单宝峰 张广涛 李景春 王 斌

(沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110136)

0 引言

飞机在飞行过程中飞行姿态多变，精确地测出各种飞行姿态下的油箱载油量，可以准确地计算飞机续航时间，保证安全返航。通过对飞机中各个燃油箱剩余油量的精确测量，有利于调整燃油在各油箱的分布，实现耗油顺序的优化，确保飞机重心调整，改善飞行品质［1］;通过对飞机发动机滑油的实时监测，可以保证有足够的滑油输送到发动机各转动机件的轴承和传动齿轮的啮合处，实现润滑，减少机件的磨损，并带走摩擦所产生的热量和金属削［2］。因此，飞机油量测量在整个工作系统中起到了十分重要的作用。本文介绍了国内外航空油量测量技术的研究现状，并提出了一些今后需要解决的问题。

1 液位传感器的研究

近年来，国内外飞机主要应用基于计算机技术的数字式油量测量系统，其工作原理如图1所示。系统把各种姿态组合时的油箱特性曲线(油量与油面高度之间的关系)数据表预先存放在存贮器中，飞行时，传感器把测得的油面高度和姿态角等信息传给计算机，通过后台计算，就可以得出油箱内的剩余油量［3］。其中液位传感器在整个油量测量系统中占据着十分重要的地位。

图1 数字式油量测量系统组成示意图Fig.1 Schematic diagram of the composition of digital measuring system for fuel volume

1.1 液位传感器的研究现状

第二次世界大战以后，电容式液位传感器在液位测量领域得到了广泛的应用。油量测量系统利用电容式液位传感器感受油面变化，把内极管制成油箱形状有关的成型剖面，使油量和体积之间的变化呈线性对应关系，并模拟电路进行测量和计算［4］。1960年，美国人Jack Telerman首次申请了磁致伸缩位移传感器的专利权。20世纪80年代，国外投入了大量的人力和财力研究磁致伸缩式位移传感器，如美国俄亥俄州的Cincinnati大学微电子传感器实验室与MENS中心联合研究的超磁致伸缩传感器［5］，美国Iowa州立大学、日本海洋科技中心、瑞典的FeredynAB公司、英国的Johnson Matthey公司等机构也都在进行此方面的研究。

在进行液位测量时，传感器内部的电子部件产生一个电流“询问”脉冲，此电流同时产生一磁场沿波导管内的感应线向下运行。下液位计管外配有浮子，此浮子随液位变化沿杆上下移动。由于浮子内安装有一组磁铁，所以浮子移动会产生一个磁场。当电流磁场和浮子磁场相遇时，即产生“波导扭曲”脉冲。从“询问”脉冲发出开始至返回脉冲被电子部件接收到所用的时间为一个脉冲周期，再结合扭曲波速就可得到移动距离，即液体变动的相对位置［6］。

在过去二三十年间，超声波液位测量技术得到了长足的发展，正在逐渐取代传统的电容式液位传感器。在进行液位测量时，由安装在飞机油箱底部的超声波探头按一定的方向与波束角度发出超声波脉冲，脉冲与液面接触就会发生反射，反射的脉冲被超声波探头采集并转换成电信号，电信号被输送给具有微处理功能的指示器，由其计算出超声波脉冲的反射时间，从而获取油箱液面高度。

国外传感器以采用电容式传感器为主，新机上开始应用超声波传感器，现在正在研发磁致伸缩传感器和光纤传感器等新型传感器。系统技术采用机电式系统和数字式系统，且以数字式系统为主。在高端产品上还应用余度技术、BT技术和补偿修正技术，使产品在测量精度和可靠性等方面有很大的提高。

我国对航空液位传感器的研究起步比较晚，20世纪70年代才开始相关技术的跟踪与研究，并且研究工作仅限于个别厂所，此前仅限于简单的仿制与生产［7］。国内传感器基本都采用电容式传感器，个别机种采用浮子式传感器。超声波传感器仍处于预研阶段，传感器技术和国外相比差距较大。系统技术也采用机电式系统和数字式系统。液位测量系统的技术水平与国外相近，但在测量精度、稳定性、可靠性方面还有很大的差距［8］。

1.2 今后仍需研究的问题

飞机飞行过程中燃油温度最高可达到250～350℃，滑油温度最高可达到170℃。高温会改变油液的物理特性，从而对液位测量造成一定的影响。因此，未来在对液位传感器研究时必须充分考虑温度的影响。

①飞机飞行时，油液温度变化会引起油液密度变化且温差变化很大。这会引起磁致伸缩传感器浮子在油液中的浸没程度受到油液密度变化的影响，导致测量结果不够精确，必须加以修正。

