CN109540263A - 一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，包括测量筒，所述测量筒的中心线设有钢丝导轨，所述钢丝导轨上设有与钢丝导轨可相对滑动的浮子，所述测量筒的侧壁上设有若干流通孔、标准块，测量筒的底部设有用以测距的超声波换能器。本发明在测量筒的中心线设置钢丝导轨，钢丝导轨上设置与钢丝导轨可相对滑动的浮子，且测量筒的底部设有用以测距的超声波换能器，实现高精度测量液位测量，且具备抗飞机倾斜、振动和加速度影响；本发明中测量筒使用轻薄的航空铝管或碳纤维管，且标准块、上盖和安装座使用航空铝，使得本装置满足机载设备对重量的严格限制。

Description

一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置

技术领域

本发明涉及油箱液位测量领域，具体涉及一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置。

背景技术

目前国内机载油箱液位测量装置普遍采用电容式液位传感器。电容式液位传感器的优点是具有抗倾斜的优点，但抗电磁干扰和抗温度变化的能力差，且航油系列中的不同油品由于介电常数有差别，将导致测量误差。目前解决的办法是加装温度传感器和根据不同油品介电常数数据予以修正。

国外有一些文献报道了超声波原理的液位测量装置。US2006117847A1 超声波换能器安置在测量筒上方， 一圆片浮子跟踪油面的变化。用超声波发射和反射的时间测量液位。由于浮子端面没有自由度的限制，油面波动和倾斜时测量将失效，故该装置只能用于地面。另外，由于超声波换能器安置在测量筒上方和空气接触，由于空气中含有水分子，温度接近和低于零度时，超声波换能器表面将结霜， 使换能器失效。且由于该专利没有在轻型和消杂波设计，难以应用到机载场合。US5319973A的技术方案是和本专利较为接近。它采用了圆形柱状浮子的外壁和测量筒的内壁导向。这种导向结构对接触面的光洁度加工精度要求很高，且这种导向结构摩擦系数较大。特别是当有晃动和有加速度时，液位跟踪能力较差。 国外某些机种已经采用了超声波原理的液位测量装置，但没有采用测量线稳定器结构，造成油面有大倾角时传感器无信号输出而失效。目前国外超声波原理液位测量装置主要用于倾斜角较小和非水平姿态持续时间较短的大型客机。

国内也有一些文献报道了超声波原理的液位测量装置。例如：（1）CN200910164286。该专利技术方案和本专利最为接近。该专利没有测量筒消杂波设计，抗杂波干扰和抗温度变化能力差。另外，该专利的钢丝下端采用安装架方案,使低油位测量盲区较大。 （2）CN1415943A。该专利采用外浮子+内浮子的组合跟踪液位，由于内外浮上采用磁铁作为位移传递,且内筒中需灌满超声波传播介质,使其在重量上不能满足机载设备对重量的严格限制；（3）CN2070900U。该专利采用体积较大的浮子跟踪液位，再通过钢丝把液位变化传递到外部的光码盘。在重量上不能满足机载设备对重量的严格限制；且由于浮子没有导向的限制，只能用于固定于地面。（4）CN2290037Y采用了2根或2根以上的钢丝导向的浮子。但这种浮子结构会产生较大的低位油面测量盲区，且重量上也不是最优结构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，该装置能够对大波动机载油位实施稳定、可靠的高精度测量，同时还能满足机载设备对重量，抗电磁干扰性能的严格要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，包括测量筒，所述测量筒的中心线设有钢丝导轨，所述钢丝导轨上设有与钢丝导轨可相对滑动的浮子，所述测量筒的侧壁上设有若干流通孔、标准块，测量筒的底部设有用以测距的超声波换能器。在测量筒内的中心线（测量线）上安装有一钢丝作为稳定的定导轨，用于稳定液面，薄壁的不锈钢浮子作为动导轨安装在钢丝上，用于反射超声波，准确测量油面高度。

优选的，所述钢丝导轨与浮子均采用金属不锈钢材料，且所述浮子的总比重为0.35。通过将钢丝导轨与浮子均采用金属不锈钢材料，可以消除静电摩擦电荷的产生，杜绝电火花的产生从而保证安全，同时，将浮子的总比重设置为0.35，能满足机载设备重量的严格限制；采用本设计，与电容式传感器测量部件相比，重量减轻了60-80%，能满足机载设备对抗腐蚀和重量的严格限制。

优选的，所述流通孔将测量筒内部空间与油箱连通，测量筒侧壁的中部与下部分别至少设有一个所述流通孔。流通孔用以油箱内的油进入测量筒内，实现机载油箱内液位高度的测量。

优选的，所述标准块的底面设置成平面，其顶面设置成圆柱面，所述圆柱面上涂有用以耐煤油和声波反射系数小的软质有机硅。数个标准块，用于减少测量误差, 以及消除温度变化, 消除不同油品引起的声速变化以及标准块背面产生的二次干扰波；在标准块背面涂有耐煤油的软质胶,用于衰减入射到管壁和标准块背面的干扰声波。

