CN103776473B - 一种基于光纤光栅传感器的飞机燃油油量测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞机燃油油量测量系统，尤其是一种基于光纤光栅传感器及飞机燃油油量测量系统，属于传感器和测量技术领域；包括其包括外壳体和置于外壳体内的弹性膜片A、弹性膜片B、FBG光栅A和FBG光栅B，FBG光栅A贴于弹性膜片A的下方，FBG光栅B贴于弹性膜片B上方；为了补偿温度对FBG光栅周期的影响，弹性膜片B下方设有保温层，弹性膜片B与保温层之间设有空隙。发明的有点在于：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。

Description

一种基于光纤光栅传感器的飞机燃油油量测量系统

技术领域

本发明涉及一种飞机燃油油量测量系统，尤其是一种基于光纤光栅传感器及飞机燃油油量测量系统，属于传感器和测量技术领域。

背景技术

在飞机燃油油量测量方面，目前主要使用电容式油位传感器，但这种传感器精度不高且笨重，容易受到外界电磁信号的干扰。在液位测量方面，有一种体积小质量轻且不受电磁干扰新型的传感器，它就是光纤传感器，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，而后者测量精度高，信号处理电路结构复杂，需要补偿油温及气压的影响。新型燃油油量传感器是飞机燃油测量系统的发展方向，而光纤传感器具有测量精度高、安全性好、体积小、重量轻、安装方便及抗干扰能力强等优点，势必成为飞机燃油测量系统的最佳选择。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题而提供一种基于光纤光栅传感器的飞机燃油油量测量系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种光纤光栅传感器，包括其包括外壳体和置于外壳体内的弹性膜片A、弹性膜片B、FBG光栅A和FBG光栅B，FBG光栅A贴于弹性膜片A的下方，FBG光栅B贴于弹性膜片B上方；为了补偿温度对FBG光栅周期的影响，弹性膜片B下方设有保温层，弹性膜片B与保温层之间设有空隙；所述弹性膜片B和保温层上分别设有直径相同的通孔；弹性膜片与保温层上的通孔的中心线重合；光纤0连接FBG光栅B，将其称为补偿光纤，光纤1连接FBG光栅A，将其称为测量光纤。

所述外壳体采用金属材质。

所述光纤光栅传感器的工作原理如下：对于FBG光栅A，温度和应变引起的FBG光栅布拉格波长的偏移△λ^B可由下式表示

△λ_B/λ_B＝(1-P_e)ε+(α+ξ)·△T……(1)

式中，ε为FBG轴向应变，P_e为光纤的光弹系数，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，△T为温度变化量，λ_B为布拉格波长；

弹性膜片A在压强p的作用下表面产生应变，贴于下方的FBG光栅A在弹性膜片A的受拉面主要受径向应变作用，弹性膜片A压力值转化为FBG光栅A的布拉格波长偏移量，由于敏感元件FBG光栅各点应变不同，平均应变可由下式等效表示

$\mathrm{\ϵ}=K\frac{3p}{8t^{2}E}(1-{\mathrm{\υ}}^2)R^2\mathrm{......}\left(2\right)$

式中，K与膜片尺寸、FBG粘贴位置有关，t与膜片的厚度有关，E是膜片材料的弹性模量，υ是膜片材料的泊松比，R为膜片的半径，对于同一种材料来说，K、t、E、υ为一常系数；假设FBG光栅A与FBG光栅B具有相同温度，由公式(1)，当FBG光栅A单独受应变作用时，其与FBG光栅B布拉格波长的偏移量为

△λ＝λ₁-λ₂＝(1-P_e)ε·λ_B……(3)

其中，λ_B为布拉格波长

将(2)代入(3)得

${\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2=K\frac{3p}{8t^{2}E}(1-{\mathrm{\υ}}^2)R^2\·(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B=K^{\′}\frac{3p}{8t^{2}E}(1-{\mathrm{\υ}}^2)R^2\·(1-P_e)\mathrm{......}\left(4\right)$

FBG光栅A、FBG光栅B布拉格波长偏移量λ₁-λ₂与压力p成线性关系，式(4)可称为FBG液位传感器的理论模型。

所述光纤光栅传感的波长解调过程为：系统选用光带光源发出覆盖FBG布拉格波长的宽带光，经过一分二分光器后，分别通过1X2的耦合器照射进入FBG光栅A与FBG光栅B，FBG光栅A与FBG光栅B反射回的中心波长为布拉格波长的窄带光，这两束发射光分别通过耦合器进入波长解调电路。

