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(zhuǎn)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(fù)性、可靠性等方面具有顯著的優(yōu)點。目前, 國內(nèi)外航空領(lǐng)域的燃油測量廣泛使用電容式油量傳感器。隨著航空工業(yè)的發(fā)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(shè)計應(yīng)用于航空領(lǐng)域的磁致伸縮燃油油量傳感器不僅有著實際應(yīng)用價值, 也有廣泛的應(yīng)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(fā)生微小變化的現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象; 由于材料形狀變化引起材料磁化強度發(fā)生變化的現(xiàn)象, 稱為磁致伸縮逆效應(yīng)。磁致伸縮及其逆效應(yīng)是磁場能和機械場能相互轉(zhuǎn)化的結(jié)果。
磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)有許多表現(xiàn)形式, 磁致伸縮油量傳感器主要應(yīng)用其中的維德曼效應(yīng)及其逆效應(yīng)進行液位測量。維德曼效應(yīng)是指鐵磁體試件同時受縱向磁場和環(huán)周磁場磁化時發(fā)生扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象, 是測量信號產(chǎn)生的理論基礎(chǔ); 維德曼逆效應(yīng)是指鐵磁體試件扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致周圍磁場變化的現(xiàn)象, 是測量信號接收的理論基礎(chǔ)。
磁致伸縮油量傳感器的機械結(jié)構(gòu)主要包括測桿、浮子和連接件。測桿內(nèi)部由內(nèi)到外依次是磁導(dǎo)絲、支撐套管、保護套管; 測桿頂部連接脈沖發(fā)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(nèi)部有磁鐵。
脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的激勵脈沖沿磁導(dǎo)絲傳播, 在磁導(dǎo)絲上產(chǎn)生一個環(huán)周磁場; 浮子內(nèi)部磁鐵在磁導(dǎo)絲上產(chǎn)生縱向磁場。根據(jù)維德曼效應(yīng), 這兩個磁場共同作用導(dǎo)致磁導(dǎo)絲扭轉(zhuǎn), 產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)脈沖。扭轉(zhuǎn)脈沖以固定的速度沿磁導(dǎo)絲傳播, 一部分傳回測桿頂端, 根據(jù)維德曼逆效應(yīng)在信號器線圈中產(chǎn)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(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)特殊考慮的問題
2.1.1油箱結(jié)構(gòu)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(guī)則, 一般是在后期設(shè)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(jù)空氣動力學(xué)設(shè)計。
在機載油量傳感器的設(shè)計中, 應(yīng)該充分考慮到油箱的不規(guī)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(qū)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(fā)動機; 噴氣燃料用于渦輪噴氣發(fā)動機。由于目前普遍生產(chǎn)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(biāo)中, 關(guān)系到浮子式油量傳感器設(shè)計的關(guān)鍵影響因素是燃油密度。燃油密度的變化導(dǎo)致燃油油面和浮子浸入燃油的體積均發(fā)生變化, 若不加以修正則會導(dǎo)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(chǎn)航空煤油密度隨溫度變化曲線圖。在油量傳感器設(shè)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(tǒng)采集溫度信息, 用于誤差修正。
2.1.3飛行姿態(tài)及飛行狀態(tài)的影響
在實際飛行中, 相對于慣性坐標(biāo)系, 飛機的飛行姿態(tài)可以用俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和航向角 3 個角度來描述, 其中對燃油液位測量產(chǎn)生影響的是俯仰角和滾轉(zhuǎn)角; 典型的飛行狀態(tài)一般有平直飛行狀態(tài)、俯沖拉起狀態(tài)、進入俯沖狀態(tài)、垂直俯沖狀態(tài)和等速水平盤旋。飛行姿態(tài)的變化導(dǎo)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(tài)影響了浮子上加速度的大小和方向。在傳感器的設(shè)計中, 針對飛行姿態(tài)和飛行狀態(tài)的變化, 必須避免浮子對測桿產(chǎn)生損傷, 并能夠在各種情況下完成測量。
2.1.4其他應(yīng)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(dǎo)致傳感器測量失誤。首先, 當(dāng)浮子位于油箱頂部和底部時, 會產(chǎn)生測量死區(qū)。頂部死區(qū)是浮子頂部到浮子內(nèi)部磁鐵中心的距離, 底部死區(qū)是浮子內(nèi)部磁鐵中心到浮子底部的距離, 總死區(qū)范圍是浮子高度, 與磁鐵在浮子內(nèi)部的位置無關(guān)。測量死區(qū)問題無法避免, 只能通過盡量減小浮子高度, 使得死區(qū)范圍與量程的比可接受。其次, 在飛行器的某些姿態(tài)和狀態(tài)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)進行設(shè)計。
3.1.1測桿設(shè)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(shè)計參數(shù)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(jié)構(gòu)安全性, 外管應(yīng)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(jié)構(gòu)強度的條件。
3.1.2浮子形狀設(shè)計
浮子是油量傳感器中關(guān)鍵的活動部件, 決定著系統(tǒng)的測量精度。浮子的設(shè)計應(yīng)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(yīng)設(shè)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(jié)省了材料并減輕了重量。測量死區(qū)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?qū)挾燃哟? 不但浪費材料, 而且使得邊緣受力在浮子中心產(chǎn)生的力矩增大?？紤]到這些限制, 浮子高度應(yīng)該在保證安全的前提下由死區(qū)范圍所決定, 浮子形狀應(yīng)為橢球體。
浮子總體密度決定于被測液體的密度。首先, 應(yīng)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(yīng)小于工作溫度下的燃油密度。其次, 應(yīng)保證在正常工作狀態(tài)下浮子有一定的浸入體積, 對此可設(shè)計浮子總體密度為某正常工作狀態(tài)時燃油密度的半值。根據(jù)資料中飛機實際飛行中油箱的溫度曲線, 可以發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(zhì)塑料。內(nèi)壁和外殼的連接應(yīng)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(huán)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(nèi)部的位置應(yīng)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(shè)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(lǐng)域。首先, 由于飛行姿態(tài)和飛行狀態(tài)的影響, 浮子上有可能產(chǎn)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(dǎo)致浮子死鎖。其次, 在大加速度的影響下, 微小間距內(nèi)產(chǎn)生的突然碰撞也可能引起浮子和測桿損傷, 甚至產(chǎn)生火花。
對此, 設(shè)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(chǎn)生碰撞并減小了摩擦力; 的問題是由于標(biāo)準(zhǔn)的直線軸承是按照承力部件設(shè)計的, 因此質(zhì)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(shè)方案B 能夠進行批量生產(chǎn), 則其中的直線軸承可以進行簡化設(shè)計, 以獲得更好的總體性能。用于控制系統(tǒng), 并且控制效果也是較好的, 則說明這樣一組參數(shù)是合適的。
4、結(jié)論
本文從飛機油箱結(jié)構(gòu)形狀、燃油密度特性變化、飛機飛行姿態(tài)和狀態(tài)等多個方面分析了燃油油量傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該注意的問題并提出了解決方案。此外, 還通過對傳統(tǒng)浮子設(shè)計方案的分析, 提出了應(yīng)用直線軸承的浮子結(jié)構(gòu)設(shè)計, 這種設(shè)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(fā)生范圍, 提高了系統(tǒng)的安全性, 是一種有價值的可行的設(shè)計方案。
