CN104501907B

CN104501907B - 具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统

Info

Publication number: CN104501907B
Application number: CN201410670423.4A
Authority: CN
Inventors: 袁梅; 豆红丽; 董韶鹏; 庞卓; 张蓓
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2034-11-20
Also published as: CN104501907A

Abstract

本发明公开了一种具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其由测量电路和自补偿电容式液位传感器组成，自补偿电容式液位传感器包括有AA电极、AB电极、BB电极和CC电极；在测量过程中，AA电极接地，同时作为测量电容的外电极，而BB电极和CC电极作为内电极，飞机燃油介质能够进入AA电极与AB电极之间的腔中。测量电路的处理芯片内嵌有电容补偿比值关系通过电容补偿比值K能够计算出被测液位的高度h。本发明的电容液位传感器可以消除由温度以及介质变化引起的空气、燃油介电常数变化带来的影响，减少了重复标定的繁琐过程。

Description

具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统

技术领域

[0001] 本发明涉及飞机燃油油量测控系统技术领域，更特别地说，是指一种具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统。采用自补偿电容式液位传感器采集飞机燃油油量、能够消除温度以及被测液体介质(飞机燃油)变化对该传感器测量带来的影响。

背景技术

[0002] 飞机燃油油量测控系统是飞机燃油保障系统的一个重要装置，它的测量结果是飞行员决定飞机飞行航程的依据之一。燃油油量测量系统传感器的功能是飞机在水平飞行时，能够准确地测量每组油箱的剩余油量以维持对飞机发动机的自动供油，使飞机能够正常的飞行。

[0003] 2007年10月第24卷第5期《沈阳航空工业学院学报》中公开了 “电容式传感器在飞机燃油测量系统中的应用”。当不考虑边缘效应时，电容器的总电容量特性方程为

^人电容值C与液面高度X的关系可知，若在测量过程中外界环境温度发生变化，或使用不同燃油牌号的燃油时，会引起燃油的介电常数、燃油上方混合气的介电常数ε〇的变化，从而使电容值C与液面高度X之间不再呈线性变化，该变化带来的影响无法从飞机燃油油量测控系统上或者标定校准试验中进行补偿。因此，在每次测量之前都要对传感器分别进行标定和校准，工作量繁琐且实现难度较大。

发明内容

[0004] 为了实现一次传感器标定和校准就能对不同环境温度、不同液体介质进行测量，本发明设计了一种具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统。其由测量电路和自补偿电容式液位传感器组成，自补偿电容式液位传感器包括有AA电极、AB电极、BB电极和CC电极;在测量过程中，AA电极接地，同时作为测量电容的外电极，而BB电极和CC电极作为内电极，飞机燃油介质流动于AA电极与AB电极之间的腔中。测量电路的处理芯片内嵌有电容补偿比值关系

通过电容补偿比值K能够计算出被测液位h的高度。本发明的电容液位传感器可以消除由温度以及介质变化引起的空气、燃油介电常数变化带来的影响，减少了重复标定的繁琐过程。

[0005] 本发明设计的一种具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，该系统包括有测量电路板(40)、上位机(10)、电容式液位传感器(30)、电容-液位转换模块(20)、第一路引线电容干扰消除模块(41)、第二路引线电容干扰消除模块(42)、第三路引线电容干扰消除模块(43);

[0006] 电容-液位转换模块(20)第一方面用于接收上位机(10)输出的启动测量指令F;第二方面用于接收第一路去干扰电容ί目号A2B (h)、第二路去干扰电容彳目号A3 (h)、第二路去干扰电容信号A4 (h)、接地电容信号C2A (h);第三方面将所述的去干扰电容信号A2B (h)、A3 (h)、 A4 (h)分别与接地电容信号C2A (h)组成三路完整电容信号，即第一路完整电容信号名f (幻、第二路完整电容信号為〜(/〇、第三路完整电容信号。

[0007] 电容式液位传感器(30)通过接口P3与第一路引线电容干扰消除模块(41)、第二路引线电容干扰消除模块(42)和第三路引线电容干扰消除模块(43)连接。

[0008] 第一路引线电容干扰消除模块(41) 一方面用于接收电容式液位传感器(30)中AB 电极(2B)输出的电容信号C2B (h);另一方面采用驱动电缆方式消除电容信号C2B (h)中的连接电缆的寄生电容干扰信号，得到AB电极(2B)产生的去干扰电容信号A2b (h)。所述连接电缆的寄生电容干扰信号是由AB电极(2B)与电路板之间的连接导线产生的。

[0009] 第二路引线电容干扰消除模块(42) —方面用于接收电容式液位传感器(30)中BB 电极(3A)输出的电容信号C3 (h);另一方面采用驱动电缆方式消除电容信号C3 (h)中的连接电缆的寄生电容干扰信号，得到BB电极(3A)产生的去干扰电容信号A3 (h)。所述连接电缆的寄生电容干扰信号是由BB电极(3A)与电路板之间的连接导线产生的。

[0010] 第三路引线电容干扰消除模块(43) —方面用于接收电容式液位传感器(30)中CC 电极(4A)输出的电容信号C4 (h);另一方面采用驱动电缆方式消除电容信号C4 (h)中的连接电缆的寄生电容干扰信号，得到CC电极(4A)产生的去干扰电容信号A4 (h)。所述连接电缆的寄生电容干扰信号是由CC电极(4A)与电路板之间的连接导线产生的。

