飛機(jī)電容式油量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及方案目錄TOC\o"1-3"\h\u10079飛機(jī)電容式油量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及方案 1282111.1電容式油量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 1217251.2電容式油量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 192471.3同軸圓筒式電容傳感器設(shè)計(jì)原理 2201061.4電容式油量測(cè)量系統(tǒng)方案小結(jié) 41.1電容式油量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想利用電容傳感器的電容量和油箱里燃油高度的正比函數(shù)關(guān)系可以測(cè)出燃油液位。裝在飛機(jī)油箱里的電容傳感器基本上都是由同軸圓筒式電極板構(gòu)成的，這些傳感器都是垂直于油箱底面放入的，水平方向每隔一段距離就放置一個(gè)電容式傳感器，這樣使得測(cè)量數(shù)據(jù)變多，再通過(guò)取均值的方法可以很大程度上避免過(guò)大的誤差。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能達(dá)到一處電容傳感器的測(cè)量效果就行了?？諝獾慕殡姵?shù)為1，而燃油的介電常數(shù)是比空氣的介電常數(shù)大的，因此油箱內(nèi)剩余油量的多少正是決定傳感器電容的關(guān)鍵，電容的大小根據(jù)電容兩極板間燃油和空氣的占比可以計(jì)算出來(lái)，主要是燃油作介質(zhì)部分的電容值和空氣作介質(zhì)部分的電容值的和。之后經(jīng)過(guò)一些轉(zhuǎn)換電路將電容總值變成方便計(jì)算處理的信號(hào)，交由處理器按照一定的算法計(jì)算出送來(lái)信號(hào)對(duì)應(yīng)的油量值，最后送到顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。這種類(lèi)型的電容式傳感器不需要機(jī)械傳動(dòng)，能避免機(jī)械誤差，它工作可靠，精度也足夠。除此之外，燃油測(cè)量系統(tǒng)報(bào)警這一功能必不可少，可以保證在飛機(jī)油量到完成飛行任務(wù)所需的極限油量時(shí)向飛行員發(fā)出警報(bào)。1.2電容式油量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案按照本課題的要求，再根據(jù)電容傳感器的工作原理，能夠設(shè)計(jì)并制作出一個(gè)較為簡(jiǎn)易的電容式飛機(jī)燃油油量測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)輔助模塊分作電源的供電模塊和用作提示警告的報(bào)警模塊，專(zhuān)用于測(cè)量顯示的關(guān)鍵模塊包括信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊。其中，變壓器是電源部分的最前級(jí)，后面連接的是整流橋、濾波電容和穩(wěn)壓器，整個(gè)模塊會(huì)將220V交流電壓變成所需的5V直流電壓來(lái)向其他部件供電。電容傳感器得到的電容值需要轉(zhuǎn)換成其他信號(hào)進(jìn)行處理，決定設(shè)計(jì)一個(gè)振蕩電路將電容值轉(zhuǎn)換成振蕩頻率來(lái)傳輸給處理器。以555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器就能很好地將電容值的變化變成振蕩頻率的變化，這是信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換模塊的核心器件。這個(gè)變化的振蕩頻率再給以單片機(jī)為核心器件的數(shù)據(jù)處理模塊處理便可以計(jì)算出與之對(duì)應(yīng)的電容值和產(chǎn)生該電容值的燃油量，最后由LCD（LiquidCrystalDisplay）顯示模塊將油量數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。