优选的，所述超声波换能器包括依次连接的超声波压电片、激励及接收电路、限压及滤波、精密程控放大电路、高速AD转换、高速数据流存储、单片机、通讯模块；所述超声波压电片安装在测量筒底部，所述单片机还连接有用以传递飞机加速度及飞行姿态数据信号的加速度及姿态模块。所述超声波压电片设有一用以实现钢丝导轨穿越的中心孔。有中心孔的超声波压电片安装在测量筒底部。该中心孔用于实现钢丝导轨的穿越, 使钢丝导轨能在全测量范围安装在测量中心线上。超声波压电片安装在测量筒底部的这种浸入式设计，是基于空气中的水分冰点（结霜点）为0℃, 航空煤油、航空汽油及煤油的凝固点为-65℃，可以有效地避免超声波换能器表面结霜引起的失效。另外，由于航油的密度远大于空气，航油的超声波传导性能远优于空气，超声波换能器安装在测量筒底端被测液面下，可以得到最佳的超声波传导性能。

优选的，还包括用以支撑测量筒、超声波压电片的安装座。

优选的，所述测量筒的外径设置为Φ33mm，内径为Φ30mm，材质选用航空铝或碳纤维管；所述测量筒的内壁上还涂有耐煤油和声波反射系数极小的软质有机硅，所述软质有机硅固化后厚度为0.1mm。测量筒的外径设置为Φ33mm，内径为Φ30mm，材质选用航空铝是为了严格控制机载设备的重量。测量筒的内壁上还涂有耐煤油和声波反射系数极小的软质有机硅，用于衰减入射到管壁和标准块背面的干扰声波。

优选的，所述浮子壁厚为0.1mm，浮子外径为Φ20mm，浮子高度为10mm，浮子中心孔直径为Φ0.4mm。

优选的，所述钢丝导轨的直径为Φ0.3mm。

本发明的有益效果是：

1.本发明在测量筒的中心线设置钢丝导轨，钢丝导轨上设置与钢丝导轨可相对滑动的浮子，且测量筒的底部设有用以测距的超声波换能器，实现高精度测量液位测量，且具备抗飞机倾斜、振动和加速度影响；

2.本发明还设置有若干标准块，减少了测量误差, 以及消除温度变化, 消除不同油品引起的声速变化以及标准块背面产生的二次干扰波；

3.本发明在测量筒内壁和标准块背面涂有耐煤油的软质胶,用于衰减入射到管壁和标准块背面的干扰声波，具备抗电磁和杂波干扰的优势；

4.本发明中测量筒使用轻薄的航空铝管或碳纤维管，且标准块、上盖和安装座使用航空铝，使得本装置满足机载设备对重量的严格限制。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中浮子的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例

以测量筒的量程为500mm为例

如图1所示，一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，包括测量筒7，测量筒7的外径为Φ33mm，内径为Φ30mm，材料为航空铝，满足机载设备对重量的严格限制。测量筒7的内壁上还涂有耐煤油和声波反射系数极小的软质有机硅，所述软质有机硅固化后厚度为0.1mm，实现衰减入射到管壁和标准块背面的干扰声波。测量筒7的中心线设有钢丝导轨6，所述钢丝导轨6上设有与钢丝导轨6可相对滑动的浮子4，钢丝导轨6直径为Φ0.3mm，且表面平顺、光滑、无缺陷，钢丝导轨6与浮子4均采用金属不锈钢材料，且所述浮子4的总比重为0.35（煤油比重0.7）；在测量筒7内的中心线上安装有一钢丝作为稳定的定导轨，用于稳定液面5，薄壁的不锈钢浮子作为动导轨安装在钢丝导轨6上，用于反射超声波，准确测量油面高度。

具体来说，浮子4壁厚为0.1mm，浮子4外径为Φ20mm，浮子4高度为10mm，浮子4中心孔直径为Φ0.4mm。满足机载设备对重量的严格限制。

测量筒7的壁上轴向方向每隔100mm加工出使测量筒7内液面与机箱内液面平衡的直径为Φ3mm的流通孔8，可以根据油箱大小和其内液位变化大小，调节流通孔8的个数，当油箱小且其内液位变化大，为保证测量筒7内液面与机箱内液面快速平衡，则增加流通孔8的个数，反之，当油箱大且其内液位变化小，则可以适当少设流通孔8的个数。