[0011] 本发明具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统的优点在于：

[0012] (1)无需再考虑温度以及介质变化对液位测量的影响，即不需要在不同温度或介质下对传感器进行重新标定校准，提高了测量传感器在实际测量的自适应性。

[0013] (2)传感器的机械结构牢固；公用的外电极可以大大简化传感器的机械结构。

[0014] (3)为了提高传感器的测量量程且保证补偿传感器的初始值大小，可以减小补偿电容内外电极之间的距离w，增大上下补偿电容的初始电容值，缩短补偿电极的长度以在较大液位测量范围内实现传感器的自补偿功能。

[0015] (4)自补偿电容式传感器可以补偿温度和介质变化带来的影响，且测量精度可以达到0.5 % FS。

附图说明

[0016] 图1是本发明具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统的结构框图。

[0017] 图2是本发明电容-液位转换模块的电路原理图。

[0018] 图3是本发明引线电容干扰消除模块的电路原理图。

[0019] 图4是本发明具有自补偿电容式液位传感器的外部结构图。

[0020] 图4A是本发明具有自补偿电容式液位传感器的剖示结构图。

[0021] 图4B是本发明具有自补偿电容式液位传感器的分解图。

[0022] 图5是本发明电容式液位传感器中电极的结构图。

[0023] 图5A是本发明电容式液位传感器中连接件的结构图。

[0024] 图6是本发明电容式液位传感器中底座的结构图。

[0025] 图6A是本发明电容式液位传感器中底座的另一视角结构图。

[0026] 图7是本发明电容式液位传感器中法兰的结构图。

[0027] 图7A是本发明电容式液位传感器中法兰的另一视角结构图。

[0028] 图7B是本发明电容式液位传感器中法兰的剖面结构图。

[0029] 图8是本发明电容式液位传感器中安装座的结构图。

[0030] 图8A是本发明电容式液位传感器中安装座的另一视角结构图。

[0031] 图9是本发明电容式液位传感器中第一堵头的结构图。

[0032] 图10是本发明电容式液位传感器中第二堵头的结构图。

[0033] 图IOA是本发明电容式液位传感器中第二堵头的另一视角结构图。

[0034] 图11是本发明电容式液位传感器中AA电极、AB电极、BB电极之间的俯视布局结构图。

[0035] 图IIA是本发明电容式液位传感器中AA电极、AB电极、BB电极之间的前视布局结构图。

[0036]

[0037]

具体实施方式

[0038] 下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

[0039] 参见图1所示，本发明设计了一种具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，该系统包括有测量电路板40、电容式液位传感器30、电容-液位转换模块20、第一路引线电容干扰消除模块41、第二路引线电容干扰消除模块42、第三路引线电容干扰消除模块43和上位机10。所述电容式液位传感器30的结构如图4〜图10所示。

[0040] 在本发明中，上位机10是由计算机和飞机燃油油量测控软件组成，所述飞机燃油油量测控软件一方面用于向电容-液位转换模块20下发启动测量指令F;所述飞机燃油油量测控软件另一方面用于接收电容-液位转换模块20输出的飞机燃油油量的液面高度h。计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘180GB;操作系统为windows 2000/ 2003/XPo

[0041] 参见图2所示，电容-液位转换模块20第一方面用于接收上位机10输出的启动测量指令F;第二方面用于接收第一路去干扰电容信号A2b (h)、第二路去干扰电容信号A3 (h)、第三路去干扰电容信号A4GO、接地电容信号C2A (h);第三方面将所述的去干扰电容信号A2b (h)、A3 (h)、A4 (h)分别与接地电容信号C2A (h)组成三路完整电容信号，即第一路完整电容信号4%(句、第二路完整电容信号考'2呦)、第三路完整电容信号尤气/〇。在本发明中，电容-液位转换模块20采用集成电容测量芯片PcapOl-AD和单片机C8051F410/2,在电容一个极板接地的情况下，可同时满足对三路电容信号（名(¾))进行测量的要求。所述三路电容信号的测量输出值记为D2B(h)、D3(h)、D4(h)。单片机C8051F410/2用于配置集成测量芯片PcapOl (U2)的内部寄存器及读取PcapOl (U2)的测量结果，并将从 PcapOl (U2)读出的测量结果转换成实际电容值Cx (h)，每一路电容信号的最终测量结果Cx (h)的计算公式为Cx (h) =Dx (h) /221 XCcref (X表示电极的标识号，即X可以是AB电极2B、BB电极3A或者CC电极4A)，CCref为集成测量芯片U2中的参考电容Cref的容值。将得到的三个电容值通过补偿运算得到最终的飞机燃油油量的液位高度h，最后将测量结果通过串口通讯发送给上位机10。

