磁致伸縮油量傳感器是一種基于磁致伸縮原理進(jìn)行液位測(cè)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(cè)量精確度、重復(fù)性、可靠性等方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。目前, 國(guó)內(nèi)外航空領(lǐng)域的燃油測(cè)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(cè)量飛機(jī)燃油量成為亟需解決的問題。因此, 研究和設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值, 也有廣泛的應(yīng)用前景。
1、磁致伸縮油量傳感器的測(cè)量機(jī)理及工作原理
磁致伸縮油量傳感器的測(cè)量機(jī)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(chǎng)中受到磁化時(shí), 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(qiáng)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(chǎng)能和機(jī)械場(chǎng)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(jìn)行液位測(cè)量。維德曼效應(yīng)是指鐵磁體試件同時(shí)受縱向磁場(chǎng)和環(huán)周磁場(chǎng)磁化時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象, 是測(cè)量信號(hào)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(chǎng)變化的現(xiàn)象, 是測(cè)量信號(hào)接收的理論基礎(chǔ)。
磁致伸縮油量傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括測(cè)桿、浮子和連接件。測(cè)桿內(nèi)部由內(nèi)到外依次是磁導(dǎo)絲、支撐套管、保護(hù)套管; 測(cè)桿頂部連接脈沖發(fā)射電路和信號(hào)器, 底部安裝有阻尼元件。浮子可沿測(cè)桿上下滑動(dòng), 其內(nèi)部有磁鐵。
脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的激勵(lì)脈沖沿磁導(dǎo)絲傳播, 在磁導(dǎo)絲上產(chǎn)生一個(gè)環(huán)周磁場(chǎng); 浮子內(nèi)部磁鐵在磁導(dǎo)絲上產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)。根據(jù)維德曼效應(yīng), 這兩個(gè)磁場(chǎng)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(cè)桿頂端, 根據(jù)維德曼逆效應(yīng)在信號(hào)器線圈中產(chǎn)生接收脈沖; 另一部分被測(cè)桿底端的阻尼元件吸收。激勵(lì)脈沖發(fā)送時(shí)刻與接收脈沖到達(dá)時(shí)刻之間的時(shí)間差正比于信號(hào)器至浮子的距離, 因此通過測(cè)量這個(gè)時(shí)間差就可以確定液位。
2、油量傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)特殊考慮的問題
2.1.1油箱結(jié)構(gòu)及形狀
飛機(jī)油箱按其位置可分為機(jī)身油箱、機(jī)翼油箱和外掛油箱。機(jī)身油箱形狀不規(guī)則, 一般是在后期設(shè)計(jì)中隨剩余空間的形狀而配置; 機(jī)翼油箱的形狀隨翼形的變化而變化, 一般每邊機(jī)翼布置 2～ 3 個(gè)油箱空間; 副油箱掛載在機(jī)身或機(jī)翼下, 其形狀根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。
在機(jī)載油量傳感器的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī); 噴氣燃料用于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。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(jì)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(huì)導(dǎo)致測(cè)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(guó)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(jì)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(shí)際飛行中, 相對(duì)于慣性坐標(biāo)系, 飛機(jī)的飛行姿態(tài)可以用俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和航向角 3 個(gè)角度來描述, 其中對(duì)燃油液位測(cè)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(jìn)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(jì)中, 針對(duì)飛行姿態(tài)和飛行狀態(tài)的變化, 必須避免浮子對(duì)測(cè)桿產(chǎn)生損傷, 并能夠在各種情況下完成測(cè)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(cè)量中, 有兩種情況會(huì)導(dǎo)致傳感器測(cè)量失誤。首先, 當(dāng)浮子位于油箱頂部和底部時(shí), 會(huì)產(chǎn)生測(cè)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(cè)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(huì)脫離液面而無法工作。這個(gè)問題同樣無法避免, 只能通過合理布置多個(gè)傳感器的方法進(jìn)行備份和補(bǔ)償。
3、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析
基于以上分析和考慮, 從傳感器測(cè)桿材料選擇、浮子形狀、浮子2測(cè)桿活動(dòng)方式等幾個(gè)方面對(duì)燃油油量傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.1.1測(cè)桿設(shè)計(jì)
傳感器的主要機(jī)械部件是外管和浮子。外管起保護(hù)作用, 由于外管是靜止部件, 其設(shè)計(jì)參數(shù)主要是材料、長(zhǎng)度和直徑。
考慮到燃油的腐蝕性和安裝時(shí)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(zhǎng)度由所需量程決定, 直徑需要滿足保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件。
3.1.2浮子形狀設(shè)計(jì)
浮子是油量傳感器中關(guān)鍵的活動(dòng)部件, 決定著系統(tǒng)的測(cè)量精度。浮子的設(shè)計(jì)應(yīng)從形狀、密度、材料、磁鐵布置和接觸方式 4 個(gè)方面考慮。
油量傳感器的浮子一般應(yīng)設(shè)計(jì)為球形, 因?yàn)榍蛐文茉谧钚〉谋砻娣e下包含的體積, 從而節(jié)省了材料并減輕了重量。測(cè)量死區(qū)的存在, 要求浮子的高度盡量小; 但過小的高度會(huì)迫使浮子水平方向?qū)挾燃哟? 不但浪費(fèi)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(cè)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(duì)此可設(shè)計(jì)浮子總體密度為某正常工作狀態(tài)時(shí)燃油密度的半值。根據(jù)資料中飛機(jī)實(shí)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(shí)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(cè)桿外壁直接接觸, 因此必須采用和測(cè)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(gè)需要考慮的問題。磁環(huán)可由同一平面上互成直角的 4 個(gè)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(cè)桿活動(dòng)方式設(shè)計(jì)
在一般的浮子式液位傳感器中, 浮子與測(cè)桿的接觸方式是滑動(dòng)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(cè)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(cè)桿損傷, 甚至產(chǎn)生火花。
對(duì)此, 設(shè)計(jì)中只能采取無間距的滾動(dòng)摩擦, 利用直線軸承就可以達(dá)到這個(gè)目的。直線軸承采取滾珠作為接觸部件, 與測(cè)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(jì)的, 因此質(zhì)量稍大。方案A 為使用滑動(dòng)接觸浮子, 方案B 為使用滾動(dòng)接觸浮子。假設(shè)方案B 能夠進(jìn)行批量生產(chǎn), 則其中的直線軸承可以進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì), 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(jī)油箱結(jié)構(gòu)形狀、燃油密度特性變化、飛機(jī)飛行姿態(tài)和狀態(tài)等多個(gè)方面分析了燃油油量傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該注意的問題并提出了解決方案。此外, 還通過對(duì)傳統(tǒng)浮子設(shè)計(jì)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(jì), 這種設(shè)計(jì)方案解決了浮子與測(cè)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(jià)值的可行的設(shè)計(jì)方案。
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