飛機(jī)燃油液位測量方法綜述

李大成

【摘 要】長期以來，廣大工程技術(shù)與研究人員一直致力于提高飛機(jī)燃油系統(tǒng)的測量精度，研制出了許多基于機(jī)械、振動(dòng)、超聲波、電磁、電、光、輻射等原理的液位傳感器，本文主要對(duì)各種不同的燃油測量方法進(jìn)行介紹。

【關(guān)鍵詞】燃油；傳感器；測量

飛機(jī)油量測量系統(tǒng)是指在地面和飛行狀態(tài)下，連續(xù)測量和指示飛機(jī)可用燃油質(zhì)量的系統(tǒng)，它比普通情況下的油量測量更為復(fù)雜。首先由于飛機(jī)上空間十分寶貴，必須盡可能提高空間利用率，因此飛機(jī)上油箱的形狀都不太規(guī)則，必須通過較為復(fù)雜的計(jì)算將液位高度轉(zhuǎn)換成燃油體積；其次飛機(jī)在飛行過程中姿態(tài)經(jīng)常發(fā)生變化，從而引起油面的傾斜，給燃油體積的測量結(jié)果帶來誤差，因此必須進(jìn)行姿態(tài)誤差補(bǔ)償；再次燃油的密度受產(chǎn)地、溫度、壓力等因素影響，這些因素的變化會(huì)導(dǎo)致燃油體積發(fā)生變化，從而給燃油質(zhì)量的計(jì)算帶來誤差，因此必須進(jìn)行燃油密度補(bǔ)償。燃油系統(tǒng)先通過油位傳感器測量液位高度，再根據(jù)油箱的形狀參數(shù)和飛機(jī)飛行的姿態(tài)參數(shù)綜合計(jì)算出燃油的體積，最后再乘以燃油密度傳感器的測量結(jié)果從而得到燃油質(zhì)量。在以上過程中，燃油液位的精確測量是燃油量精確測量的先決條件，因而提高燃油液位傳感器的精度和性能對(duì)于提高飛機(jī)燃油測量系統(tǒng)的性能有著重要意義。

長期以來，廣大工程技術(shù)與研究人員一直致力于提高飛機(jī)燃油系統(tǒng)的測量精度，并對(duì)各種測量方法進(jìn)行了嘗試，研制出了許多基于機(jī)械、振動(dòng)、超聲波、電磁、電、光、輻射等原理的液位傳感器，但是由于飛機(jī)油量測量的復(fù)雜性、實(shí)現(xiàn)難度和制造成本等方面的因素，只有少數(shù)測量方法得到了應(yīng)用。

早期的飛機(jī)上使用浮子式傳感器進(jìn)行液位測量，而在有些比較簡陋的飛機(jī)上甚至只在起飛之前使用油尺測量油箱中的油量，在飛行過程中則依賴飛行員的經(jīng)驗(yàn)來判斷油箱中的剩余油量；二戰(zhàn)以后，飛機(jī)上大量采用電容式油量測量技術(shù)，并在最近二三十年間對(duì)電容式傳感器進(jìn)行數(shù)字化，提高了傳感器的性能及可靠性；近年來，國外航空界對(duì)超聲波式傳感器進(jìn)行研究，并將其用于飛機(jī)油量測量，但并沒有取得很好的效果，因此工程技術(shù)人員仍在尋求電容式傳感器的其他替代技術(shù)。下面將就飛機(jī)燃油液位測量技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢進(jìn)行簡要介紹。

1.油尺

在一些簡陋的飛機(jī)上，曾經(jīng)使用過油尺來檢測飛機(jī)在地面加油過程中以及起飛前的油量，這種測量方法是在其他測量方法失效時(shí)的唯一可信賴的測量方法。現(xiàn)在人們一般使用磁性浮子油尺，使用時(shí)，松開油尺的卡鎖機(jī)構(gòu)，使油尺在重力的作用下下墜，當(dāng)油尺在浮力的作用下停止時(shí)，讀取油尺上的刻度，即可得到油箱中的油量。油尺是最原始、簡單、可靠的油位測量手段，但是不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量，也不能通過數(shù)據(jù)總線將油量數(shù)據(jù)提供給飛行控制系統(tǒng)，因此無法實(shí)現(xiàn)其智能化。

2.浮子式油位傳感器

早期的飛機(jī)上曾經(jīng)用過浮子式油位傳感器。它是利用燃油的浮力來改變浮子的位置，并帶動(dòng)電刷來改變電橋的橋臂阻值，對(duì)電橋的輸出進(jìn)行測量即可得到液位。浮子式傳感器具有原理簡單、成本低等特點(diǎn)，但其測量范圍小，指示誤差大，容易發(fā)生故障，現(xiàn)在只在一些舊型飛機(jī)和小型飛機(jī)上使用。

