密度。

設計中應選擇合理的材料以減輕浮子的重量，縮小其體積。浮子的內壁和測桿外壁直接接觸，可選擇不銹鋼材料適當減少摩擦。浮子外殼材料應具備一定的耐腐蝕性和形態穩定性，因此可選擇使用耐燃油腐蝕的硬質材料[9]。

浮子的磁鐵布置也是設計重點。圖2為不同浮子結構設計方案。

圖2 不同浮子結構設計方案（上：主視圖，下：俯視圖）

方案A設計為同一平面中4個圓柱磁鐵互成直角，以減少磁鐵重量。磁鐵平面在浮子內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 浮子測桿活動方式設計

在多數浮子形式的液位傳感器設計中，浮子和測桿以滑動摩擦方式接觸。這種方式在航空領域應用效果并不理想，適用性不強。在飛行姿態和飛行狀態下，浮子上可能產生幾倍于重力加速度的加速度，導致摩擦力持續增加，一定程度上影響測量精度，嚴重時可能造成浮子死鎖[10]。由于加速度大的影響，微小間距中產生的突然碰撞也可能導致浮子和測桿受到損傷，嚴重情況下可能會產生火花。

因此，在浮子測桿設計中，可以選擇使用無間距滾動摩擦方式，通過直線軸承實現設計目標。這種直線軸承通過滾珠充當接觸部件，能夠和測桿實現無間隙接觸且不會產生碰撞，還能夠在一定程度上解決摩擦問題。這種設計方案中采用的標準直線軸承結合承力部件設計，對應的質量相對較大。

分析對比兩種浮子結構設計方案：方案A使用滑動接觸浮子，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，但是整體設計制造成本更高。如果能夠降低方案B的成本，滿足批量生產的需要，簡化設計其中的直線軸承，這一方案的整體效果最理想。

2.4 油量傳感器電路設計

飛機運行中，油量傳感器電路的設計是一個重要環節。相應傳感器的工作電路主要包括發射電路、接收電路和測量電路。在微處理器的控制下，脈沖發射電路將勵磁電流脈沖發送給磁致伸縮波導，返回的扭矩脈沖經接收電路接收、放大、整形后送至測量電路。

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

其次，接收電路對從感應線圈得到的返回脈沖信號進行放大整形，送入微處理器作為計數器停止計數的中斷信號。由于返回脈沖信號微弱，需經放大器放大，放大倍數由變阻器R2調節。放大后的信號經比較器比較形成，由電阻和穩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電壓信號的值決定，參考值必須略低于此值。經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行二次放大后送至微處理器。

最后，采用AT89C51單片機作為微處理器產生TTL電平，經發射電路放大后加載到磁致伸縮波導，返回信號作為計數器的停止信號，導出脈沖發射和返回期間的計數值。系統采用AD590作為溫度傳感器，將溫度值轉換為電壓值，再通過ADC0809 8位模數轉換器轉換為數字量輸入單片機，用于系統溫度補償處理。通過設計傳感器相應電路，確保傳感器的信號發射和接收功能都能正常進行，實時測量飛機燃油量，及時顯示油位，提示飛機可飛行距離，確保及時做好飛機加油準備。

3 結語

高精度磁致伸縮燃油油量傳感器設計，對于測量飛機的油量液位具有重要價值。傳統的測量方式無法保證整體測量精度，尤其是在飛機飛行的情況下，測量精度更低。通過應用磁致伸縮傳感器機理，能夠對飛機燃油油量進行精準測量。本文基于磁致伸縮的燃油油量傳感器結構設計方案，重點研究了傳感器的測桿材料、浮子形狀以及浮子測桿活動方式，對優化傳統傳感器結構設計方案具有一定的參考。