CN102080980A - 一种飞机燃油油位/密度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种飞机燃油油位/密度测量装置及方法，测量装置为一种光纤压强传感器，包括光纤缠绕成的空心螺线管，固定环，弹性膜片，连接管和连接块。空心螺线管置于连接管的腔体内。固定环将弹性膜片固定在连接管内。弹性膜片紧贴空心螺管。连接管与连接块连接。空心螺线管的两端光纤伸出连接块。发明的优点是：1)传感器安全性高，体积小，结构简单，精度高，重量轻；能够解决飞机在加速爬升及下降时的油位检测问题，利用滤波方法可解决液面的晃动问题。2)在测量油位的同时，能够将燃油密度一并得出，能够在飞机翻转飞行时进行燃油油量的高精度测量。

Description

一种飞机燃油油位/密度测量装置及方法

技术领域：本发明涉及一种测量装置及方法，尤其是一种飞机燃油油位/密度测量装置及方法，属于传感器和测量技术领域。

背景技术：在飞机燃油油位测量方面，目前主要使用电容式油位传感器，这方面技术已日趋成熟，但这种传感器精度不高且笨重；最近使用的超声波油位传感器，尽管油位测量精度比电容式的要高，但这种超声波传感器功耗大，当飞机飞行姿态发生改变时，存在着测量盲区，而且它通常要与波导管一起使用。在燃油密度测量方面，目前主要采用测量燃油介电常数的间接方法，但由于航空燃油是一种复杂混和物，其介电常数与其产地、污染程度有关，燃油密度与介电常数的关系并不总是恒定的，用这种方法测量的精度不高。此外，当前还出现了直接测量燃油密度的密度计，如放射性、谐振式燃油密度传感器，但在新型机种上应用不多。在液位测量方面，有很多新型的传感器，如光纤传感器，具有代表性是基于微弯原理的光纤传感器及光纤光栅传感器，但前者的机械结构较为复杂，不易取得较高的测量精度，而后者信号处理电路结构复杂。

新型燃油油量传感器是燃油测量系统的发展方向，而光纤传感器具有测量精度高、安全性高、体积小、重量轻、安装方便及抗干扰能力强等优点，势必成为燃油测量系统传感器的一个重要分支。

发明内容：本发明的目的是为解决上述问题而提供一种精确安全的飞机燃油油位/密度测量装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光纤压强传感器，包括由光纤缠绕成的空心螺线管，上固定板，下固定板，连接管，固定环，弹性膜片，连接块和密封圈等部分。

连接管与连接块及固定环连接。螺线管与上下固定板以胶粘方式进行固定连接，然后将其置于连接管的腔体内，上固定板紧贴弹性膜片，下固定板紧贴连接块。固定环将弹性膜片固定在连接管凹槽内。螺线管的两端光纤伸出连接块。为了保证油密性，连接管与连接块之间，固定环与弹性膜片之间都需要用密封圈进行密封。

一种飞机燃油油位/密度的测量方法，取上述的光纤压强传感器四个，第一光纤压强传感器和第二光纤压强传感器安装在安装管管体(以下简称管体)的下端，第三光纤压强传感器和第四光纤压强传感器安装在管体的上端，管体中间布置有8条光纤，这8条光纤分别将四个光纤压强传感器端光纤相联，以便构成4条光路。管体固定在飞机油箱内。管体的上端开口与油箱内安装管座进行连接，安装管座固定在飞机油箱的最上端。光纤由管体穿过安装管座到达飞机油箱外，与后继检测电路进行连接。第一光纤压强传感器与油箱底面尽量靠近但不进行接触。第一光纤压强传感器和第二光纤压强传感器之间的距离，同第三光纤压强传感器和第四光纤压强传感器之间的距离相等。当飞机正常飞行时，利用第一、第二和第三光纤压强传感进行油位及密度的计算，当飞机翻转飞行时，利用第一、第三和第四光纤压强传感器进行油位及密度的计算。

发明的优点是：1)传感器测量精度高，安全性高，体积小，结构简单，重量轻；能够解决飞机在加速爬升及下降时的油位检测问题；利用滤波方法可解决液面的晃动问题。2)在测量油位的同时，能够将燃油密度一并得出。3)能够在飞机翻转飞行时进行燃油油量的高精度测量。