而液位一旦超出設(shè)定的限值，處理器會(huì)給報(bào)警模塊信號(hào)使之進(jìn)行警報(bào)。設(shè)計(jì)原理流程圖如下圖2-1所示：圖2-1電容式燃油液位測(cè)量原理流程圖1.3同軸圓筒式電容傳感器設(shè)計(jì)原理電容傳感器用同軸圓筒式的比較好，同軸圓筒式電容傳感器主要利用的是電容式傳感器對(duì)物理量的轉(zhuǎn)化能力，它把液面高度轉(zhuǎn)化為電容值，再通過(guò)處理電路將電容值轉(zhuǎn)化為其他便于測(cè)量和傳輸?shù)男盘?hào)。這個(gè)系統(tǒng)中的電容式傳感器對(duì)被測(cè)物理量的轉(zhuǎn)換原理很簡(jiǎn)單，就是測(cè)量的燃油和里面的空氣共同當(dāng)電容傳感器里面極板間的介質(zhì)，按照不同油量作為介質(zhì)時(shí)對(duì)應(yīng)的不同電容值來(lái)測(cè)量出極板間的油量。電容值之所以會(huì)發(fā)生變化，是因?yàn)殡娙輧蓸O板間燃油介質(zhì)的極化，這正是產(chǎn)生電容變化最根本的原因。最簡(jiǎn)單的電容是用平行金屬極板制作成的，在忽略邊緣效應(yīng)后，電容值可以用公式表示為： （2-1）其中C為電容，ε為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為極板相對(duì)的面積，d為兩極板的間距。REF_Ref27472\w\h[2]由此可見(jiàn)，介電常數(shù)、極板面積和極板間距會(huì)共同決定電容值的大小，一旦將三個(gè)變量中的兩個(gè)確定，電容值就只由第三個(gè)變量決定。用這樣的方法可以將電容傳感器分為三個(gè)不同變量參數(shù)的傳感器，分別為變介電常數(shù)型的電容傳感器、變面積型的電容傳感器和變間距型的電容傳感器。由于飛機(jī)油箱基本上都是不規(guī)則的形狀，種類(lèi)多且區(qū)別大，實(shí)際應(yīng)用到燃油油量測(cè)量的電容傳感器采用依靠介電常數(shù)這一參數(shù)測(cè)量的電容傳感器較為合適。除此外，將變介電常數(shù)型電容傳感器的兩極板設(shè)計(jì)成同軸圓筒式更易于安放和測(cè)量，將同軸的圓柱板作兩極板，兩極板間上下密封，外極板最底端留液體進(jìn)出口，再保證兩極板與油箱等高，極板間距一致，這樣裝入燃油容器里，電容值就只與燃油液面有關(guān)。電容值分以燃油為介質(zhì)的電容值和以空氣為介質(zhì)的電容值兩部分，電容總值就可以表示為： （2-2）其中C總為電容的總值，C油為以燃油為介質(zhì)的電容值，C氣為以空氣為介質(zhì)的電容值，ε油為燃油的介電常數(shù)，ε氣為空氣的介電常數(shù)，h為極板間燃油高度，H為極板高度，r1為內(nèi)極板半徑，r2為外極板半徑。REF_Ref27518\w\h[3]原理如下圖2-2所示：圖2-2電容傳感器原理圖1.4電容式油量測(cè)量系統(tǒng)方案小結(jié)飛機(jī)燃油測(cè)量系統(tǒng)作為飛機(jī)燃油系統(tǒng)的子系統(tǒng)，承擔(dān)著燃油測(cè)量的重要任務(wù)，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的性能要求較高。用到的電容式傳感器有許多優(yōu)于其他類(lèi)型傳感器的地方，它比浮子式傳感器精度高，比超聲波傳感器穩(wěn)定性強(qiáng)，適于更惡劣的環(huán)境工作，結(jié)構(gòu)比磁致伸縮式傳感器更加簡(jiǎn)易且更易于維護(hù)，與靜壓式傳感器相比動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好，從這些優(yōu)點(diǎn)可以看出，電容式傳感器在飛機(jī)燃油液位測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展前景巨大。該方案設(shè)計(jì)的同軸式圓筒電容傳感器用于燃油測(cè)量更實(shí)用，其結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，維護(hù)時(shí)也很方便，測(cè)量精度足夠，可靠性也很高，不輸于其他種類(lèi)的傳感器。良好的穩(wěn)定性讓它能在各種惡劣環(huán)境下使用，溫度的影響較小。同軸圓筒式電容傳感器由于這眾多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)燃油油量測(cè)量。該方案所用到的處理器和