[0042] 在本发明中，电容-液位转换模块20的电路连接(如图2所示)为:单片机Ul的1管脚接3.3V电源，且1管脚经电容C2接数字地，2管脚经电阻R4与双向二极管U7的3管脚连接，双向二极管U7的2管脚接数字地，双向二极管U7的1管脚接数字地;Ul的1管脚与2管脚之间串联有电阻R2、电阻R3和电阻R4，电阻R2与电阻R3之间连接复位电路;复位电路经电容Cl接数字地，复位开关Sl的一端接数字地，复位开关Sl的另一端经二极管D4接3.3V电源，复位开关 Sl的另一端经电阻R7接3.3V电源，复位开关Sl的另一端经电容C8接数字地，复位开关Sl的另一端经电容C9接数字地;Ul的6管脚接模拟地，7管脚经电解电容C3接模拟地，8管脚经电容C4接模拟地，8管脚经电容C5接模拟地，8管脚接3.3V电源;9管脚经电容ClO接数字地，9管脚经电阻R6连接在有源晶振芯片Xl的3管脚，有源晶振芯片Xl的4管脚经磁珠Ll接3.3V电源;Ul的11管脚经电容C7接模拟地，Ul的11管脚经电解电容C6接模拟地;Ul的17管脚、18管脚、19管脚、20管脚分别与U2的20管脚、16管脚、23管脚、21管脚连接，Ul的21管脚、22管脚经 RS422接口（MAX3488芯片）与上位机10连接;Ul的32管脚经电阻Rl与双向二极管U8的3管脚连接，双向二极管U8的2管脚接数字地，双向二极管U8的1管脚接数字地。U2的1管脚经电解电容C12接模拟地，6管脚接3.3V电源，且6管脚经电解电容C13接数字地;9管脚经电容C14接模拟地，10管脚经电容C24接模拟地，16管脚经电阻R15接3.3V电源，17管脚接模拟地，18管脚经电阻Rl 1接模拟地，19管脚接3.3V电源，20管脚经电阻R31接3.3V电源，21管脚经电阻 Rl3接3.3V电源，23管脚经电阻Rl 2接3.3V电源，管脚24接模拟地，管脚25经电容C23接模拟地，27管脚经参考电容Cref接模拟地。

[0043] 电容式液位传感器30通过接口 P3与第一路引线电容干扰消除模块41、第二路引线电容干扰消除模块42和第三路引线电容干扰消除模块43连接。第一路引线电容干扰消除模块41 一方面用于接收电容式液位传感器30中AB电极2B输出的电容信号C2B (h);另一方面米用驱动电缆方式消除电容信号C2B (h)中的连接电缆的寄生电容干扰信号，得到AB电极2B产生的去干扰电容信号A2b (h)。所述连接电缆的寄生电容干扰信号是由AB电极2B与电路板之间的连接导线产生的。在本发明中，采用驱动电缆方式消除电容信号是借助了运算放大器 AD8602。

[0044] 第二路引线电容干扰消除模块42—方面用于接收电容式液位传感器30中BB电极 3A输出的电容信号C3 (h);另一方面采用驱动电缆方式消除电容信号C3 (h)中的连接电缆的寄生电容干扰信号，得到BB电极3A产生的去干扰电容信号A3 (h)。所述连接电缆的寄生电容干扰信号是由BB电极3A与电路板之间的连接导线产生的。

[0045] 第三路引线电容干扰消除模块43—方面用于接收电容式液位传感器30中CC电极 4A输出的电容信号C4 (h);另一方面采用驱动电缆方式消除电容信号C4 (h)中的连接电缆的寄生电容干扰信号，得到CC电极4A产生的去干扰电容信号A4 (h)。所述连接电缆的寄生电容干扰信号是由CC电极4A与电路板之间的连接导线产生的。

[0046] 在本发明中的引线电容干扰消除模块的电路连接(如图3所示)为：

[0047] 接口 P3的1管脚与运算放大器U9A的3管脚连接，2管脚与运算放大器U9A的2管脚连接。

[0048] 接口 P3的3管脚与运算放大器U9B的5管脚连接，4管脚与运算放大器U9B的6管脚连接。

[0049] 接口 P3的5管脚与运算放大器UlO的3管脚连接，6管脚与运算放大器UlO的2管脚连接。

[0050] 运算放大器U9A的1管脚与U2的28管脚连接，7管脚与U2的29管脚连接，且1管脚与2 管脚连接，且6管脚与7管脚连接，4管脚接模拟地，8管脚接3.3V电源，且经电容C44接模拟地。

[0051] 运算放大器UlO的1管脚与U2的30管脚连接，且1管脚与2管脚连接，4管脚接模拟地，8管脚接3.3V电源，且经电容C45接模拟地。

[0052] 在本发明中，电路板40采用了基于集成芯片的电容测量方法，可以对三路电容进行独立、快速准确测量之外;此外，该测量电路还可以消除连接导线寄生电容的干扰。在测量时，下端补偿电容在测量时务必完全浸没在测量介质中，上端补偿电容在测量时需要完全暴露于待测环境下的空气中。将公共电极接地，测量电路对三个电容进行测量。测量电路所选择的电容测量集成芯片在接地模式下，可同时对三路电容信号进行测量，电路简单且测量快速准确。三路电容信号输入给测量芯片之前，需要先经过消除引线寄生电容干扰电路，测量在不同液位下传感器三段电容的输出值，结合补偿运算公式对传感器进行标定校准，标定校准后，便可实际测量待测液体的液位高度。

[0053] 参见图4、图4A、图4B所示，本发明设计的电容式液位传感器30的结构如下：

[0054] 电容式液位传感器30包括有测量电容组件2、第一补偿电容组件3、第二补偿电容组件4、底座5、安装座8、法兰7、第一堵头9A、第二堵头9B、轴套9C、盖板1和航空卡头6。其中，第一补偿电容组件3与第二补偿电容组件4的结构相同。

