（交通信息工程及控制专业论文）基于磁致伸缩技术的飞机燃油测量系统研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 航空电子设备正逐渐向数字化、智能化方向发展,在飞机燃油测量系统中， 传统的液位测量技术已经影响了这一趋势的发展。磁致伸缩技术的引入不但解 决了这一问题，同时提高了飞机燃油测量系统的测量精度和可靠性。磁致伸缩 液位传感器是综合利用磁致伸缩效应、浮力原理、电磁感应、电子技术等多种 技术研制而成的液位测量仪表，该传感器系统具有测量误差小、读数准确、测 量范围大， 维护及使用方便的特点,它在高精度液位测量领域中相对于传统液位 传感器具有许多独特的优势。 文中论述了磁致伸缩传感器的工作原理及实现机制。基于该传感器的位移 测量原理，设计了激励脉冲发射电路及回波信号处理电路。通过测量发射脉冲 与回波脉冲的时间差计算活动磁铁的位置。 设计了基于dsp控制器的脉冲计数方 式对时间进行精确测量，并采用滤波技术克服外界信号的干扰、仪器使用不当 等因素对测量结果产生的误差。 同时，为了减少飞行姿态变化和油箱形状对油量测量精度的影响，提出了 基于catia软件的燃油体积计算方法。 采用三维实体造型技术建立飞机机翼油箱 模型，利用油量传感器的输出值及平面切割实体的方法计算燃油体积。 本文将磁致伸缩技术引入到飞机油量的实时测量中，将大大提高燃油油量 的测量精度，对完成飞行任务和保证飞行安全具有实际意义，对飞机数字式燃 油测量系统的研制和发展具有一定的推动作用和应用价值。 关键词关键词：磁致伸缩，液位测量，油量传感器，飞机燃油测量系统，姿态误差 基于磁致伸缩技术的飞机燃油测量系统研究 ii abstract aeronautic electric equipment has been digital and intellectualized gradually. but the tendency is restrained by tradition level measuring technologies in the aircraft fuel quantity measuring system. the application of magnetostrictive technology not only solves the problem, but also heightens the precision and the reliability. magnetostrictive liquid level sensor, a kind of instrument for measurement of liquid level, is worked out on the basis of combined use of many technologies such as magnetostriction, flotage principle, electromagnetism induction and electron-technique. the measure instrument has many specialties, such as the error is tinier, the reading is righter, the range of measure is broader, the maintenance and useness is very convenient. as compared with common liquid level sensors, this kind of sensor has a lot of special advantages for high-precise measurement of liquid level. in this paper, the principle and mechanism of the magnetostrictive displacement sensor are introduced. basing on the measurement principle of this sensor, the interrogation pulse and the return signal processing circuits are designed. measurement on the interval between trigger impulse and return impulse corresponds to the position of the moving magnet. the precise time interval measurement with pulse