近年來，人們對(duì)浮子式油位傳感器進(jìn)行了改進(jìn)，又提出了磁致伸縮式液位傳感器。磁致伸縮式傳感器利用磁性浮子來感受液位變化。測量時(shí)，液位計(jì)頭部發(fā)出低電流“詢問”脈沖，該電流產(chǎn)生的磁場沿波導(dǎo)管向下傳導(dǎo)。當(dāng)電流磁場與浮子磁場相遇時(shí)，產(chǎn)生“返回”脈沖（也稱“波導(dǎo)扭曲”脈沖）。詢問脈沖與返回脈沖之間的時(shí)間差即對(duì)應(yīng)油水界面和油氣界面的高度。其優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，抗污染、抗振等性能均良好。但仍然不適合于飛機(jī)燃油液位測量，原因是在該傳感器中仍然存在可動(dòng)部件——磁性浮子，由于飛機(jī)飛行過程中油箱晃動(dòng)十分劇烈，磁性浮子不可避免的要與軸發(fā)生接觸和摩擦，這樣磁性浮子在飛機(jī)處于某些姿態(tài)時(shí)就有可能“粘”在軸上，無法回到正常液位。這種可靠性方面的問題限制了磁致伸縮式傳感器在飛機(jī)上的應(yīng)用。

3.電容式油位傳感器

二戰(zhàn)以后，電容式油量測量技術(shù)開始在飛機(jī)上大量采用。從上世紀(jì)70年代開始，美、英、德、法、日等國相繼開始研究數(shù)字式電容式傳感器，采用雙余度的計(jì)算機(jī)，使用線性電容式傳感器測量油位，利用放射性元素Am241作放射源直接測量燃油密度，并通過飛機(jī)姿態(tài)傳感器的測量結(jié)果和油箱的形狀來綜合計(jì)算油箱中的剩余油量。由于其具有獨(dú)特的優(yōu)勢，目前商用和軍用飛機(jī)仍然選用傳統(tǒng)的電容式傳感器，例如在波音公司的B787客機(jī)，空中客車公司的A380客機(jī)、A350超寬體客機(jī)以及洛克希德.馬丁公司的F35戰(zhàn)斗機(jī)全部都將電容式測量作為燃油量測量的首選技術(shù)。

早期的電容式傳感器為模擬式傳感器，它采用自平衡式測量電路將對(duì)應(yīng)于燃油油量的電容量轉(zhuǎn)換為儀表盤中指針的轉(zhuǎn)角。為了克服“邊緣效應(yīng)”（在電容電極邊緣處，電場線不再垂直于極板，因此在此處電容值不再與液位成線性關(guān)系），同時(shí)使被測液位與油量值成線性關(guān)系（為了充分利用飛機(jī)的內(nèi)部空間，油箱被設(shè)計(jì)成與機(jī)體、機(jī)翼形狀相關(guān)的不規(guī)則體，而不是規(guī)則的柱狀體），模擬式傳感器中的內(nèi)電極管被制成與油箱形狀有關(guān)的成型剖面，同時(shí)通過增加傳感器數(shù)量和采用補(bǔ)償傳感器（補(bǔ)償因燃油密度和溫度變化而引起的燃油介電常數(shù)的變化）等方法來提高燃油測量精度。但是由于飛行中油箱姿態(tài)隨時(shí)可能發(fā)生改變，導(dǎo)致傳感器浸沒長度發(fā)生變化從而引起姿態(tài)誤差，同時(shí)燃油密度會(huì)隨著產(chǎn)地、溫度、氣壓的改變而發(fā)生變化，而燃油測量系統(tǒng)卻無法直接對(duì)密度進(jìn)行測量，因此電容式傳感器測量精度較低，。此外由于傳感器需要進(jìn)行非線性補(bǔ)償，致使傳感器的制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，系統(tǒng)的標(biāo)定與校準(zhǔn)過程也十分費(fèi)時(shí)，顯然無法滿足新一代飛機(jī)的性能需求。

相比模擬式傳感器而言，數(shù)字式電容傳感器在精度和可靠性方面有了很大的提高，但仍無法克服電容式傳感器的一些固有缺陷。比如說標(biāo)定校準(zhǔn)困難、連接線復(fù)雜、水污染等等。

以上這些因素影響了電容式傳感器的性能和可維修性，并且在目前技術(shù)條件下尚無法克服電容式傳感器的這些缺點(diǎn)。由于電容式傳感器是目前飛機(jī)上最主要的液位傳感器，因此研究電容式傳感器的替代技術(shù)對(duì)于飛機(jī)燃油測量系統(tǒng)性能的提高具有重要意義。

4.流量式燃油油量傳感器

在一般飛機(jī)燃油檢測過程中，流量式油量傳感器由于存在累積誤差而經(jīng)常作為電容式液位傳感器的補(bǔ)充。即用渦輪式流量測量系統(tǒng)測量總油量，用電容式油量測量系統(tǒng)測量單個(gè)供油箱的油量。