附图说明：

图1是光纤压强传感器的结构示意图。

图2是本发明的工作原理图。

图3为记录油箱振动时，在2s内油位波动的趋势图。

具体实施方式：

如图1所示：一种光纤压强传感器，包括光纤缠绕成的空心螺线管4，上固定板5，下固定板8，固定环2，弹性膜片3，连接管1，密封圈6，密封圈7和连接块9。光纤螺线管4与上固定板5、下固定板8以胶粘方式进行固定连接，然后将它们置于连接管1的腔体内，上固定板5紧贴弹性膜片3，下固定板8紧贴连接块9。固定环2将弹性膜片3固定在连接管1的凹槽内，用第一密封圈6进行密封。连接管1与连接块9连接，用第二密封圈7进行密封。光纤螺线管4的光纤两端伸出连接块9。其工作工程如下：当外部压强作用于弹性膜片3上时将产生压力，该压力垂直于光纤螺线管4轴线方向，光纤螺线管4的形状将发生垂直于轴向的形变，该形变将导致通过光纤中的光强随着外部的压力改变而改变，通过测量通过光纤光强的大小即可反映液体压强的大小。为安装光纤的需要，连接块9中间留有通孔，同时这也保证连接管1的腔体内部气压与安装管16内的气压相同。以上连接管1，固定环2，连接块9均以螺纹形式进行连接。

如图2所示：安装管16与油箱10上的安装管座11以螺纹形式相连并固定在油箱10内，安装管16为布置光纤13的通道，并为安装压强传感器提供支架，其高度应为油箱10的高度，安装管座11上有孔，作用是进行光纤布线，且与外部空气相连。第一光纤压强传感器18、第二光纤压强传感器17处于油箱10的液面12以下。第三光纤压强传感器15、第四光纤压强传感器14处于油箱10的液面12以上。为了保证检测装置的油密性，第一光纤压强传感器18、第二光纤压强传感器17、第三光纤压强传感器15、第四光纤压强传感器14与安装管16经密封圈进行密封，安装管座11与安装管16经密封圈进行密封。

安装时，应尽量使第一光纤压强传感器18与油箱10底面靠近但不接触。为了消除飞机在加速爬升及下降时对燃油测量的影响，我们采用了压强比值的方法求解燃油油位。当飞机正常飞行时，利用第一光纤压强传感器18、第二光纤压强传感器17和第三光纤压强传感器14进行油位及密度的计算，当飞机翻转飞行时，利用第一光纤压强传感器18、第三光纤压强传感器14和第四光纤压强传感器15进行油位及密度的计算。第一光纤压强传感器18和第二光纤压强传感器17之间，第三光纤压强传感器14和第四光纤压强传感器15之间的位置是固定的，它们之间的垂直高度为H。设油箱内的压强为P_tan k，安装管内的压强为P_tube，飞机在加速爬升或下降的垂直加速度分量为a，飞机俯仰角为θ，滚转角为

当油位的高度为h，有：

第一光纤压强传感器11的压强为：

第二光纤压强传感器12的压强为：

第三光纤压强13传感器的的压强为：P₃＝P_tan k-P_tube..............(3)

油位及燃油密度的测量

由式(1)～(3)，我们可以获得如下公式：

$\frac{h}{h-H}=\frac{P_1-P_3}{P_2-P_3}---\left(4\right)$

式(4)表明，燃油油位h即可根据三个光纤压强传感器的压强两两做差得出。

利用式(1)减式(2)，可得到：

由式(5)可以看出，燃油密度ρ_oil可通过第一光纤压强传感器18与第二光纤压强传感器17的压强差，并结合飞机飞行姿态角及加速度信息一起来获取。

当油位及密度信息获取后，利用飞机油箱模型获取燃油体积，即可获取燃油油量信息。

信号检测电路

激光光源经透镜汇聚后，按照分光比为1∶1∶1∶1∶1的关系分成5路，其中1路直接经光电转换后直接测量其电压，用以表征光源的光强，另4路分别通过光纤压强传感器，经光纤螺线管感受燃油的压强，经光电转换后再测量其电压，用以表征其感受的压强大小。在测量过程中为了消除光源强度发生变化对测量结果的影响，我们采用比值法表征外部压强的大小，即：压强＝传感器输出的光强电压/光源光强电压。