counting is designed by using dsp controller. using the technique of filter, it minished the measure outcome error of the interference of outside signal and the misuse of apparatus. in order to decrease the influence of attitude error and the complicated configuration of the aircraft fuel tank, the author brings forward a new method which is based on the software of catia to calculate fuel volume. adopting 3d solid modeling, the model of airfoil fuel tank is established. using the output value of the fuel sensor and the method of plan cutting entity to calculate the volume of fuel. in this paper, the magnetostrictive technology is brought in the exact and real-time measurement of the remainder fule quantity, it can improve the accuracy of sensing system greatly, and it plays an importmant role in guarantee the safety of 南京航空航天大学硕士学位论文 iii flight in the process of flight. this research can promote digital fuel measurement system and possess some practical value. key words: magnetostriction, liquid level measurement, oil sensor, aircraft fuel measure system, attitude-error 基于磁致伸缩技术的飞机燃油测量系统研究 vi 图 表 目 录 图 1.1 同心电容式油量传感器 .2 图 2.1 磁致伸缩液位传感器结构示意图 .10 图 2.2 磁致伸缩传感器工作原理图 .11 图 2.3 磁致伸缩脉冲示意图 .11 图 2.4 磁致伸缩液位传感器测量示意图 .12 图 3.1 磁致伸缩液位计结构图 .153 图 3.2 脉冲超声波收/发电路原理框图 .155 图 3.3 激发电路原理图 .155 图 3.4 555 定时器内部结构 .16 图 3.5 脉冲方波控制信号电路图 .17 图 3.6 激发电路测试图 .19 图 3.7 回波信号接收/处理电路原理图 .20 图 3.8 回波信号处理电路性能测试图 .22 图 4.1 时间测量原理示意图 .26 图 4.2 主控程序流程图 .26 图 4.3 cap4 中断处理子程序流程图 .29 图 4.4 捕获标志判别图 .30 图 4.5 pwm 波产生原理示意图 .31 图 4.6 高频脉冲频率引起的误差示意图 .32 图 5.1 姿态变化示意图 .34 图 5.2 油箱简化三维模型图 .38 图 5.3 测量死区示意图 .39 图 5.4 可测区示意图 .40 图 5.5 倾斜状态下的机翼油箱模型 .41 图 5.6 满油箱实体 .42 图 5.7 catia vba 体积、质量计算程序流程图 .42 图 5.8 油量查询窗体 .43 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景 飞机燃油量的测量是飞机燃油系统中的一个重要组成部分，燃油测量 系统的测量精度、可靠性和维护性对飞机的整体性能有重要的影响。对战 斗机而言， 提高油量测量精度可以大大增加其有效载荷、 航程和作战半径； 而对民用飞机而言，则可以大大改善经济性。据有关文献报道，燃油测量 精度只要每提高 0.5%，就可以至少增加 23 名乘客10。因此，半个多世 纪以来，如何提高飞机燃油系统的燃油测量精度始终是广大飞机设计与研 究人员孜孜以求的工作目标。 也正如此， 对各种新的燃油测量技术的研究、 开发和应用层出不穷，推动着燃油油量测量技术不断地发展与完善。 