所述测量筒7壁上还设有若干标准块3，材料为航空铝或碳纤维管，标准块3的底面设置成平面，超声波反射面即平面需较高光洁度，其顶面设置成圆柱面，所述圆柱面上涂有用以耐煤油和声波反射系数小的软质有机硅。标准块3的底面设置成平面，其顶面设置成圆柱面，可消除由于超声波换能片发出的超声波有一定的扩散角，当声波到达液面时的反射波有一部分将到达标准块上方并随之反射到液位面，极易造成虚假的二次液面波信号。

数个标准块3的设置，消除了温度变化,不同油品引起的声速变化以及标准块背面产生的二次干扰波，提高了机载超声波液位传感器的可靠性和精度，其原理为：

当引入标准块3结构时，液位高度L的计算式为：

L=Ln（T / Tn）

式中Ln为第n个标准块的机械加工高度；T，Tn分别为液位面和第n个标准块的飞渡时间；

有上述式子可知：只需测得液位的飞渡时间T和第n个标准块的飞渡时间 Tn，根据上式可得与温度和不同的油品声速无关的液位。

具体来说，所述超声波换能器包括依次连接的超声波压电片9、激励及接收电路、限压及滤波、精密程控放大电路、高速AD转换、高速数据流存储、单片机、加速度及姿态模块、通讯模块；所述超声波压电片9安装在测量筒7底部，所述单片机还连接有加速度及姿态模块。通过超声波压电片9发出超声波，超声波遇到标准块3、浮子4时反射，将超声波反射回超声波压电片9，超声波信号经激励及接收电路、限压及滤波、精密程控放大电路、高速AD转换、高速数据流存储、单片机、通讯模块处理，最终转化成电子信号，从而得出第n个标准块3以及浮子4的飞渡时间，进而计算出液位高度L，在单片机上还连接有用以传递飞机加速度及飞行姿态数据信号的加速度及姿态模块，将飞机的加速度及飞行姿态等因素考虑进去，从而提高液位高度L的计算准确度。

具体来说，超声波压电片9设有一用以实现钢丝导轨6穿越的中心孔，孔径为Φ2mm，使钢丝导轨6能在超声波换能器全测量范围安装在测量中心线上，所述轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置还包括用以支撑测量筒7、超声波压电片9的安装座10。

进一步来说，本实施例还包括钢丝弹簧2，钢丝弹簧2的作用是对钢丝产生拉直的作用,从而保证测量线的直线度，钢丝弹簧2的拉力控制在19.6-21.56N。

本实施例中，测量筒7, 安装座10, 上盖1, 标准块3, 均采用航空铝，其中，测量筒7的总重量占本液位测量装置的85%，使得本实施例中轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置的总重量为245克。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，其特征在于：包括测量筒，所述测量筒的中心线设有钢丝导轨，所述钢丝导轨上设有与钢丝导轨可相对滑动的浮子，所述测量筒的侧壁上设有若干流通孔、标准块，测量筒的底部设有用以测距的超声波换能器。

2.根据权利要求1所述的一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，其特征在于：所述钢丝导轨与浮子均采用金属不锈钢材料，且所述浮子的总比重为0.35。

3.根据权利要求1所述的一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，其特征在于：所述流通孔将测量筒内部空间与油箱连通，测量筒侧壁的中部与下部分别至少设有一个所述流通孔。

4.根据权利要求3所述的一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，其特征在于：所述标准块的底面设置成平面，其顶面设置成圆柱面，所述圆柱面上涂有用以耐煤油和声波反射系数小的软质有机硅。

5.根据权利要求1所述的一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，其特征在于：所述超声波换能器包括依次连接的超声波压电片、激励及接收电路、限压及滤波、精密程控放大电路、高速AD转换、高速数据流存储、单片机、通讯模块；所述超声波压电片安装在测量筒底部，所述单片机还连接有用以传递飞机加速度及飞行姿态数据信号的加速度及姿态模块。

6.根据权利要求5所述的一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，其特征在于：所述超声波压电片设有一用以实现钢丝导轨穿越的中心孔。

7.根据权利要求1所述的一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，其特征在于：还包括用以支撑测量筒、超声波压电片的安装座。

8.根据权利要求1所述的一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，其特征在于：所述测量筒的外径设置为Φ33mm，内径为Φ30mm，材质选用航空铝或碳纤维管；所述测量筒的内壁上还涂有耐煤油和声波反射系数极小的软质有机硅，所述软质有机硅固化后厚度为0.1mm。

9.根据权利要求1或8所述的一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，其特征在于：所述浮子壁厚为0.1mm，浮子外径为Φ20mm，浮子高度为10mm，浮子中心孔直径为Φ0.4mm。

10.根据权利要求9所述的一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置，其特征在于：所述钢丝导轨的直径为Φ0.3mm。