信号滤波方法

在测量的过程中，油位的晃动变化将对油位检测精度造成影响，据观察，油位晃动具有一定的周期性且与正弦波函数相似，滤波处理方法为：首先，根据先前时刻数据，利用自相关法估计当前振动周期T，并取一个周期内的数据进行函数拟合，拟合的函数形式为：

A即为油位的准确数值。对变化的油位，经上述滤波后，再采用卡尔曼滤波算法对油位进行进一步的估计。

图3为油位在2s中内变化的趋势，其上下波动最大达4mm。

本发明所设计的测量装置及方法，还可应用的机动车辆的燃油油量测量中，因为它在测量过程中，没有电信号和油箱直接接触，具有本质的安全防爆的性能，此外还可应用于多种液位及密度测量。

Claims (6)

1.一种光纤压强传感器，包括由光纤缠绕成的空心螺线管，上固定板，下固定板，连接管，固定环，弹性膜片和连接块；连接管与连接块及固定环连接；螺线管与上下固定板以胶粘方式进行固定连接，然后将其置于连接管的腔体内，上固定板紧贴弹性膜片，下固定板紧贴连接块；固定环将弹性膜片固定在连接管凹槽内；螺线管的两端光纤伸出连接块；连接管与连接块之间，固定环与弹性膜片之间都用密封圈进行密封。

2.如权利要求1所述的一种光纤压强传感器，其特征在于：所述的固定环，连接块，连接管均以螺纹形式进行连接。

3.一种飞机燃油油位/密度的测量方法，取权利要求1所述的光纤压强传感器四个，第一光纤压强传感器和第二光纤压强传感器安装在安装管管体的下端，第三光纤压强传感器和第四光纤压强传感器安装在管体的上端，管体中间布置有8条光纤，这8条光纤分别将四个光纤压强传感器端光纤相联，以便构成4条光路；管体固定在飞机油箱内；管体的上端开口与油箱内安装管座进行连接，安装管座固定在飞机油箱的最上端；光纤由管体穿过安装管座到达飞机油箱外，然后进行信号处理；第一光纤压强传感器和第二光纤压强传感器之间的距离，同第三光纤压强传感器和第四光纤压强传感器之间的距离相等；当飞机正常飞行时，利用第一、第二和第三光纤压强传感进行油位及密度的计算，当飞机翻转飞行时，利用第一、第三和第四光纤压强传感器进行油位及密度的计算。

4.如权利要求3所述的一种飞机燃油油位/密度的测量方法，其特征在于：安装时，应尽量使第一光纤压强传感器与油箱底面尽量靠近但不接触。

5.如权利要求3所述的一种飞机燃油油位/密度的测量方法，其特征在于：第一光纤压强传感器和第二光纤压强传感器之间，第三光纤压强传感器和第四光纤压强传感器1之间的位置是固定的，它们之间的垂直高度为H，设油箱内的压强为P_tan k，安装管内的压强为P_tube，飞机加速爬升或下降的垂直加速度分量为a，飞机姿态角俯仰角为θ，滚转角为当油位的高度为h时，有：

第一光纤压强传感器11的压强为：

第二光纤压强传感器12的压强为：

第三光纤压强13传感器的的压强为：P₃＝P_tan k-P_tube…(3)

由式(1)～(3)，我们可以获得如下公式：

式(4)表明，燃油油位h即可根据三个光纤压强传感器的压强两两做差得出；

利用式(1)减式(2)，可得到：

由式(5)可以看出，燃油密度ρ_oil可通过第一光纤压强传感器18与第二光纤压强传感器17的压强差，并结合飞机飞行姿态角及加速度信息一起来获取。

6.如权利要求3所述的一种飞机燃油油位测量方法，在测量的过程中，对于油位晃动采用的滤波处理方法为：首先，根据先前时刻数据，利用自相关法估计当前振动周期T，并取一个周期内的数据进行函数拟合，拟合的函数形式为：

A即为油位的准确数值。

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