飞机燃料的消耗是一个快速的动态过程，燃油量实时准确测量是决定 飞行任务与计划的关键问题之一。另外，飞机的飞行姿态多变，对飞机燃 油的测量必须考虑航行姿态影响，否则将产生非常大的误差影响飞行任务 的质量与完成。 传统的电容式液位传感器难以满足精确测量油量的要求，这是因为当飞 行姿态(即飞机的俯仰角与滚转角)改变时会引起油面高度油量的关 系发生变化,从而产生了姿态误差。当油箱中的油量接近满油量或空油量时, 电容传感器全部浸没在油中或全部暴露在空气中而感受不到油面信号的变 化，使测量失去连续性，这时姿态的影响最大。一般电容传感器在静态时测 量液位精度可达0.25fs（满量程），但在空中飞行时的油量测量精度只有 4fs左右12，因此姿态修正是提高燃油测量精度的重要内容。 随着新材料的不断涌现和计算机、通信技术的飞速发展，液位测量原理 和方法也需要不断发展和更新。 近年来机载设备电子和电气设备的数字化程 度不断提高，燃油系统仍停留在模拟测试阶段，不利于通过数据总线进行信 息交流与数据共享。 基于以上分析，采用高精度、数字式的液位传感器及对飞行姿态误差修 正是提高飞机油量测量系统精度的重要措施。 基于磁致伸缩技术的飞机燃油测量系统研究 2 1.2 燃油测量技术概况 长期以来，广大工程技术与研究人员一直在探索提高飞机燃油系统测量 精度的各种最佳途径，如机械、振动、超声波、电磁、电、光、辐射等，其 中很多方式由于实现难度和制造成本等因素的影响而未能被广泛应用。随着 飞机设计与研究水平的不断提高和计算机与微电子技术的不断发展，油量测 量技术在近二三十年间得到了很大的发展，新型传感器技术不断涌现，燃油 测量系统正在实现模拟式到数字式的转换9。 第二次世界大战以后，在各种型号飞 机上大量采用同轴金属极管制成的电容式 油位测量传感器感受油面变化，并以模拟 电路进行测量和计算。同心电容式油量传 感器结构如图1.1所示， 内极管制成与油箱 形状有关的成型剖面， 使油量/体积变化与 电容增量成线性对应关系，同时通过增加 传感器数量和采用补偿传感器（补偿因燃 油密度和温度变化而引起的燃油介电常数 的变化）等方法来提高燃油测量精度。但 是由于飞行中油箱姿态随时可能发生改 变，而传感器安装位置和特性并不随之改 变，且燃油测量系统不能直接测量燃油密 度，所以电容式传感器测得的油量精度较低，仅相当于mil-g-26988c的 级26。同时由于传感器是非线性的，制造工艺十分复杂，而且系统的校准与 标定相当费时，显然不能满足新一代高性能飞机的发展需求。 从上世纪70年代开始，美、英、德、法、日等国相继开展新一代燃油测 量系统研究基于电容式油位测量的数字式燃油测量系统。其中霍尼韦尔公 司在数字式燃油测量系统研究方面取得了较大的技术成就，所研究的数字式 燃油测量系统成功应用在波音757、波音767飞机上。在这套系统中采用了双 余度的微计算机、线性电容式油位测量传感器和燃油密度传感器（利用放射 性元素am241作放射源直接测量燃油密度，供微机计算油量），由数据总线 与发动机指示和座舱告警系统（飞行管理任务计算机）等交联，同时还具有 图1.1 同心电容式油量传感器 南京航空航天大学硕士学位论文 3 机内自检测、故障监测、故障显示等功能，将燃油系统的测量精度提高到了 一个新的水平，空中测量精度为2%，地面为1%，相当于mil-g-26988c的 级。这就大大减少了系统硬件数量，提高了系统的可靠性和安全性，改善 了系统的维护性，使燃油测量技术跃上了一个新台阶。 同心电容式传感器具有结构简单、价格便宜、动态响应特性好等优点， 但是其输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较 大，联接电路复杂，容易收受到外界的干扰，稳定性差等缺点，所以研制新 型油量测量传感器来进一步提高测量精度是很有必要的。 1.3 磁致伸缩式液位传感器 磁致伸缩式液位传感器由两个部分组成：一条密封的磁致伸缩传感杆和 一个坚固的电子探头。探头内含有测量与输出的电子模块。测杆用于保护内 部用作传感的波导管。 测量时，传感器头内部的电子部件产生一个低电流“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。在液位计管外配有浮子， 此浮子随液位变化沿杆上下移动。由于浮子内设有一组磁铁，所以浮子产生 一个磁场。当电流磁场与此浮子磁场相遇时，即产生“波导扭曲”脉冲，简 称“返回”脉冲。从询问脉冲发出开始，至返回脉冲被电子部件探测到的周 期，即是相当于液体变动的位置。 磁致伸缩效应在液位测量中的应用只有二十几年的历史，一经问世就以 其独特的优点迅速应用到多种工业领域。 