所述波长解调电路为：为了快速准确的解调出光栅输出的波长信号，系统采用阵列波导光栅(AWG)来完成反射中心波长信号检测；首先由一LED宽带光源经一分五分路器分成5路宽带光源，然后分别通过1×2耦合器进入到传感器的补偿光纤与测量光纤，FBG光栅受到外界压强的调制后，反射出中心波长λ，其经由AWG进行解调，然后再经过光电转换器、放大及AD转换后，由嵌入式系统进行采样，我们拟用ARM9嵌入式平台上完成燃油系统的测量工作。

基于如上所述的光纤光栅传感器的燃油油量测量系统，采用三个相同的液位传感器进行燃油液位与密度测量，为了消除燃油温度与油箱内气体温度的不同、油箱内气体与外部大气压强的不同，采用压强差的方法进行上述两个参数的检测，第一传感器和第二传感器安装在油箱底部，第三传感器安装在油箱顶部；所述第一传感器其引出2根光纤，分别为s10和s11，s10为补偿光纤，其输出的反射中心波长为λ₁₀；s11为测量光纤，其输出的反射中心波长为λ₁₁；所述第二传感器引出1根光纤s21，其为测量光纤，其输出的反射中心波长为λ₂₁，液位温度相同，第一传感器和第二传感器的补偿光纤具有相同输出，故此处可省略1根补偿光纤；所述第三传感器引出2根光纤分别为s30和s31，s30为补偿光纤，其输出的反射中心波长为λ₃₀，s31为测量光纤，其输出的反射中心波长为λ₃₁。

第一传感器和第二传感器的位置固定，第一传感器与第二传感器之间的垂直安装高度为H，燃油液位高度为h，取光栅反射中心波长的变化量同液体压强变化量呈线性关系，且比例系数记为K，飞机的巡航姿态为：俯仰角为θ，横滚角为垂直方向的加速度为a；当测量时，有：

第一传感器输出的压强差为：

P_油h+P_箱内气体-P_大气＝K(λ₁₁-λ₁₀)……(5)

第二传感器输出的压强差为：

P_油h-H+P_箱内气体-P_大气＝K(λ₂₁-λ₁₀)……(6)

第三传感器3测得的压强差为：

P_箱内气体-P_大气＝K(λ₃₁-λ₃₀)……(7)

将(5)式减去(6)式可得：

即有：

将(5)式减去(7)式可得：

即有：

将(8)与(9)进行比，可得下式：

$\frac{H}{h}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{11}-{\mathrm{\λ}}_{21}}{{\mathrm{\λ}}_{11}-{\mathrm{\λ}}_{10}-({\mathrm{\λ}}_{31}-{\mathrm{\λ}}_{30})}\⇒h=\frac{{\mathrm{\λ}}_{11}-{\mathrm{\λ}}_{10}-({\mathrm{\λ}}_{31}-{\mathrm{\λ}}_{30})}{{\mathrm{\λ}}_{11}-{\mathrm{\λ}}_{21}}\×H......\left(10\right)$

即：燃油液位参数h通过FBG光栅输出的反射中心波长求得。

当获取飞机巡航时的垂直加速度，且已知波长与压强变化比例系数K时，由(9)式可得：

即：燃油密度参数ρ_油通过FBG光栅输出的反射中心波长求得。

在以上推导过程中，考虑到了飞机巡航时姿态参数，但在求解燃油液位及密度结论中，垂直加速度的参量被约掉了。说明应用压强差法适合于飞机巡航时燃油参量的测量。同时传感器的结构设计与安装方法，能够有效地补偿温度对FBG光栅的影响。

本发明的有点在于：

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。

附图说明

图1是光纤光栅压强传感器的结构示意图；

图2是本传感器连接结构图；

图3是解调电路原理图；

图4是系统原理测量原理图；

图中：1、弹簧膜片A、2、FBG光栅A，3、弹性膜片B，4、FBG光栅B，5、外壳体，6、保持层，7、通孔，8、光纤0，9、光纤1，10、第一传感器，11、第二传感器，12、第三传感器，13、油箱。