[0055] 测量电容组件2

[0056] 参见图4、图4A、图4B所示，测量电容组件2由AA电极2A和AB电极2B组成，AA电极2A 与AB电极2B的长度相同，AB电极2B套接在AA电极2A内，且保持同轴。

[0057] AA电极2A为空心圆柱结构，AA电极2A的上端设有减重沉头孔2A1，AA电极2A的下端设有AA通孔2A2,该AA通孔2A2用于销钉51穿过。

[0058] AB电极2B为空心圆柱结构。

[0059] 在本发明中，AA电极2A、AB电极2B、BB电极3A和CC电极4A选用金属材料加工，如铝。

[0060] 在本发明中，如图11所示，AA电极2A与AB电极2B同轴安装，且AA电极2A的内壁与AB 电极2B的个壁之间有一介质流动腔2C。为了方便燃油介质的流动，以及初始电容值Cempty不至于太小，所述的介质流动腔2C的间隔记为d，d = r，r表示AB电极2B的内半径。间隔是指同轴安装的AA电极2A的内壁与AB电极2B的外壁之间距离。

[0061] 在本发明中，采用相同长度的AA电极2A与AB电极2B的结构设计，有利于根据实际使用需求，更改电极长度。

[0062] 第一补偿电容组件3

[0063] 参见图4、图4A、图4B所示，第一补偿电容组件3由BB电极3A、A连接件3B和B连接件 3C组成，A连接件3B和B连接件3C的结构相同。

[0064] A连接件3B和B连接件3C套接在AA电极2A上端的外壁上，A连接件3B置于BB电极3A 的上端，B连接件3C置于BB电极3A的下端，通过在BB电极3A的两个凸耳上安装螺钉螺母，实现将BB电极3A、A连接件3B和B连接件3C固定安装在AA电极2A上端的外壁。

[0065] 参见图5所示，BB电极3A为带有开口 3A1的圆环结构，在所述开口 3A1的两侧分别设有凸耳3A2,凸耳3A2上设有BB通孔3A3。通过在凸耳3A2的BB通孔3A3内放置螺钉，然后在螺钉上螺纹连接上螺母，在螺母向凸耳靠近来缩小所述开口 3A1的开度，从而实现将设置在BB 电极3A上端的A连接件3B、下端的B连接件3C固定在AA电极2A上端的外壁上。

[0066] 参见图5A所示，A连接件3B为中空结构，A连接件3B的一端为圆环体3B1，A连接件3B 的另一端为间隔分布均匀的凸齿3B2,凸齿3B2与圆环体3B1的接触处为限位端面3B3。所述凸齿3B2用于套接BB电极3A的一端。在本发明中，与所述圆环体3B1相比较薄的凸齿3B2结构设计，有利于实现BB电极3A、A连接件3B和B连接件3C与AA电极2A外壁的固定。

[0067] 第二补偿电容组件4

[0068] 参见图4、图4A、图4B所示，第二补偿电容组件4由CC电极4A、C连接件4B和D连接件 4C组成，A连接件3B、B连接件3C、C连接件4B和D连接件4C的结构相同。

[0069] C连接件4B和D连接件4C套接在AA电极2A下端的外壁上，C连接件4B置于CC电极4A 的上端，D连接件4C置于CC电极4A的下端，通过在CC电极4A的两个凸耳上安装螺钉螺母，实现将CC电极4A、C连接件4B和D连接件4C固定安装在AA电极2A下端的外壁。

[0070] A连接件3B、B连接件3C、C连接件4B和D连接件4C采用不导电材料加工，如聚四氟乙烯、橡胶、PVC等。结构相同的四个连接件的一端设计为锯齿形，以减少充斥在内外电极之间的连接件的体积。

[0071] 参见图4A、图11所示，AA电极2A、AB电极2B、BB电极3A和CC电极4A同轴安装，且AB电极2B的半径记为r，AA电极2A的内壁与AB电极2B的外壁间距记为d (d = r)，AA电极2A的外壁

与BB电极3A的外壁间距记为

[0072] 底座 5

[0073] 参见图4、图4A、图4B、图6、图6A所示，底座5的一端是上环体5A，底座5的另一端是下环体5B，上环体5A与下环体5B之间是内凹环体5C，内凹环体5C上设有螺纹孔5C1，该螺纹孔5C1用于销钉51穿过;底座5的中部设有电极支撑圆柱5E，电极支撑圆柱5E与上环体5A的内壁之间是内环腔5D，电极支撑圆柱5E的中心是A沉头通孔5E1;下环体5B的端面上设有凹凸槽，下环体5B的中部设有B沉头通孔5B1。

[0074] A沉头通孔5E1、B沉头通孔5B1用于介质流过。

[0075] 在本发明中，电极支撑圆柱5E的外壁与AB电极2B的内壁接触，即AB电极2B的下端套接在电极支撑圆柱5E上。

[0076] 法兰 7

[0077] 参见图4、图4A、图4B、图7、图7A、图7B所示，法兰7上设有上安装环体7A、下安装环体7B和法兰盘体7C。

[0078] 上安装环体7A的中部为空腔7A1，空腔7A1内设有凸台7A2和安装板7A5，凸台7A2上安装有用于支撑电路板40的凸圆柱7A3;安装板7A5上设有CA通孔7A6、CB通孔7A7，CA通孔 7A6用于安装钉81穿过，CB通孔7A7用于导线、电缆穿过，安装板7A5上安装有压板82,通过安装钉81实现法兰7与压板82、安装座8、第一堵头9A和第二堵头9B之间的固定;上安装环体7A 的外环上设有平切板面7A4,平切板面7A4上用于安装航空卡头6。