磁致伸缩式液位传感器的优点主要表现在： （1）可靠性高：由于磁致伸缩液位传感器采用波导原理工作，整个变换 器封闭在不锈钢管内，和测量介质不接触，故传感器工作可靠，寿命长； （2）精度高：由于磁致伸缩液位传感器靠波导脉冲工作，工作中通过测 量起始脉冲和终止脉冲的时间来确定被测位移量，测量精度可达0.002%fs， 这是其它传感器难以达到的精度； （3）安全性好：磁致伸缩液位传感器的防爆性能高，有隔爆和本安防爆 两种，使用安全，特别适合对化工原料和易燃液体的测量。测量时无需开启 罐盖，有效地避免了人工测量时存在的不安全因素； 基于磁致伸缩技术的飞机燃油测量系统研究 4 （4）安装、调试、标定方便：由于输出信号反映的是绝对位置的输出， 而不是比例或需要再处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，不需 要像其它类型的液位传感器那样进行定期标定和维护，大大节省了人力和物 力，为用户带来了极大的方便； （5）便于系统自动化工作：其标准输出信号便于微机对信号进行处理， 容易实现联网工作，提高整个测量系统的自动化程度。 1.4 磁致伸缩液位（位移）传感器国内外研究应用状况 1960年，美国人jack tellerman 首次向美国政府申请了磁致伸缩位移 传感器的专利权30。 二十世纪八十年代开始， 国外对磁致伸缩式位移传感器 的研究投入了大量的人力和财力。 如美国俄亥俄州的cincinnati大学微电子 传感器实验室与mems中心正在联合研究超磁致伸缩传感器， 日本海洋科技中 心、美国iowa州立大学、瑞典的feredyn ab公司、英国的johnson matthey 公司、日本的东芝公司、德国的hellwing公司和balluff公司等机构都在进 行此方面的研究。美国mts公司设计的磁致伸缩液位计作为磁致伸缩位移传 感器的典型应用，无论是精度还是可靠性均比普通液位计高，而且还具有同 时测量储罐的液面、界面和温度等多种功能，其液位测量精度可达到小于 1mm，重复性和分辨率高达2m，迟滞误差小于4m，高于目前所有的液 位测量仪表精度，而且其主要敏感件的平均无故障时间可达20几年之久，是 其它仪表无法比拟的。但进口仪表价格相当昂贵(每米1-2万元人民币)，使 得该产品很难在国内获得广泛应用。 目前， 美、 日、 德等国家采用磁致伸缩技术研制的液位传感器在如石油、 化工、纺织、轻工、冶金、电力、医药、食品和国防等部门已经得到了广泛 的应用，特别是在易燃、易爆、易挥发及有腐蚀的场合。 磁致伸缩液位传感器在上个世纪80年代进入中国市场，其典型产品为美 国mts公司和美国schaevitz公司的产品，主要应用于进口生产线设备的配 套。参考国外的先进经验，国内某些科研单位和生产企业在90年代初开始积 极开展对磁致伸缩液位传感器的研究工作和试制工作，但其规模都比较小， 且其检测手段也都十分有限，多数产品现今还在试用阶段。90年代中期，广 东康宇测控仪器仪表工程有限公司从美国schaevitz公司引进全套技术和生 南京航空航天大学硕士学位论文 5 产线，生产磁致伸缩位移/液位传感器，绝大多数产品返销美国市场18。瑞 安市智能仪表公司、北京京仪海福尔自动化仪表公司、航天智控公司等一些 国内厂家都推出了自己的产品。 1.5 研究意义 我国从上世纪70年代开始对燃油测量相关技术进行跟踪研究，但研究工 作仅限于个别厂所，真正开展燃油测量技术和数字式燃油测量系统研究是在 近10年之内。 目前，我国燃油测量技术仍停留在电容式油量测量阶段，采用电容式油 位测量传感器测量油位，采用介电常数测量的间接方式测量密度，系统的数 字化程度很低。 只有个别机型采用了数字式燃油测量系统， 但系统测量精度、 可靠性等技术指标远不及国外同类飞机的技术水平。大力开展各种新型的油 量测量技术，研制适合我国燃油系统发展需求的数字式燃油测量系统，以实 现燃油系统的数字化、综合化管理。 本课题研究的燃油测量方法正是适应了燃油系统的发展需求，将新型磁 致伸缩传感器应用到飞机燃油测量上，实现燃油测量的数字化。磁致伸缩液 位传感器是利用享有“黑色黄金”美誉的稀土超磁材料的维德曼效应、维拉 里效应及超声效应，将液位信息转换成时间量，其静态测量分辨率可以达到 甚至优于0.1mm。磁致伸缩液位传感器几乎没有可动的机械部件，故具有可 靠性高、安装维护方便、适用范围广等特点，是当前最理想的接触式测量装 置之一 26 。 目前磁致伸缩测量技术的应用大都着眼于工业现场液位测量与控制、油 罐液位测量、大坝水位监控、化工过程液位控制等静态测量，而这种新型的 液位测量传感器在飞机燃油测量系统还没有得到应用。 由于磁致伸缩液位传感器具有高精度、可数字化、便于智能化管理的优 点，并且其简单的结构能够大大提高飞机燃油油量测量系统的可靠性和抗污 染能力，确保飞机的飞行安全，所以它将是一种更加适合于飞机油量测量的 传感器。 