张华享

（江门市润宇传感器科技有限公司，江门 529100）

在飞机飞行中，剩余燃油的实时精准测量工作是确保飞行质量和计算续航时间的重要依据，对飞机的安全飞行意义重大。燃油油量的测量方式较多，有电容式、超声波式以及浮子式等[1]。现阶段我国应用较多的是同心电容式油量传感器，即先测量液位变化引起的电容值变化，再计算燃油的体积。这种检测方法会受到外界影响，对应的特征稳定性不足，特别是在飞机飞行中，会受到温度变化的影响，不能保证测量精度。当前使用这种传感器测量飞机静态液位的精度为0.125%FS，而在飞机飞行状态下，检测精度只有±4%FS，测量精度较低，难以满足飞行控制需要[2]。所以，需要探索高精度油量测量系统，提高传感器检测精度。磁致伸缩液位传感器测量精度高，受到外在因素影响的可能性较低。在飞机静态油量液面测量中，它的测量精度可以达到0.102 5%FS，且在飞行运行状态下也有很好的测量精准度，在飞机燃油油量检测中具有较好的应用前景[3]。

1 磁致伸缩油量传感器的液位测量机理分析

这类传感器通过测量油箱液位，将其转换成燃油的体积油量，再通过开展密度修正，计算得到油量数值。测量计算中，油箱液位测量是首要环节，也是决定性的部分。如图1所示，磁致伸缩油量传感器液位测量主要是借助磁效应和超声效应完成测量任务。在具体的测量过程中，电流脉冲沿着磁致伸缩波导丝传播，电脉冲自身伴随环境磁场以光速运行，而这种环形磁场在接触浮子中的永磁铁轴向稳恒磁场的情况下构成一个螺旋式磁场，并产生随外磁场变化的螺旋磁机械振动，此时磁场会发出以恒定速率向两边传播的超声扭转波。其中，向波导管尾部传播的波受到声阻尼元件阻挡，一部分传回传感器回波接收器的扭转波，使接收线圈中的磁通产生变化形成感应电压，进而转换成电脉冲送往电路，再通过准确测量发射脉冲和接收脉冲间的时间差，确定浮子所处的具体位置。

扭转波自波导丝中的传播速度可以通过计算公式得出，即[4]

式中：G为磁致伸缩材料的剪切弹性模量；P为磁致伸缩材料密度。这里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。通过计算接收线圈到磁铁的距离，可以得出液位参数。

具体测量中，使用的磁效应以磁致伸缩原理为基础，部分铁磁和亚铁磁在温度范围内受到磁场中的磁化影响，对应的外形、大小尺寸等都可能产生细小变化，这种变化就是磁致伸缩现象。这是铁磁和亚铁磁在居里温度下产生的一种自发磁化现象，也被称为磁畴现象[5]。在各个磁畴内，晶格会出现形变。在没有加外磁场的情况下，磁畴磁化方向是任意的。有外加磁场的情况下，磁畴会出现旋转，使得磁化方向和外加磁场的方向保持统一，进而出现几何形状和大小尺寸的微小变化。

磁致伸缩效应中，维德曼效应是一种特殊情况。激励磁场到达浮子位置时，和稳恒磁场之间产生相互作用，使得圆柱形波导丝出现扭转，导致波导丝内部应力、位移等发生变化，即扭转振动现象，产生扭转导波。一般扭转波的激励包含两部分：一是在未加脉冲电流的情况下，受到稳恒磁场的恒刺激力作用，永磁铁恒定磁场会对波导丝磁畴带来轴向磁化影响，使得磁畴向外磁场方向转动；二是在施加脉冲电流的情况下，变化磁场激励作用加强，变化磁场和稳恒磁场正交，使波导丝磁畴产生扭转[6]。通过超声效应对扭转以弹性波形式传播，借助反维德曼效应，使传感器回波接收感应扭转波，促使接收线圈中的磁化状态出现明显变化，再使其变成可用电信号，从而达到液位检测效果。

2 高精度磁致伸缩燃油油量传感器结构设计

传感器的主要机械部位包括外管和浮子[7]。通过磁致伸缩传感器测量机理分析，在传感器结构设计中需要做好传感器测杆材料、浮子形状及测杆活动方式等的选择，完成传感器结构的优化设计。

2.1 外管设计

外管的主要作用是保护，属于固定部件。在设计中，只需要对外管的材料、直径及长度进行设定即可。考虑相应传感器测量油箱液位，燃油本身有一定的腐蚀性，要确保安装时悬臂梁的结构安全。外管应该尽量采取厚壁设计，且应该选择具有一定防腐性的不锈钢管材。具体的长度应该按照需要的量程来确定，并确保外管直径达到结构尺寸需要。

2.2 浮子形状设计

在飞机燃油油量传感器设计中，浮子是重要的活动部位，会对传感器的测量精度产生一定影响。浮子设计需要重点衡量其形状、密度、材料、接触方式及铁磁布置等。传感器外形设计多采用球形，以确保最小表面积下最大体积的设计效果，一定程度上节省材料，并有效减轻传感器的设计重量。考虑测量死区问题，浮子高度需要尽可能低，但太低的高度又会导致浮子水平方向宽度增加，造成材料浪费，导致边缘受力在浮子中心的力矩增加[8]。基于这些限制因素，浮子需要确保在安全高度的基础上设计为椭圆形。

