航空用磁致伸缩油量传感器的研究与设计

航空用磁致伸缩油量传感器的研究与设计
作者：王朝阳；袁梅





       飞机燃油测量和管理系统是重要的机载系统之一。飞机剩余燃油的实时、准确测,对于提高飞行质量 ,精确地计算出飞机的续航时间 ,有很大的作用。燃油油量的测量方法主要有电容式,浮子式和超声波式等。目前,国内应用最多的是同心电容式油量传感器 ,它通过液位的变化 ,引起电容值的变化,进而,得到燃油的体积油量。但是,这种测量方法很容易受到外界的干扰,特性稳定性差,受温度的影响很大,尤其是在飞行中实时测量,严重影响了测量精度。目前,这种传感器在静态测量液位精度为0125%FS,而在空中飞行时的油量测量精度只有±4%FS左右,这一精度不能满足飞行控制的要求,研制高精度的油量测量系统是很有必要的。磁致伸缩液位传感器具有测量精度高,不易受外界干扰的优点,在地面静态测量液位精度可达01025%FS,将其用于飞机燃油油量的实时测量,具有广阔的应用前景。

1 　磁致伸缩式油量传感器的液位测量机理

　　磁致伸缩式油量传感器也是首先测得油箱的

液位,再转换为燃油的体积油量,经过密度修正,得到质量油量。在这个过程中,液位的测量是第一步 ,也是很重要的一个环节。

　　磁致伸缩式油量传感器液位测量是利用磁效应和超声效应相结合来达到测量目的的。电流脉冲沿磁致伸缩波导丝传播,根据电磁场理论 , 电脉冲同时伴随着一个环形磁场H,以光速运行,当该环形磁场遇到浮子中的永磁铁的轴向稳恒磁场时,将形成一个螺旋形磁场,于是就会产生随外磁场H变化的螺旋形磁机械振动,也即为扭转振动,然后发射超声扭转波。该扭转波以恒定速率向两端传播。向波导管末端传播的波,被声阻尼元件吸收,而传回传感器回波接收部件的扭转波,使得接收线圈中的磁通发生变化,产生感应电压,再转换成电脉冲,送到主要由计数器组成的时间差测量电路中,通过精确测量发射脉冲和接收脉冲之间的时间差来确定浮子的位置。扭转波在波导丝上的传播速度为 :

ν = G/ρ式中 : G 为磁致伸缩材料的剪切弹性模量 ; ρ为磁致伸缩材料的密度。

　对于选定的波导丝来说,G和ρ都是恒定的,所以,波速也是恒定的,大约为3km/s。可以算出接收线圈到磁铁的距离,进而得到液位值。

　　测量中所用的磁效应基于磁致伸缩原理的维德曼( Wiedemann)效应和逆维德曼效应。一些铁磁和亚铁磁材料在其居里温度以下,在磁场中受到磁化作用时,其几何形状和大小发生微小变化的现象,称为磁致伸缩现象。这些现象的产生是因为铁磁和亚铁磁材料在居里点以下发生自发磁化 , 形成磁畴。在每个磁畴内部,晶格发生形变,未加外磁场时,磁畴的磁化方向是随机的 ,不显示宏观效应;施加外磁场后,磁畴发生旋转,使其磁化方向和外加磁场方向趋于一致,宏观表现为几何形状和大小的变化。相反,由于形状变化而使磁化强度发生变化的现象,称为磁致伸缩逆效应。

材料的磁致伸缩特性可以用磁致伸缩系数λS来表征 :维德曼(Wiedeman) 效应作为磁致伸缩效应的特例,是指铁磁体同时为纵向磁场和环周磁场所磁化时试件发生扭转的现象。逆维德曼(Wiede2 man)效应则可视为逆磁致伸缩效应的特例,其实验现象包括:

(1)置于环周磁场中的铁磁体,在受到扭转变形时,会产生纵向磁化 ;

(2)置于纵向磁场中的磁体,受到扭曲变形时,会产生轴向磁化。

　　由维德曼效应可知,当激励磁场到达浮子处时,与稳恒磁场相互作用,使得圆柱形波导丝产生扭转,引起波导丝内部应力、应变和位移的变化 , 形成了扭转振动,此扭转振动即作为波源,将这些内部的变化向波导丝两端传播,从而形成扭转导波。扭转波的激发可以分成2个步骤 :首先未加脉冲电流时,稳恒磁场的恒磁激励作用。永磁铁的恒定磁场对波导丝磁畴产生轴向磁化作用,使磁畴发生趋向外磁场方向排列的转动。其次,加脉冲电流时,变化磁场的激励。变化磁场与稳恒磁场正交,使波导丝磁畴畴壁受到扭转力矩作用,产生扭转。利用超声效应将扭转以弹性波的形式传播出去,再利用逆维德曼效应,传感器回波接收部件感应扭转波,使得接收线圈中的磁化状态发生变化,转换成可用电信号进行处理,达到液位测量的目的。

2 　磁致伸缩油量传感器的组成及功能

磁致伸缩油量传感器结构比较简单,由测量部件,导杆和磁浮子组成。其中,最主要的部分是测量部件,包括脉冲发生器、回波接收装置、信号处理电路等。

　　测量部件中,脉冲发生器用于发射电流脉冲,以产生维德曼(Wiedeman) 效应所需的激励环周磁场。导杆内部是磁致伸缩丝,外加保护用不锈钢管 ;磁浮子内含有永久磁铁,用以在导杆中产生轴向磁场。回波接收装置接收磁弹性回波,经过变换,送入信号处理电路中,得到液位值,再送入后续处理电路,进行姿态修正、误差补偿和显示等处理。

3 　结 　论

磁致伸缩液位测量技术具有测量精度高的突出优点,在民用工业领域已有应用。文将磁致伸缩技术引入到飞机油量的实时测量中,将大大提高油箱液位的测量精度,对保证飞行安全,改善飞行品质,充分发挥飞机的性能具有实际意义。






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