具体实施方式

一种光纤光栅传感器，包括其包括外壳体和置于外壳体内的弹性膜片A、弹性膜片B、FBG光栅A和FBG光栅B，FBG光栅A贴于弹性膜片A的下方，FBG光栅B贴于弹性膜片B上方；为了补偿温度对FBG光栅周期的影响，弹性膜片B下方设有保温层，弹性膜片B与保温层之间设有空隙；所述弹性膜片B和保温层上分别设有直径相同的通孔；弹性膜片与保温层上的通孔的中心线重合；光纤0连接FBG光栅B，将其称为补偿光纤，光纤1连接FBG光栅A，将其称为测量光纤。

所述外壳体采用金属材质。

所述光纤光栅传感器的工作原理如下：对于FBG光栅A，温度和应变引起的布拉格波长的偏移△λ_B可由下式表示

△λ_B/λ_B＝(1-P_e)ε+(α+ξ)·△T……(1)

式中，ε为FBG轴向应变，P_e为光纤的光弹系数，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，△T为温度变化量，λ_B为布拉格波长；

弹性膜片A在压强p的作用下表面产生应变，贴于下方的FBG光栅A在弹性膜片A的受拉面主要受径向应变作用，布拉格波长发生偏移，弹性膜片A压力值转化为FBG光栅A的布拉格波长偏移量，由于敏感元件FBG光栅各点应变不同，平均应变可由下式等效表示

$\mathrm{\ϵ}=K\frac{3p}{8t^{2}E}(1-{\mathrm{\υ}}^2)R^2\mathrm{......}\left(2\right)$

式中，K为一系数，其值与膜片尺寸、FBG粘贴位置有关；假设FBG光栅A与FBG光栅B具有相同温度，由公式(1)，当FBG光栅A单独受应变作用时，其与FBG光栅B布拉格波长的偏移量为

△λ＝λ₁-λ₂＝(1-P_e)ε·λ_B……(3)

其中，λ_B为布拉格波长

将(2)代入(3)得

${\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2=K\frac{3p}{8t^{2}E}(1-{\mathrm{\υ}}^2)R^2\·(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B=K^{\′}\frac{3p}{8t^{2}E}(1-{\mathrm{\υ}}^2)R^2\·(1-P_e)\mathrm{......}\left(4\right)$

FBG光栅A、FBG光栅B布拉格波长偏移量λ₁-λ₂与压力p成线性关系，式(4)可称为FBG液位传感器的理论模型。

所述光纤光栅传感的波长解调过程为：系统选用光带光源发出覆盖FBG布拉格波长的宽带光，经过一分二分光器后，分别通过1X2的耦合器照射进入FBG光栅A与FBG光栅B，FBG光栅A与FBG光栅B反射回的中心波长为布拉格波长的窄带光，这两束发射光分别通过耦合器进入波长解调电路。

所述波长解调电路为：为了快速准确的解调出光栅输出的波长信号，系统采用阵列波导光栅(AWG)来完成反射中心波长信号检测；首先由一LED宽带光源经一分五分路器分成5路宽带光源，然后分别通过1×2耦合器进入到传感器的补偿光纤与测量光纤，FBG光栅受到外界压强的调制后，反射出中心波长λ，其经由AWG进行解调，然后再经过光电转换器、放大及AD转换后，由嵌入式系统进行采样，我们拟用ARM9嵌入式平台上完成燃油系统的测量工作。

基于如上所述的光纤光栅传感器的燃油油量测量系统，采用三个相同的液位传感器进行燃油液位与密度测量，为了消除燃油温度与油箱内气体温度的不同、油箱内气体与外部大气压强的不同，采用压强差的方法进行上述两个参数的检测，第一传感器和第二传感器安装在油箱底部，第三传感器安装在油箱顶部；所述第一传感器其引出2根光纤，分别为s10和s11，s10为补偿光纤，其输出的反射中心波长为λ₁₀；s11为测量光纤，其输出的反射中心波长为λ₁₁；所述第二传感器引出1根光纤s21，其为测量光纤，其输出的反射中心波长为λ₂₁，液位温度相同，第一传感器和第二传感器的补偿光纤具有相同输出，故此处可省略1根补偿光纤；所述第三传感器引出2根光纤分别为s30和s31，s30为补偿光纤，其输出的反射中心波长为λ₃₀，s31为测量光纤，其输出的反射中心波长为λ₃₁。