浮子自身密度对被测液体密度有直接影响，需确保浮子总体密度低于燃油最小密度。考虑燃油密度会因为温度增加而下降，浮子设计的最小密度应低于最大工作温度下的燃油密度。此外，需要确保在一般工作状态下具备一定的侵入体积。本文设计的浮子总密度为正常工作状态下燃油密度的1/2。结合资料中飞机实际飞行中的油箱温度曲线情况发现，油箱燃油的中心工作温度大约为-35 ℃。计算在这一温度状态下飞机的平均燃油密度，可获得浮子的总体密度。

设计中应选择合理的材料以减轻浮子的重量，缩小其体积。浮子的内壁和测杆外壁直接接触，可选择不锈钢材料适当减少摩擦。浮子外壳材料应具备一定的耐腐蚀性和形态稳定性，因此可选择使用耐燃油腐蚀的硬质材料[9]。

浮子的磁铁布置也是设计重点。图2为不同浮子结构设计方案。

图2 不同浮子结构设计方案（上：主视图，下：俯视图）

方案A设计为同一平面中4个圆柱磁铁互成直角，以减少磁铁重量。磁铁平面在浮子内部的位置和浮子的几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 浮子测杆活动方式设计

在多数浮子形式的液位传感器设计中，浮子和测杆以滑动摩擦方式接触。这种方式在航空领域应用效果并不理想，适用性不强。在飞行姿态和飞行状态下，浮子上可能产生几倍于重力加速度的加速度，导致摩擦力持续增加，一定程度上影响测量精度，严重时可能造成浮子死锁[10]。由于加速度大的影响，微小间距中产生的突然碰撞也可能导致浮子和测杆受到损伤，严重情况下可能会产生火花。

因此，在浮子测杆设计中，可以选择使用无间距滚动摩擦方式，通过直线轴承实现设计目标。这种直线轴承通过滚珠充当接触部件，能够和测杆实现无间隙接触且不会产生碰撞，还能够在一定程度上解决摩擦问题。这种设计方案中采用的标准直线轴承结合承力部件设计，对应的质量相对较大。

分析对比两种浮子结构设计方案：方案A使用滑动接触浮子，浮子和测杆之间摩擦力大，成本相对较低，体积更小，但是安全性不高；方案B使用滚动接触浮子，浮子和测杆摩擦力更小，体积大，安全性高，但是整体设计制造成本更高。如果能够降低方案B的成本，满足批量生产的需要，简化设计其中的直线轴承，这一方案的整体效果最理想。

2.4 油量传感器电路设计

飞机运行中，油量传感器电路的设计是一个重要环节。相应传感器的工作电路主要包括发射电路、接收电路和测量电路。在微处理器的控制下，脉冲发射电路将励磁电流脉冲发送给磁致伸缩波导，返回的扭矩脉冲经接收电路接收、放大、整形后送至测量电路。

首先，发射电路将微处理器发出的晶体管-晶体管逻辑电平（Transistor Transistor Logic，TTL）窄脉冲放大，产生足够强度的电流脉冲。其中，光电耦合器将脉冲发射电路与测量电路隔离开，以防止干扰。光电耦合器中发光二极管的驱动电流一般为10～20 mA，不能直接用TTL电平驱动。所以，采用三极管Q1来提高驱动能力。此外，Q2为开关管，Q3为功率增益功率管。

其次，接收电路对从感应线圈得到的返回脉冲信号进行放大整形，送入微处理器作为计数器停止计数的中断信号。由于返回脉冲信号微弱，需经放大器放大，放大倍数由变阻器R2调节。放大后的信号经比较器比较形成，由电阻和稳压管组成的电路得到参考电压。参考电压值由放大器放大后的感应电压信号的值决定，参考值必须略低于此值。经过比较和整形后的信号，由合适的传输电路组成的电压放大级进行二次放大后送至微处理器。

最后，采用AT89C51单片机作为微处理器产生TTL电平，经发射电路放大后加载到磁致伸缩波导，返回信号作为计数器的停止信号，导出脉冲发射和返回期间的计数值。系统采用AD590作为温度传感器，将温度值转换为电压值，再通过ADC0809 8位模数转换器转换为数字量输入单片机，用于系统温度补偿处理。通过设计传感器相应电路，确保传感器的信号发射和接收功能都能正常进行，实时测量飞机燃油量，及时显示油位，提示飞机可飞行距离，确保及时做好飞机加油准备。

3 结语

高精度磁致伸缩燃油油量传感器设计，对于测量飞机的油量液位具有重要价值。传统的测量方式无法保证整体测量精度，尤其是在飞机飞行的情况下，测量精度更低。通过应用磁致伸缩传感器机理，能够对飞机燃油油量进行精准测量。本文基于磁致伸缩的燃油油量传感器结构设计方案，重点研究了传感器的测杆材料、浮子形状以及浮子测杆活动方式，对优化传统传感器结构设计方案具有一定的参考。