飞机油量测量与地面水库、油库的测量相比还有其特殊的方面，地面水 库、油库等大都采用圆柱形、立方形等规则形状，只需采用高精度的传感器 基于磁致伸缩技术的飞机燃油测量系统研究 6 就可以保证测量结果的高准确度，但是飞机油箱形状不规则，内部还装有一 些形状与体积各不相同的管道、泵、阀等部件，对于实际油箱来讲，燃油油 面高度与体积之间的对应关系十分复杂，而且飞机在飞行过程中姿态的变化 还会引起油量测量的姿态误差。所以本课题在研究高精度磁致伸缩传感器进 行液位测量的同时还对传感器布局、燃油体积计算等问题上进行了探讨，研 究成果对节约能源、保障安全飞行起到促进作用，具有一定的理论意义和应 用前景。 1.6 研究内容和结构安排 研制高精度的飞机燃油测量系统需要解决两大问题： 第一，提高飞机油量测量传感器的精度。传统的电容式油量传感器易受 到外界的干扰， 特性稳定性差， 受温度影响很大， 尤其是在飞行中实时测量， 严重影响了测量精度。一般大型运输机满载油量通常为几十吨到上百吨，即 使按1的精度来计算，其误差也有几百公斤，所以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0.025%fs12，将其用于飞机燃油油量 的实时测量，具有广阔的应用前景。 第二，在飞机工业，为了适应飞机的流线外形、体积和续航能力等要 求，希望在尽量不影响飞机总体设计的前提下，提高飞机的续航能力，即增 大油箱的载油量。这就使得油箱在设计上一般很难采用规则几何形状，从而 给油量的计算、油量测量和误差分析带来困难。同时，由于飞机在飞行过程 中，会存在多种飞行姿态，这也增大了油量测量的复杂性。因此为提高燃油 测量精度，就需要对姿态误差进行修正。姿态误差的修正可采用增加传感器 个数及选用非线性传感器，但是这种方法工艺复杂，可靠性低，传感器通用 性差。系统的设计、制造及安装维护都很复杂。为了解决这一难题，本论文 尝试采用catia的三维实体造型技术，建立油箱三维实体模型，按照空客或 波音飞机的油箱比例缩小建立油箱模型，模拟铺设管道阀门等部件，将磁致 伸缩传感器安装在油箱的多个部位，并对传感器的布局进行优化设计。最后 利用油量传感器输出值、飞机姿态信息和catia软件强大的后台计算功能直 接计算燃油的体积。 南京航空航天大学硕士学位论文 7 本文研究的内容以波音757飞机机翼油箱为原形进行建模，建立以新型 磁致伸缩传感器和dsp tms320lf2407数字信号处理器为核心的燃油测量系 统，从而使飞机燃油系统的性能发生很大的变化。 本论文在一下几个方面展开了研究： （1）第二章介绍磁致伸缩现象的产生机制及国内外对相关领域的研究状 况； （2）第三章详细介绍了本文所应用的磁致伸缩液位传感器的原理，并对 其测量电路展开具体论述； （3）第四章研究传感器时间测量系统的实现方法； （4）第五章研究基于catia软件的飞机燃油体积计算方法，针对影响测量 结果的误差展开研究并提出补偿方案； （5）第六章进行全文总结。 基于磁致伸缩技术的飞机燃油测量系统研究 8 第二章 磁致伸缩液位传感器的工作原理 2.1 磁致伸缩现象 磁致伸缩现象是由美国科学家james prescott joule于1842年首先发现 的。磁致伸缩就是物体在受到外磁场作用时，会沿磁化方向发生微量伸长和 缩短。这种现象的产生是因为铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下发生 磁化，形成大量磁畴，在每个磁畴内晶格都发生形变，其磁场强度的方向是 自发形变的主轴。在无外加磁场时，磁畴的磁化方向是随机取向的，不显示 宏观效应。 在外加磁场作用下， 大量磁畴的磁化方向转向外磁场磁力线方向， 其宏观效应表现为材料在磁力线方向的伸长或缩短，即所谓的正、负磁致伸 缩。相反，当材料受到压力和张力作用而使材料长度发生变化时，材料内部 的磁化状态也随之改变，即磁致伸缩逆效应19。 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。逆维德曼效应可视为 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受到扭转变形时会产生纵向磁化； （2）置于纵向磁场中的铁磁体受到扭曲变形时，会产生轴向磁化。 2.2 磁致伸缩材料的研究应用现状 具有较大线磁致系数的材料称为磁致伸缩材料。这种材料具有电磁能与 机械能或声能相互转换功能，是重要的磁材料之一。室温下具有大磁致伸缩 材料的组件起源于1917年，常见的铁磁材料如铁、镍、钴、玻莫合金等的磁 致伸缩效应很微弱，长度的变化仅为 6 10数量级，故长期以来主要用于制造 超声波振子。1940年磁致伸缩技术首先成功地应用在潜艇声纳探测距离系统 上。直到20世纪60年代，稀土元素的加入使此相对变化升高到 3 10数量级， 磁致伸缩效应才具有了真正的商业应用价值。