[0079] 下安装环体7B的中部为空腔7B1，空腔7B1内用于放置安装座8;下安装环体7B的环体上设有减重孔7B2。

[0080] 法兰盘体7C的一端面上设有多个沉头通孔7C1、CC通孔7C2,沉头通孔7C1或者CC通孔7C2用于螺钉通过，通过后的螺钉实现将本发明设计的电容式液位传感器与油箱结构件的安装;法兰盘7C的另一端面上设有多个沉头盲孔7C3,沉头盲孔7C3用于实现法兰7的减重。

[0081] 在图7B所示中，盖板1与法兰7的上安装环体7A之间安装有E密封圈1A，盖板1通过螺钉IB固定在法兰7的上安装环体7A上。

[0082] 上安装环体7A的空腔7A1内安装有电路板40、压板82,电路板40通过电路板安装钉40A与凸台7A2上的凸圆柱7A3配合，实现电路板40与法兰7的固定。

[0083] 下安装环体7B的空腔7B1内安装有安装座8、第一堵头9A和第二堵头9B，安装座8与安装板7A5之间设置有A密封圈83,安装座8的外环腔8C与第一堵头9A之间设置有B密封圈91 和C密封圈92,安装座8的内环腔8D与第二堵头9B之间设置有D密封圈93。

[0084] 通过安装钉81将法兰7的安装板7A5与压板82、安装座8、第一堵头9A和第二堵头9B 固定，第一堵头9A置于安装座8的外环腔8C中，第二堵头9B置于安装座8的内环腔8D中；安装座8套接在轴套9C上，轴套9C安装在AA电极2A上，AA电极2A的上端内壁与第一堵头9A的外壁连接，AB电极2B的上端内壁与第二堵头9B的外壁连接。

[0085] 安装座8

[0086] 参见图4、图4A、图4B、图7B、图8、图8A所示，安装座8的底板8A上设有CF通孔8A1和 CG通孔8A2，CF通孔8A1用于安装钉81穿过，CG通孔8A2用于导线、电缆穿过;安装座8的环体 8B上设有开口椭圆孔8B1、减重孔8B2，开口椭圆孔8B1通过开口的缩小来实现夹紧器件；安装座8的内部设有外环腔8C和内环腔8D，外环腔8C用于放置AA电极2A的上端，内环腔8D用于放置AB电极2B的上端。

[0087] 安装座8的底板8A与法兰7的底板7A5通过安装钉81固定。

[0088] 第一堵头9A

[0089] 参见图4、图4A、图4B、图7B、图9所示，第一堵头9A上设有C圆柱段9A1、凸齿段9A2和 B收缩段9A3，B收缩段9A3设置在C圆柱段9A1与凸齿段9A2之间，凸齿段9A2上间隔分布设有凸齿9A21和凹槽9A22。凸齿段9A2用于套接AA电极2A的上端，即凸齿段9A2的外壁与AA电极 2A上端的内壁套接。C圆柱段9A1的端面上设有B螺纹盲孔9A11，B螺纹盲孔9A11用于放置安装钉81。通过安装钉81实现将第一堵头9A与安装座82、法兰7的固定。

[0090] 在本发明中。第一堵头9A材质为金属，为了防止AA电极2A的上端从第一堵头9A的凸齿段9A2上滑落，AA电极2A的上端与第一堵头9A的凸齿段9A2为焊接在一起。

[0091] 第二堵头9B

[0092] 参见图4、图4A、图4B、图7B、图10、图IOA所示，第二堵头9B上设有A圆柱段9B1、B圆柱段9B2和A收缩段9B3，A收缩段9B3设置在A圆柱段9B1与B圆柱段9B2之间，第二堵头9B的中部是中心通孔9B4，中心通孔9B4用于导线、电缆穿过，A圆柱段9B1上设有A螺纹盲孔9B11，A 螺纹盲孔9B11用于放置安装钉81。通过安装钉81实现将第二堵头9B与安装座82、法兰7的固定。

[0093] 在本发明中，第二堵头9B材质为金属，为了防止AB电极2B的上端从第二堵头9B的B 圆柱段9B2上滑落，AB电极2B的上端与第二堵头9B的B圆柱段9B2为焊接在一起。

[0094] 本发明设计的自补偿式电容传感器硬件结构中有三个电容，即上端补偿电容、下端补偿电容和中间测量电容。中间测量电容为同轴布局AA电极2A、AB电极2B构成。上端补偿式电容（即第一补偿电容组件3)为同轴布局的BB电极3A、A连接件3B和B连接件3C构成。下端补偿式电容（即第二补偿电容组件4)为同轴布局的CC电极4A、C连接件4B和D连接件4C构成。