设传感器1与传感器2之间的垂直安装高度为H，燃油液位高度为h，为了便于推导，取光栅反射中心波长的变化量同液体压强变化量呈线性关系，且比例系数记为K，飞机的巡航姿态为：俯仰角为θ，横滚角为垂直方向的加速度为a；

测量时传感器1中，s11输出的反射中心波长为λ₁₁，s10输出的反射中心波长为λ₁₀，在由s10对s11进行温度补偿后，传感器1输出的压强差可表示为：

P_油h+P_箱内气体-P_大气＝K(λ₁₁-λ₁₀)……(5)

在传感器2中，当光纤s21借用s10进行温度补偿，其输出的压强差为：

P_油h-H+P_箱内气体-P_大气＝K(λ₂₁-λ₁₀)……(6)

在传感器3中，s30对s31进行温度补偿后，传感器3将输出的压强差可表示为下式经温度补偿后，测得的压强差为：

P_箱内气体-P_大气＝K(λ₃₁-λ₃₀)……(7)

我们将(10)式减去(11)式可得：

即有：

将(5)式减去(7)式可得：

即有：

将(8)与(9)进行比，可得下式：

$\frac{H}{h}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{11}-{\mathrm{\λ}}_{21}}{{\mathrm{\λ}}_{11}-{\mathrm{\λ}}_{10}-({\mathrm{\λ}}_{31}-{\mathrm{\λ}}_{30})}\⇒h=\frac{{\mathrm{\λ}}_{11}-{\mathrm{\λ}}_{10}-({\mathrm{\λ}}_{31}-{\mathrm{\λ}}_{30})}{{\mathrm{\λ}}_{11}-{\mathrm{\λ}}_{21}}\×H......\left(10\right)$

由此，燃油液位参数可以通过FBG输出的反射中心波长可求得。

当获取飞机巡航时的垂直加速度，且已知波长与压强变化比例系数K时，由(9)式可得：

由此可看出，燃油密度参数可求。

在以上推导过程中，考虑到了飞机巡航时姿态参数，但在求解燃油液位及密度结论中，垂直加速度的参量被约掉了。说明应用压强差法适合于飞机巡航时燃油参量的测量。同时传感器的结构设计与安装方法，能够有效地补偿温度对FBG光栅的影响。

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，此外还可引申为多种液位及密度测量。

Claims (5)

1.一种光纤光栅传感器，包括其包括外壳体和置于外壳体内的弹性膜片A、弹性膜片B、FBG光栅A和FBG光栅B，FBG光栅A贴于弹性膜片A的下方，FBG光栅B贴于弹性膜片B上方；为了补偿温度对FBG光栅周期的影响，弹性膜片B下方设有保温层，弹性膜片B与保温层之间设有空隙；所述弹性膜片B和保温层上分别设有直径相同的通孔；弹性膜片与保温层上的通孔的中心线重合；光纤0连接FBG光栅B，将其称为补偿光纤，光纤1连接FBG光栅A，将其称为测量光纤；所述光纤光栅传感器的工作原理如下：对于FBG光栅A，温度和应变引起的布拉格波长的偏移Δλ_B可由下式表示

Δλ_B/λ_B＝(1-P_e)ε+(α+ξ)·ΔT ……(1)

式中，ε为FBG轴向应变，P_e为光纤的光弹系数，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，ΔT为温度变化量，λ_B为布拉格波长；

弹性膜片A在压强p的作用下表面产生应变，贴于下方的FBG光栅A在弹性膜片A的受拉面主要受径向应变作用，弹性膜片A压力值转化为FBG光栅A的布拉格波长偏移量，由于敏感元件FBG光栅各点应变不同，平均应变可由下式等效表示

$\mathrm{\ϵ}=K\frac{3p}{8t^{2}E}(1-{\mathrm{\υ}}^2)R^2\mathrm{......}\left(2\right)$

式中，K与膜片尺寸、FBG粘贴位置有关，t与膜片的厚度有关，E是膜片材料的弹性模量，υ是膜片材料的泊松比，R为膜片的半径，对于同一种材料来说，K、t、E、υ为一常系数；假设FBG光栅A与FBG光栅B具有相同温度，由公式(1)，当FBG光栅A单独受应变作用时，其与FBG光栅B布拉格波长的偏移量为