它主要应用于水声或电声换能 器（如声纳的水声发射与接收器、超声换能器）、各种驱动器（如机械功率 南京航空航天大学硕士学位论文 9 源、精密加工、激光聚焦控制微位器、照相机、线性马达、延迟线、机器人 的功能器件等）、减震与消震系统器件、各种运载工具（如汽车、飞机、航 天器等）及液体与燃油的喷射系统等。 常用的磁致伸缩材料可分为两大类，一类是金属磁致伸缩材料；另一类 是铁氧体磁致伸缩材料。常用的金属磁致伸缩材料有：退火镍、铝铁合金、 镍铁合金、铁钴合金、镍钴合金、稀土元素与铁的二元合金等。常用的铁氧 体磁致伸缩材料有：镍锌铁氧体、镍铜铁氧体、镍铜钴铁氧体、镍锌钴铁氧 体等22。 传统的磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩应变 s 很小， 虽然已利用它来制造 电声与水声换能器，但是始终没有得到广泛的推广。70年代以来又发展了超 磁致伸缩材料，其“ s ”值很大，较传统的磁致伸缩材料要大到两个数量级 以上，即由传统材料的10100ppm提高到10002500ppm。新型的超磁致伸 缩材料，尤其适合于大功率的场合。一方面，它具有很高的机械强度，大功 率时不会引起系统的破坏；另一方面，因压电陶瓷材料在制造时通过一定电 场产生的剩余极化会随时间的推移而退化，称退极化。而超磁致伸缩材料不 存在类似的问题。对于大功率传感器，即使是瞬时的过载也可能使压电材料 产生永久的退极化，而超磁致伸缩材料即使是加热到居里点以上也只是瞬时 伸缩，温度一下降即可恢复，工作十分稳定可靠。 在有关磁致伸缩材料及其应用领域方面，目前处于领先地位的有美国、 日本、德国、英国、法国、俄罗斯、瑞典等国。虽然我国稀土资源列世界第 一，粗稀土合金材料的产量占世界总产量的 50以上，但有关稀土磁功能 材料及其应用的研究尚处于起步阶段。 2.3 磁致伸缩液位（位移）传感器的特性及机理 2.3.1磁致伸缩液位传感器的特性 磁致伸缩液位传感器是基于磁致伸缩效应制作的液位传感器，其测量范 围宽（最大可达18m）、测量精度高（一般为0.02%0.05%或0.10.5mm）、 重复性好 （一般为0.002%） ， 且温度系数较低 （一般为0.005%/c 0 0.01%/c 0 ） , 同时可以对油箱的油位、油水界面及多点温度（一般采用5点）进行测量。 基于磁致伸缩技术的飞机燃油测量系统研究 10 由于磁致伸缩液位传感器采用非接触传感器件，故具有较高的使用寿命 和免维修或标定特性，再加上其安装调试方便，输出信号多样等诸多优点使 磁致伸缩液位传感器有广阔的应用前景。随着现代技术的发展以及各种应用 领域的需要，磁致伸缩液位传感器正朝着大量程、多结构、多参数、防腐、 卫生、数字化（如带有rs232或rs485等接口）和智能化（如与hart协议网络 兼容）方向发展，数字化和智能化的产品将会成为磁致伸缩液位传感器产品 发展的主流。 2.3.2磁致伸缩液位传感器测量机理 磁致伸缩液位传感器是由传感器 头、波导管、磁致伸缩波导丝以及内 含磁铁的浮子组成，结构如图2.1所 示。 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 的激发可以分成两个步骤：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， 在利用逆维德曼效应，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。 原理示意图如图2.2所示。两个磁场一个来自传感器外面的活动磁铁， 另一个则源自传感器内波导丝中的电流脉冲。电流脉冲由传感器的驱动电子 单元产生，使磁致伸缩丝周围产生一个磁场。这个磁场与活动的磁性组件磁 场矢量相加形成一个螺旋形磁场，沿螺旋型磁场的伸缩，导致波导丝产生扭 图2.1磁致伸缩液位传感器结构示意图 南京航空航天大学硕士学位论文 11 曲形变，从而激发扭转波，产生的扭转波将以一恒定的速度沿波导管向两侧 传播，传到末端时能量将 被衰减阻尼装置吸收，而 返回的扭转波沿波导丝以 超声波的形式回传到传感 头中的逆磁致伸缩效应换 能器中。 根据维拉里 （viualy） 效应（即逆磁致伸缩效 应），磁致伸缩材料在磁 场中发生物理形变时会在 材料内部引起磁场强度的 变化。因此，通过换能器 内感应线圈的磁通也将发生改变。根据法拉第电磁感应定律： dt db ns dt d n= （2.1） 式中：n为感应线圈的匝数。 由式（2.1）可知，磁通的变化 将在感应线圈两端产生一个感应电 动势，并会被传感器信号处理电 路以脉冲的形式检测到。激励脉冲 与检测信号波形如图2.3所示。 两个 脉冲的时间差，即为扭转超声波从 磁性浮子位置传播到传感头所用的 时间。