[0095] 参见图11、图IlA所示，应用本发明设计的自补偿式电容传感器在实际测量中，需要测得测量电容的输出值C2 (即AA电极2A的电容值），上端补偿电容值C3 (S卩BB电极3A的电容值），下端补偿电容值C4 (S卩CC电极4A的电容值）。在介质流动腔2C中没有燃油介质时的电容值，记为0»1^(^4电极24的长度记为1^、88电极34的电极的长度记为1^(^4电极24^8电极 2B、BB电极3A和CC电极4A的壁厚记为η，ΑΒ电极2B的半径记为r，eQ为真空的介电常数，“为空气的相对介电常数，为被测液体的相对介电常数。h是被测液体的高度。

[0100]在本发明中，测量电容与补偿电容之间的电容关系为

在设计好传感器后，当然结构尺寸也确〇. 定好，即

Lbb均为定值。液面高度h可由测量电容的输出值C2,上端补偿电容值C3，下端补偿电容值C4和Ce3mpty来表达。但当介质流动腔2C中有燃油介质时，(^_^与(：2不能同时被测量得到，因此用C3来表达Ce3mpty。

，这样一来，得到了测量电容的输出值C2，上端补偿电容值C3,下端补偿电容值C4,便可以求得液位高度h。通过两端电极的补偿作用，消除掉了由于温度或介质属性变化带来的影响。两端补偿电容的长度较小，不会对测量量程造成较大影响。在实际生产中，为了增加可测量范围，还可以将下端补偿电极的外电极的下边缘与测量电极外电极的下边缘放置在同一水平位置上，只需要改变连接件的机械结构设计即可。

[0101]本发明设计的自补偿式电容传感器硬件结构中测量电容和上、下端补偿电容的连接关系为，BB电极和CC电极通过连接件套接在AA电极上，连接件采用不导电材料，通过将连接件套接在AA电极上，以保证电极之间的绝缘和同轴安装。