Δλ＝λ₁-λ₂＝(1-P_e)ε·λ_B ......(3)

其中，λ_B为布拉格波长

将(2)代入(3)得

${\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2=K\frac{3p}{8t^{2}E}(1-{\mathrm{\υ}}^2)R^2\·(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B=K^{\′}\frac{3p}{8t^{2}E}(1-{\mathrm{\υ}}^2)R^2\·(1-P_e)\mathrm{......}\left(4\right)$

FBG光栅A、FBG光栅B布拉格波长偏移量λ₁-λ₂与压力p成线性关系，式(4)可称为FBG液位传感器的理论模型。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅传感器，其特征在于：所述外壳体采用金属材质。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅传感器，其特征在于：所述光纤光栅传感的波长解调过程为：系统选用光带光源发出覆盖FBG布拉格波长的宽带光，经过一分二分光器后，分别通过1X2的耦合器照射进入FBG光栅A与FBG光栅B，FBG光栅A与FBG光栅B反射回的中心波长为布拉格波长的窄带光，这两束发射光分别通过耦合器进入波长解调电路。

4.一种基于光纤光栅传感器的燃油油量测量系统，其特征在于：采用三个相同的权利要求1所述的光纤光栅传感器；第一传感器和第二传感器安装在油箱底部，第三传感器安装在油箱顶部；所述第一传感器其引出2根光纤，分别为s10和s11，s10为补偿光纤，其输出的反射中心波长为λ₁₀；s11为测量光纤，其输出的反射中心波长为λ₁₁；所述第二传感器引出1根光纤s21，其为测量光纤，其输出的反射中心波长为λ₂₁，液位温度相同，第一传感器和第二传感器的补偿光纤具有相同输出，故此处可省略1根补偿光纤；所述第三传感器引出2根光纤分别为s30和s31，s30为补偿光纤，其输出的反射中心波长为λ₃₀，s31为测量光纤，其输出的反射中心波长为λ₃₁；

第一传感器和第二传感器的位置固定，第一传感器与第二传感器之间的垂直安装高度为H，燃油液位高度为h，取光栅反射中心波长的变化量同液体压强变化量呈线性关系，且比例系数记为K，飞机的巡航姿态为：俯仰角为θ，横滚角为垂直方向的加速度为a；当测量时，有：

第一传感器输出的压强差为：

P_油h+P_箱内气体-P_大气＝K(λ₁₁-λ₁₀) ......(5)

第二传感器输出的压强差为：

P_油h-H+P_箱内气体-P_大气＝K(λ₂₁-λ₁₀) ……(6)

第三传感器3测得的压强差为：

P_箱内气体-P_大气＝K(λ₃₁-λ₃₀) ……(7)

将(5)式减去(6)式可得：

即有：

将(5)式减去(7)式可得：

即有：

将(8)与(9)进行比，可得下式：

$\frac{H}{h}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{11}-{\mathrm{\λ}}_{21}}{{\mathrm{\λ}}_{11}-{\mathrm{\λ}}_{10}-({\mathrm{\λ}}_{31}-{\mathrm{\λ}}_{30})}\⇒h=\frac{{\mathrm{\λ}}_{11}-{\mathrm{\λ}}_{10}-({\mathrm{\λ}}_{31}-{\mathrm{\λ}}_{30})}{{\mathrm{\λ}}_{11}-{\mathrm{\λ}}_{21}}\×H\mathrm{......}\left(10\right)$

即：燃油液位参数h通过FBG光栅输出的反射中心波长求得；

当获取飞机巡航时的垂直加速度，且已知波长与压强变化比例系数K时，由(9)式可得：

即：燃油密度参数ρ_油通过FBG光栅输出的反射中心波长求得。

5.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅传感器的燃油油量测量系统，其特征在于：所述波长解调电路为：为了快速准确的解调出光栅输出的波长信号，系统采用阵列波导光栅(AWG)来完成反射中心波长信号检测；首先由一LED宽带光源经一分五分路器分成5路宽带光源，然后分别通过1×2耦合器进入到传感器的补偿光纤与测量光纤，FBG光栅受到外界压强的调制后，反射出中心波长λ，其经由AWG进行解调，然后再经过光电转换器、放大及AD转换后，由嵌入式系统进行采样，采用ARM9嵌入式平台上完成燃油系统的测量工作。