由于磁致伸缩材料采用圆形 截面丝,根据pochhammer的三维弹性理论,扭转波在圆截面杆中的传播形式 是关于圆柱中心轴对称的,其扭转波速为： g v = （2.2） 注：g为磁致伸缩波导丝的弹性模量；为磁致伸缩波导丝的密度。 由于电流以光速传递，从发射端到磁浮子之间的时间可以忽略不计。通 图 2.2 磁致伸缩传感器工作原理图 图2.3 磁致伸缩脉冲示意图 基于磁致伸缩技术的飞机燃油测量系统研究 12 过公式（2.2）可以看出，超声扭转波的传播速度为一常数，因此只需通过 测量从发射电脉冲到检测到感应脉冲的时间差，就可以算出传感器头距液面 的距离 g tvth= （2.3） 根据公式（2.3），可以计算出图2.4所示的液位值h，即hlh= (其中h 为液位；l为探头到油箱底部的距离)。 图2.4 磁致伸缩液位传感器测量示意图 由于检测过程连续不断并且响应时间很短, 所以每当活动磁铁被移动 时, 新的位置随之被感测出来。由于电子单元可探测到由同一询问脉冲所产 生的连续返回脉冲, 所以可以在同一传感器上配多个活动磁浮子, 同时进 行液位、界位多参数测量。作为位移敏感组件的活动磁铁与声导丝之间是非 接触的，所以就算感测过程是不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。 南京航空航天大学硕士学位论文 13 第三章 磁致伸缩式液位传感器测量电路设计 3.1 概述 磁致伸缩液位传感器的工作原理是：传感器通电工作后，测杆上端的 电子电路就不断地向测杆内的磁致伸缩丝发出询问电流脉冲并沿着波导丝 传播，在波导丝周围产生一环形磁场随着电脉冲一道以光速传播，当遇到 磁浮子产生的轴向磁场时便合成一个瞬间的倾斜磁场，根据维德曼 （wiedemann）效应，将在波导管中产生扭转弹性波，扭转波以恒定的速度 向波导管两端传播，在测量头一端被回波接收器接收转换为电脉冲，通过 检测两个电脉冲的时间差，即可计算出测量杆上磁铁所在的准确位置29。 从液位传感器的总体结构分析，该传感器由两部分组成：第一部分是套 有活动磁铁的测量杆；第二部分是位于测量杆上端的测量电路。本论文讨论 的重点部分为第二部分，第一部分只作简单介绍。 3.2 磁致伸缩式液位传感器结构概述 磁致伸缩液位传感器的机械 结构主要包括测杆、浮子和连接 件。测杆内部由内到外依次是波 导丝、支撑套管、保护套管；测 杆顶部连接脉冲发射电路和信号 器，底部安装有阻尼组件。浮子 可沿测杆上下滑动，内部装有磁 铁。磁致伸缩液位计的结构如图 3.1所示。 电路仓盒内部装有测量电路 板、接收线圈和磁致伸缩声导丝 张紧及固定结构。磁致伸缩声导 丝在电路仓盒内穿过线圈后被拉紧固定。导杆上端焊有一个管螺纹接头，测 图3.1 磁致伸缩液位计结构图 基于磁致伸缩技术的飞机燃油测量系统研究 14 量电路仓盒通过管螺纹与导杆相连，以便电子电路的拆卸、维修和更换。 传感器的主要机械部件是外管和浮子，外管起保护作用。由于外管是静 止部件，其设计参数主要是材料、长度和直径。考虑到燃油的腐蚀性和安装 时悬臂梁结构安全性，外管应为厚壁、耐腐蚀不锈钢管材，故选用ss316l无 缝不锈钢管制成，其长度由所需量程决定，直径需要满足保证结构强度的条 件24。 浮子是液位传感器中关键的活动部件，决定着系统的测量精度。油量传 感器的浮子一般应设计为球形，因为球形能在最小的表面积下包含最大的体 积，从而节省了材料并减轻了重量。测量死区的存在，要求浮子的高度尽量 小，但过小的高度会迫使浮子水平方向宽度加大，不但浪费材料，而且使得 边缘受力在浮子中心产生的力矩增大。考虑到这些限制，浮子高度应在保证 安全的前提下由死区范围所决定。如图3.1中所示，浮子用两个半椭圆形不 锈钢薄壳和一截圆柱管焊接制成，内部固定有永久磁铁。浮子与导杆间有一 定间隙以保证浮子随液面的位置变化沿导杆上下移动。 在油量传感器设计中，浮子的总体密度和制作材料是由燃油特性直接决 定的。首先，应保证浮子总体密度小于燃油的最小密度，由于燃油密度随温 度增加而减小，所以其最小密度应小于最大工作温度下的燃油密度。其次， 应保证在正常工作状态下浮子有一定的浸入体积，对此可设计浮子总体密度 为某正常工作状态时燃油密度的半值。根据中国航空材料手册中飞机实 际飞行中油箱的温度曲线，可以发现油箱燃油的中心工作温度约为c 0 35， 因此可由c 0 35时的平均燃油密度确定浮子总体密度18。 选择合适的浮子材 料可以减轻重量，减小体积。 3.3 磁致伸缩式液位传感器的测量电路设计 磁致伸缩液位传感器的测量电路由脉冲超声波激发电路和接收电路两 大部分组成。 激发电路包括多谐振荡电路、 场效应管驱动电路及充放电电路； 接收电路包括输入保护电路、放大电路和滤波电路。激发电路的功能是在外 接的磁致伸缩式超声传感器上施加高压脉冲，产生脉冲磁场，进而在磁致伸 缩丝中激发脉冲超声波；接收电路的主要功能是对磁致伸缩式传感器的输出 的微弱感应电动势进行调理输出，并抑止激发时施加于传感器的高压激发脉 南京航空航天大学硕士学位论文 15 冲，保护放大电路。