飛機(jī)燃油測量和管理系統(tǒng)是重要的機(jī)載系統(tǒng)之一。飛機(jī)剩余燃油的實時、準(zhǔn)確測,對于提高飛行質(zhì)量 ,精確地計算出飛機(jī)的續(xù)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(nèi)應(yīng)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(jìn)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(wěn)定性差,受溫度的影響很大,尤其是在飛行中實時測量,嚴(yán)重影響了測量精度。目前,這種傳感器在靜態(tài)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(tǒng)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(yōu)點(diǎn),在地面靜態(tài)測量液位精度可達(dá)01025%FS,將其用于飛機(jī)燃油油量的實時測量,具有廣闊的應(yīng)用前景。
1 磁致伸縮式油量傳感器的液位測量機(jī)理
磁致伸縮式油量傳感器也是首先測得油箱的
液位,再轉(zhuǎn)換為燃油的體積油量,經(jīng)過密度修正,得到質(zhì)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(huán)節(jié)。
磁致伸縮式油量傳感器液位測量是利用磁效應(yīng)和超聲效應(yīng)相結(jié)合來達(dá)到測量目的的。電流脈沖沿磁致伸縮波導(dǎo)絲傳播,根據(jù)電磁場理論 , 電脈沖同時伴隨著一個環(huán)形磁場H,以光速運(yùn)行,當(dāng)該環(huán)形磁場遇到浮子中的永磁鐵的軸向穩(wěn)恒磁場時,將形成一個螺旋形磁場,于是就會產(chǎn)生隨外磁場H變化的螺旋形磁機(jī)械振動,也即為扭轉(zhuǎn)振動,然后發(fā)射超聲扭轉(zhuǎn)波。該扭轉(zhuǎn)波以恒定速率向兩端傳播。向波導(dǎo)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(zhuǎn)波,使得接收線圈中的磁通發(fā)生變化,產(chǎn)生感應(yīng)電壓,再轉(zhuǎn)換成電脈沖,送到主要由計數(shù)器組成的時間差測量電路中,通過精確測量發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時間差來確定浮子的位置。扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)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(dǎo)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?？梢运愠鼋邮站€圈到磁鐵的距離,進(jìn)而得到液位值。
測量中所用的磁效應(yīng)基于磁致伸縮原理的維德曼( Wiedemann)效應(yīng)和逆維德曼效應(yīng)。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(fā)生微小變化的現(xiàn)象,稱為磁致伸縮現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生是因為鐵磁和亞鐵磁材料在居里點(diǎn)以下發(fā)生自發(fā)磁化 , 形成磁疇。在每個磁疇內(nèi)部,晶格發(fā)生形變,未加外磁場時,磁疇的磁化方向是隨機(jī)的 ,不顯示宏觀效應(yīng);施加外磁場后,磁疇發(fā)生旋轉(zhuǎn),使其磁化方向和外加磁場方向趨于一致,宏觀表現(xiàn)為幾何形狀和大小的變化。相反,由于形狀變化而使磁化強(qiáng)度發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為磁致伸縮逆效應(yīng)。
材料的磁致伸縮特性可以用磁致伸縮系數(shù)λS來表征 :維德曼(Wiedeman) 效應(yīng)作為磁致伸縮效應(yīng)的特例,是指鐵磁體同時為縱向磁場和環(huán)周磁場所磁化時試件發(fā)生扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。逆維德曼(Wiede2 man)效應(yīng)則可視為逆磁致伸縮效應(yīng)的特例,其實驗現(xiàn)象包括:
(1)置于環(huán)周磁場中的鐵磁體,在受到扭轉(zhuǎn)變形時,會產(chǎn)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(chǎn)生軸向磁化。
由維德曼效應(yīng)可知,當(dāng)激勵磁場到達(dá)浮子處時,與穩(wěn)恒磁場相互作用,使得圓柱形波導(dǎo)絲產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),引起波導(dǎo)絲內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和位移的變化 , 形成了扭轉(zhuǎn)振動,此扭轉(zhuǎn)振動即作為波源,將這些內(nèi)部的變化向波導(dǎo)絲兩端傳播,從而形成扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。扭轉(zhuǎn)波的激發(fā)可以分成2個步驟 :首先未加脈沖電流時,穩(wěn)恒磁場的恒磁激勵作用。永磁鐵的恒定磁場對波導(dǎo)絲磁疇產(chǎn)生軸向磁化作用,使磁疇發(fā)生趨向外磁場方向排列的轉(zhuǎn)動。其次,加脈沖電流時,變化磁場的激勵。變化磁場與穩(wěn)恒磁場正交,使波導(dǎo)絲磁疇疇壁受到扭轉(zhuǎn)力矩作用,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。利用超聲效應(yīng)將扭轉(zhuǎn)以彈性波的形式傳播出去,再利用逆維德曼效應(yīng),傳感器回波接收部件感應(yīng)扭轉(zhuǎn)波,使得接收線圈中的磁化狀態(tài)發(fā)生變化,轉(zhuǎn)換成可用電信號進(jìn)行處理,達(dá)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(jié)構(gòu)比較簡單,由測量部件,導(dǎo)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(fā)生器、回波接收裝置、信號處理電路等。
測量部件中,脈沖發(fā)生器用于發(fā)射電流脈沖,以產(chǎn)生維德曼(Wiedeman) 效應(yīng)所需的激勵環(huán)周磁場。導(dǎo)桿內(nèi)部是磁致伸縮絲,外加保護(hù)用不銹鋼管 ;磁浮子內(nèi)含有磁鐵,用以在導(dǎo)桿中產(chǎn)生軸向磁場?；夭ń邮昭b置接收磁彈性回波,經(jīng)過變換,送入信號處理電路中,得到液位值,再送入后續(xù)處理電路,進(jìn)行姿態(tài)修正、誤差補(bǔ)償和顯示等處理。
3 結(jié) 論
磁致伸縮液位測量技術(shù)具有測量精度高的突出優(yōu)點(diǎn),在民用工業(yè)領(lǐng)域已有應(yīng)用。文將磁致伸縮技術(shù)引入到飛機(jī)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(zhì),充分發(fā)揮飛機(jī)的性能具有實際意義。
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