②超声波的传播速度是随温度变化而变化的，而且随着传播距离的增加，超声波的声压和声强也会按指数规律衰减，这些因素都会对液位测量产生影响。

2 油量测量计算方法的研究

飞机油量测量是一个十分复杂的过程。由于飞机飞行姿态多变，瞬时产生的俯仰角和横滚角会使计算过程变得相当复杂;而燃油箱和滑油箱的复杂结构，也直接影响计算结果的准确性。因此，对油量测量计算方法的研究是很有必要的。

2.1 油量测量计算方法的研究现状

目前，国内外多采用数字式测量系统通过感知传感器的浸油深度h、飞行姿态角(α，β)和三轴过载信息，计算出油液体积，再结合油液质量特性数据库来得到油量测量结果［9］。

Schumacher and Daguia等采用三维建模软件Unigraphics建立X47A飞马无人机油箱模型，利用传感器输出浸油高度，利用姿态角信息建立油平面，并以油平面切割油箱模型，估算剩余油量［10］。蒋军昌等基于VBA控制CATIA，在油面法线方向上生成一个液位传感器测量深度h所在的垂直平面。该平面为油箱内的油液平面，以此平面切割油箱实体，利用CATIA的分析功能，得到油液的质量特性数据;接着以一定的步长划分传感器的浸油深度h和油平面，使其在可能的范围内变化;最后整理出油箱特性数据表格，再通过插值计算得到测量结果。段福宽等人利用三维建模软件Unigraphics建立油箱模型，研究了传感器的敷设位置方法以及传感器测量深度h和油箱剩余油液体积之间的对应关系，并提出了运用“层切法”实现不规则形状油箱的测量［11］。

2.2 今后仍需研究的问题

国内外学者所研究的油量测量计算方法大体一致，即利用计算机接收传感器的感应信息，然后结合油箱特性曲线，通过插值计算得出油量测量结果。但是，在计算过程中仍存在以下几个问题。

① 运用插值计算时，将油量V与h、α和β的三元函数关系V=f(h，α，β)作为一元函数处理，降低了计算精度。是否有更加适合的计算方法是今后需要研究的问题。

②存贮器中各种姿态组合的油箱特性曲线需预先经过大量的试验获得，试验工作量大，需占用较多的存贮单元。如何有效简化大量的操作程序仍待解决。

③飞机飞行过程中由于加速度的存在使油液表面形成波浪状(计算时视液面平整)，对油量测量结果造成一定影响。今后还需对这种影响进行修正研究。

3 结束语

综合分析，航空油量测量技术发展前景广阔，其相关技术还有待进一步深入研究。

①航空油量测量除了受飞行姿态多变的影响外，温度也是其中的一个重要影响因素，这会对油液特性和液位测量造成一定的影响。所以，在温度补偿方面还要深入研究。

②探索出一种新的油量测量计算方法，即只要测出油箱油面高度和飞行姿态角，无需参照油箱特性曲线就可以在线计算出瞬时油箱剩余油量。

③航空油量测量技术还需朝着数字化、综合化方向大力发展。

［1］袁梅，林柯，崔德刚.飞机燃油油量测量及姿态误差修正方法［J］.测量与检测，2001，21(1):24 －26.

［2］沈燕良，王建平，曹克强.飞机滑油系统故障分析［J］.润滑与密封，2004，5(3):101 －103.

［3］宋明刚，李成全，程康.有姿态角时飞机燃油油量测量技术研究［J］.测试技术学报，1996，10(2):206 －208.

［4］聂海涛，刘云昌.电容式传感器在飞机燃油测量系统中的应用［J］.沈阳航空工业学院学报，2007，24(5):16－18.

［5］吴斌.新型磁致伸缩液位计的检测原理与实现［J］.电子质量，2005，9(3):11 －13.

［6］杨鑫.磁致伸缩技术在飞机燃油测量系统中的应用［J］.沈阳航空工业学院学报，2004，21(5):4 －6.

［7］肖凝.飞机燃油测量技术研究与发展［J］.航空科学技术，2003，3(1):31－34.

［8］张欲晓，樊尚春.中国民用飞机燃油测量系统发展趋势［J］.计测技术，2008，4(3):9 －15.

［9］杨朋涛，牛量，蒋军昌.基于飞机油箱模型形状特征的油量测量切片步长选择方法研究［J］.航空学报，2008，29(3):657 －663.

［10］Ohanian J O.Mass properties calculation and fuel analysis in the conceptual design uninhabited air vehicles［D］.Virginia:Virginia Polytechnic Institute and State University，2003.

［11］段福宽.计算机辅助飞机油量分析［D］.南京:南京航空航天大学，2004.