脉冲超声波激发/接收电路原理框图如图3.2所示： 图3.2 脉冲超声波收/发电路原理框图 3.3.1 激发电路 脉冲激发电路由ttl与非门组成振荡器产生周期性窄脉冲矩形波，控制 mos场效应管向磁致伸缩声导丝提供脉冲电流，使声导丝中产生的脉冲磁场 与活动磁铁的恒定磁场相互作用激发扭转超声脉冲。电路产生的窄脉冲矩形 波的周期应大于超声脉冲在试样中的传播时间。激发电路原理图如图3.3所 示。下面对各部分电路做具体说明。 图3.3 激发电路原理图 1、脉冲方波控制电路 利用多谐振荡器产生周期性窄脉冲信号，控制 mos 场效应管向磁致伸 缩丝提供脉冲电流。 激励脉冲的控制信号为占空比可调的脉冲方波信号，设计要求如下： 脉冲周期：110ms 脉冲宽度：110s 基于磁致伸缩技术的飞机燃油测量系统研究 16 脉冲电压：2080v 为了解决信号干扰问题，在测量燃油油量时，一般都对燃油进行几至 几十次的连续采样。每次采样都需要发出一个触发脉冲，所以完成一次完 整的测量， 需要不断地发出几个至几十等间隔的触发脉冲。 当油量减小时， 磁浮子距电路仓盒内的接收线圈距离增大，发射脉冲信号与回波信号的时 间间隔增加，这时就应该调整触发脉冲的频率，否则，在下一个触发脉冲 到来之前还没有接收到回波信号，这样仪器就不能正常工作。为此，本文 选用555定时器接成占空比可调的多谐振荡器。 555集成定时器是将模拟 电路和数字电路集成于一体的 电子器件，它使用方便，带负 载能力强，而且可供选择的型 号较多。 集成555定时器的内部 原理框图如图3.4所示。 它是由 上、下两个电压比较器、三个 5k电阻、一个rs触发器、一 个放电三极管t以及功率输出 级组成。比较器 1 c的同相输入 端接到由三个5 k电阻组 成的分压网络的2/3vcc处，反 相输入端为阀值电压输入端。 比较器 2 c的反相输入端接到分压电阻网络 的1/3vcc处，同相输入端为触发电压输入端，用来启动电路。两个比较 器的输出端控制rs触发器。rs触发器设置有复位端r，当复位端处于低 电平时，输出为低电平。控制电压端是比较器 1 c的基准电压端，通过 外接元件或电压源可改变控制端的电压值， 即可改变比较器 1 c、 2 c的参考 电压。555的电源电压范围是+4.5+18v，输出电流可达100200ma。 555定时器构成的方波控制信号电路如图3.5所示，由多谐振荡电路和 单稳态触发器两部分组成。 第一部分多谐振荡电路: a r、 b r、c是外接元件。电源接通后，电容 c的电压 c u因充电而上升到 cc v32时，比较器c1输出为低电平，使r-s触发 器输出置0，t导通，电容c通过t放电；当 c u 因电容放电而减小到略低于 图3.4 555定时器内部电路结构 南京航空航天大学硕士学位论文 17 cc v31时， 比较器c2输出为低电 平，使r-s触发器输出置1，t 截止，电容c 继续充电直到 c u 略高于 cc v32 时， 触发器又翻转到0， 从而完 成一个周期振荡。其振荡周期 可用下式计算： 充电时间： crr vv vv crrt ba cccc cccc ba )(7 . 0 3 2 3 1 ln)( 1 + += (3.1) 放电时间： cr vv vv crt b cccc cccc b 7 . 0 3 2 3 1 ln 2 = (3.2) 振荡周期：crrttt ba )2(7 . 0 21 += (3.3) 振荡频率： crrt f )2( 43. 11 21+ = (3.4) 由上述计算公式可见，只要改变 a r、 b r的值即可改变占空系数，其 值可以在较大范围内调节。改变 c 的值可以单独改变周期，而不影响占空 系数。在设计要求下， a r的取值范围是 144k2.5m， b r的取值范围是 288800k，电容 c 取值为 o.01f。为了防止干扰电压引入，在脚与地 之间接一个 o.01f 的电容 1 c。 第二部分单稳态触发器电路：为了得到更窄的脉冲方波控制信号，在 多谐振荡器的输出端增加一个单稳态触发器。 i u 输入为一个负的触发脉冲 信号。负脉冲到来前 i u 为高电平，其值大于 cc v31，比较器 2 c输出为 1， r-s 触发器输出为 0， 即处在稳定状态； 当负触发脉冲到来时， 因 i u cc v31， 图3.5 脉冲方波控制信号电路图 基于磁致伸缩技术的飞机燃油测量系统研究 18 故 2 c输出为 0，r-s 触发器置为 1，t 截止，c 充电，进入暂稳期；脉冲结 束后， 2 c输出为 1，但 c u 继续上升，直至略高于 cc v32时，故 1 c输出为 0， 使 r-s 触发器置为 0，暂稳期结束进入稳态，c