Claims

I. 一种具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，该系统包括有测量电路板(40)、上位机(10);其特征在于:还包括有电容式液位传感器(30)、电容-液位转换模块 (20)、第一路引线电容干扰消除模块(41)、第二路引线电容干扰消除模块(42)、第三路引线电容干扰消除模块(43); 电容-液位转换模块(20)第一方面用于接收上位机（10)输出的启动测量指令F;第二方面用于接收第一路去干扰电容信号A2B(h)、第二路去干扰电容信号A3 (h)、第三路去干扰电容信号A4(h)、接地电容信号C2A(h);第三方面将所述的去干扰电容信号A2B(h)、A3(h)、A4(h) 分别与接地电容信号C2A (h)组成三路完整电容信号，即第一路完整电容信号為>(/〇、第二路完整电容信号為〜(¾、第三路完整电容信号4〜(A); 电容式液位传感器(30)通过接口P3与第一路引线电容干扰消除模块(41)、第二路引线电容干扰消除模块(42)和第三路引线电容干扰消除模块(43)连接；第一路引线电容干扰消除模块(41) 一方面用于接收电容式液位传感器(30)中AB电极 (2B)输出的电容信号C2B (h);另一方面采用驱动电缆方式消除电容信号C2B (h)中的连接电缆的寄生电容干扰信号，得到AB电极(2B)产生的去干扰电容信号A2b (h);所述连接电缆的寄生电容干扰信号是由AB电极(2B)与电路板之间的连接导线产生的；第二路引线电容干扰消除模块(42) —方面用于接收电容式液位传感器(30)中BB电极 (3A)输出的电容信号C3 (h);另一方面采用驱动电缆方式消除电容信号C3 (h)中的连接电缆的寄生电容干扰信号，得到BB电极(3A)产生的去干扰电容信号A3 (h);所述连接电缆的寄生电容干扰信号是由BB电极(3A)与电路板之间的连接导线产生的；第三路引线电容干扰消除模块(43) —方面用于接收电容式液位传感器(30)中CC电极 (4A)输出的电容信号C4 (h);另一方面采用驱动电缆方式消除电容信号C4 (h)中的连接电缆的寄生电容干扰信号，得到CC电极(4A)产生的去干扰电容信号A4 (h);所述连接电缆的寄生电容干扰信号是由CC电极(4A)与电路板之间的连接导线产生的；电容式液位传感器(30)包括有测量电容组件(2)、第一补偿电容组件(3)、第二补偿电容组件(4)、底座(5)、安装座(8)、法兰(7)、第一堵头9A、第二堵头(9B)、轴套(9C)、盖板（1) 和航空卡头(6);其中，第一补偿电容组件⑶与第二补偿电容组件⑷的结构相同；测量电容组件（2)由AA电极（2A)和AB电极（2B)组成，AA电极（2A)与AB电极（2B)的长度相同，AB电极(2B)套接在AA电极(2A)内，且保持同轴； AA电极(2A)为空心圆柱结构，AB电极(2B)为空心圆柱结构;AA电极(2A)的下端设有供销钉(51)穿过的AA通孔(2A2) ; AA电极(2A)与AB电极(2B)同轴安装，且AA电极(2A)的内壁与 AB电极(2B)的个壁之间有一介质流动腔(2C); 第一补偿电容组件(3)由BB电极(3A)、A连接件(3B)和B连接件(3C)组成，A连接件(3B) 和B连接件(3C)的结构相同;A连接件(3B)和B连接件(3C)套接在AA电极(2A)上端的外壁上， A连接件(3B)置于BB电极(3A)的上端，B连接件（3C)置于BB电极(3A)的下端，通过在BB电极 (3A)的两个凸耳上安装螺钉螺母，实现将BB电极(3A)、A连接件(3B)和B连接件(3C)固定安装在AA电极(2A)上端的外壁； A连接件(3B)为中空结构，A连接件(3B)的一端为圆环体(3B1)，A连接件(3B)的另一端为间隔分布均匀的凸齿(3B2)，凸齿(3B2)与圆环体(3B1)的接触处为限位端面(3B3);所述凸齿(3B2)用于套接BB电极(3A)的一端；第二补偿电容组件⑷由CC电极(4A)、C连接件(4B)和D连接件(4C)组成，A连接件(3B)、 B连接件(3C)、C连接件(4B)和D连接件(4C)的结构相同;C连接件(4B)和D连接件(4C)套接在 AA电极(2A)下端的外壁上，C连接件(4B)置于CC电极(4A)的上端，D连接件(4C)置于CC电极 (4A)的下端，通过在CC电极(4A)的两个凸耳上安装螺钉螺母，实现将CC电极(4A)、C连接件 (4B)和D连接件(4C)固定安装在AA电极(2A)下端的外壁；底座⑶的一端是上环体（5A)，底座（5)的另一端是下环体(5B)，上环体(5A)与下环体 (5B)之间是内凹环体(5C)，内凹环体(5C)上设有供销钉(51)穿过的螺纹孔(5C1)，底座（5) 的中部设有电极支撑圆柱（5E)，电极支撑圆柱（5E)与上环体（5A)的内壁之间是内环腔 (5D)，电极支撑圆柱(5E)的中心是A沉头通孔(5E1);下环体(5B)的端面上设有凹凸槽，下环体(5B)的中部设有B沉头通孔(5B1) ;A沉头通孔(5E1)、B沉头通孔(5B1)用于介质流过;AB电极(2B)的下端套接在电极支撑圆柱(5E)上；法兰⑵上设有上安装环体(7A)、下安装环体(7B)和法兰盘体(7C); 上安装环体(7A)的中部为空腔(7A1)，空腔(7A1)内设有凸台（7A2)和安装板(7A5)，凸台（7A2)上安装有用于支撑电路板(40)的凸圆柱(7A3);安装板(7A5)上设有供安装钉(81) 穿过的CA通孔(7A6)、供导线、电缆穿过的CB通孔(7A7)，安装板(7A5)上安装有压板(82)，通过安装钉(81)实现法兰⑵与压板(82)、安装座(8)、第一堵头(9A)和第二堵头(9B)之间的固定;上安装环体(7A)的外环上设有供安装航空卡头(6)的平切板面(7A4); 下安装环体(7B)的中部为放置安装座⑶的空腔(7B1)，法兰盘体(7C)的一端面上设有多个沉头通孔(7C1)、CC通孔(7C2)，通过沉头通孔(7C1)或者CC通孔(7C2)与螺钉配合实现电容式液位传感器与油箱结构件的安装；盖板⑴与法兰⑵的上安装环体(7A)之间安装有E密封圈（IA)，盖板⑴通过螺钉（IB) 固定在法兰(7)的上安装环体(7A)上；上安装环体(7A)的空腔(7A1)内安装有电路板(40)、压板(82)，电路板(40)通过电路板安装钉(40A)与凸台（7A2)上的凸圆柱(7A3)配合，实现电路板(40)与法兰(7)的固定；下安装环体(7B)的空腔(7B1)内安装有安装座(8)、第一堵头(9A)和第二堵头(9B)，安装座⑶与安装板(7A5)之间设置有A密封圈（83)，安装座⑶的外环腔(8C)与第一堵头(9A) 之间设置有B密封圈（91)和C密封圈（92)，安装座(8)的内环腔(8D)与第二堵头(9B)之间设置有D密封圈(93); 通过安装钉(81)将法兰⑵的安装板(7A5)与压板(82)、安装座(8)、第一堵头(9A)和第二堵头(9B)固定，第一堵头(9A)置于安装座⑶的外环腔(8C)中，第二堵头(9B)置于安装座 ⑶的内环腔(8D)中；安装座⑶套接在轴套(9C)上，轴套(9C)安装在AA电极(2A)上，AA电极 (2A)的上端内壁与第一堵头(9A)的外壁连接，AB电极(2B)的上端内壁与第二堵头(9B)的外壁连接；安装座⑶的底板(8A)上设有供安装钉(81)穿过的CF通孔(8A1)和供导线、电缆穿过的 CG通孔(8A2)，安装座⑶的环体(8B)上设有开口椭圆孔(8B1)、减重孔(8B2)，安装座⑶的内部设有用于放置AA电极（2A)上端的外环腔（8C)和用于放置AB电极（2B)上端的内环腔 (8D); 第一堵头(9A)上设有C圆柱段(9A1)、凸齿段(9A2)和B收缩段(9A3)，B收缩段(9A3)设置在C圆柱段（9A1)与凸齿段（9A2)之间，凸齿段（9A2)上间隔分布设有凸齿（9A21)和凹槽 (9A22);凸齿段(9A2)用于套接AA电极(2A)的上端，即凸齿段(9A2)的外壁与AA电极(2A)上端的内壁套接;C圆柱段(9A1)的端面上设有用于放置安装钉(81)的B螺纹盲孔(9A11); 第二堵头(9B)上设有A圆柱段(9B1)、B圆柱段(9B2)和A收缩段(9B3)，A收缩段(9B3)设置在A圆柱段(9B1)与B圆柱段(9B2)之间，第二堵头(9B)的中部是中心通孔(9B4)，中心通孔 (9B4)用于导线、电缆穿过，A圆柱段(9B1)上设有用于放置安装钉(81)的A螺纹盲孔(9B11)。
2. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其特征在于:AA电极(2A)、AB电极(2B)、BB电极(3A)和CC电极(4A)选用金属材料加工。
3. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其特征在于:AA电极(2A)、AB电极(2B)、BB电极(3A)和CC电极(4A)同轴安装，且AB电极(2B)的半径记为r，AA电极(2A)的内壁与AB电极(2B)的外壁间距记为d，且d = r，AA电极(2A)的外壁与BB电极(3A)的外壁间距记为w，且
4. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其特征在于:A连接件(3B)、B连接件(3C)、C连接件(4B)和D连接件(4C)采用不导电材料加工。
5. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其特征在于:第一堵头(9A)、第二堵头(9B)材质为金属，为了防止AA电极(2A)的上端从第一堵头(9A)的凸齿段(9A2)上滑落，AA电极(2A)的上端与第一堵头(9A)的凸齿段(9A2)为焊接在一起;为了防止AB电极(2B)的上端从第二堵头(9B)的B圆柱段(9B2)上滑落，AB电极(2B)的上端与第二堵头(9B)的B圆柱段(9B2)为焊接在一起。
6. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其特征在于：电容-液位转换模块20的电路连接为:单片机Ul的1管脚接3.3V电源，且1管脚经电容C2接数字地，2管脚经电阻R4与双向二极管U7的3管脚连接，双向二极管U7的2管脚接数字地，双向二极管U7的1管脚接数字地;Ul的1管脚与2管脚之间串联有电阻R2、电阻R3和电阻R4，电阻R2与电阻R3之间连接复位电路;复位电路经电容Cl接数字地，复位开关S1的一端接数字地，复位开关Sl的另一端经二极管D4接3.3V电源，复位开关Sl的另一端经电阻R7接 3.3V电源，复位开关Sl的另一端经电容C8接数字地，复位开关Sl的另一端经电容C9接数字地;Ul的6管脚接模拟地，7管脚经电解电容C3接模拟地，8管脚经电容C4接模拟地，8管脚经电容C5接模拟地，8管脚接3.3V电源;9管脚经电容ClO接数字地，9管脚经电阻R6连接在有源晶振芯片Xl的3管脚，有源晶振芯片Xl的4管脚经磁珠Ll接3.3V电源;Ul的11管脚经电容C7 接模拟地，Ul的11管脚经电解电容C6接模拟地;Ul的17管脚、18管脚、19管脚、20管脚分别与 U2的20管脚、16管脚、23管脚、21管脚连接，Ul的21管脚、22管脚经MAX3488芯片的RS422接口与上位机10连接;Ul的32管脚经电阻Rl与双向二极管U8的3管脚连接，双向二极管U8的2管脚接数字地，双向二极管U8的1管脚接数字地;U2的1管脚经电解电容Cl 2接模拟地，6管脚接 3.3V电源，且6管脚经电解电容C13接数字地;9管脚经电容C14接模拟地，10管脚经电容C24 接模拟地，16管脚经电阻R15接3.3V电源，17管脚接模拟地，18管脚经电阻Rll接模拟地，19 管脚接3.3V电源，20管脚经电阻R31接3.3V电源，21管脚经电阻R13接3.3V电源，23管脚经电阻Rl 2接3.3V电源，管脚24接模拟地，管脚25经电容C23接模拟地，27管脚经参考电容Cref接模拟地。
7. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其特征在于：引线电容干扰消除模块的电路连接为:接口 P3的1管脚与运算放大器U9A的3管脚连接，2管脚与运算放大器U9A的2管脚连接;接口 P3的3管脚与运算放大器U9B的5管脚连接， 4管脚与运算放大器U9B的6管脚连接;接口 P3的5管脚与运算放大器UlO的3管脚连接，6管脚与运算放大器UlO的2管脚连接;运算放大器U9A的1管脚与U2的28管脚连接，7管脚与U2的29 管脚连接，且1管脚与2管脚连接，且6管脚与7管脚连接，4管脚接模拟地，8管脚接3.3V电源，且经电容C44接模拟地;运算放大器UlO的1管脚与U2的30管脚连接，且1管脚与2管脚连接，4 管脚接模拟地，8管脚接3.3V电源，且经电容C45接模拟地。
8. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其特征在于：测量电容组件（2)与补偿电容组件（3、4)之间的电容关系为

h为液面高度，Lbb为BB电极(3A)的电极的长度，(：2为测量电容的输出值，C3为上端补偿电容值，C4为下端补偿电容值，Ce3mpty为在介质流动腔(2C)中没有燃油介质时的电容值，r为AB电极(2B)的半径，d为AA电极(2A)的内壁与AB电极(2B)的外壁间距，w为AA电极(2A)的外壁与 BB电极(3A)的外壁间距，rdAA电极(2A)、AB电极(2B)、BB电极(3A)和CC电极(4A)的壁厚。