流量式油量傳感器并不直接對(duì)油箱中的油位或油量進(jìn)行測量，而是安裝在主供油管路上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油量進(jìn)行測量，并根據(jù)飛機(jī)起飛時(shí)的總載油量推算出油箱中的剩余油量。流量式傳感器主要有容積式渦輪流量傳感器和質(zhì)量式渦輪流量傳感器兩種。

容積式渦輪流量傳感器是一種與流過的燃油體積流量成正比的電信號(hào)轉(zhuǎn)換器。當(dāng)燃油流經(jīng)傳感器時(shí)，傳感器中的葉輪在燃油的帶動(dòng)下以某種轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、磁開關(guān)結(jié)構(gòu)或磁阻等原理轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)。在測量中，對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的電脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可得到燃油的實(shí)時(shí)體積流量；同時(shí)將起飛后的體積流量對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，再乘以給定的密度值，即可得到當(dāng)前已消耗的燃油油量；最后用飛機(jī)的總載油量減去累計(jì)總耗量，從而得出飛機(jī)中的剩余油量，其計(jì)算公式為

影響渦輪式流量傳感器測量精度的主要因素有小流量誤差、溫度誤差和位置誤差。由于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)由慢車狀態(tài)加速到全加力狀態(tài)過程中的耗油量在很大范圍內(nèi)變化，因此流量傳感器在偏離設(shè)計(jì)流量時(shí)誤差增加，特別是在小流量狀態(tài)下。燃油黏度變化對(duì)測量精度也有影響，對(duì)燃油溫度變化較大的高速飛機(jī)，燃油黏度變化較大，黏度低的燃油流中速度分布比黏度高的燃油流中的更均勻，誤差也更小。渦輪式流量傳感器安裝在在水平位置（傳感器軸線平行于加速度矢量）或垂直位置（傳感器軸線垂直于加速度方向）一般不影響測量精度，但對(duì)于高速飛機(jī)，由于加速度大，對(duì)于水平安裝的傳感器，其軸向力大，因而誤差也大。

5.超聲波式燃油液位傳感器

超聲波傳感器是目前在飛機(jī)燃油測量中得到應(yīng)用的唯一的新技術(shù)。波音公司的B777客機(jī)和洛克希德.馬丁公司的F22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)率先采用超聲波式傳感器進(jìn)行燃油測量，但是在使用過程中超聲波式傳感器出現(xiàn)了一些可靠性方面的問題，因此該方法還沒有得到實(shí)質(zhì)性推廣。

超聲波式傳感器利用超聲波在不同密度介質(zhì)分界面上產(chǎn)生反射的特性進(jìn)行液位測量，其原理如圖2所示。傳感器由聲速計(jì)和探頭組成，在聲速計(jì)和探頭的底部都裝有超聲波發(fā)生器，發(fā)出的超聲波在遇到反射體和燃油-空氣界面后會(huì)被反射回油桶底部并被接收器接收到；聲速計(jì)中聲波至目標(biāo)體的往返時(shí)間為TT，探頭中聲波至油面的往返時(shí)間為TS，D為發(fā)射器離目標(biāo)體的已知距離，L為發(fā)射器離油面的位置距離。通過聲速計(jì)可測得燃油中的聲速為

這樣根據(jù)測得的超聲波脈沖信號(hào)的反射時(shí)間、油箱的液位-油量曲線，以及與燃油密度相對(duì)應(yīng)的聲速數(shù)據(jù)，經(jīng)微處理器處理和計(jì)算便可獲得油箱中的油量。

與電容式傳感器相比，超聲波傳感器測量精度更高，可達(dá)±0.2%；在油箱內(nèi)部沒有電器件，安全性能高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，外部接線也較為簡單；抗污染能力強(qiáng)，因?yàn)槌暡ū旧砭途哂星逑醋饔?。但超聲波傳感器也存在一些缺點(diǎn)：盲區(qū)、姿態(tài)誤差以及泡和油-水界面反射等等?？紤]到由于飛機(jī)飛行過程中油箱晃動(dòng)十分劇烈，可能會(huì)造成一定的姿態(tài)誤差，以及它所存在的盲區(qū)等因素，限制了超聲波式燃油液位傳感器在飛機(jī)上的應(yīng)用。

6.電阻式油量傳感器

電阻式油量傳感器一般用來判斷特定點(diǎn)的油位情況。由于飛機(jī)燃油油面晃動(dòng)程度劇烈，因此該方法在測量飛機(jī)燃油液位上還沒有得到推廣應(yīng)用。電阻式液位測量的敏感元件是熱敏電阻。熱敏電阻采用半導(dǎo)體材料制成，具有耗散特性，可以將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化。將傳感器的敏感元件安置在某一特定的液位高度，當(dāng)液位上升或下降至預(yù)定高度時(shí)，由于熱敏電阻器件浸入或露出液面，從而改變了其電阻值的大小。這樣，通過檢測電阻值的變化，便可以探測在某一點(diǎn)高度的液位情況。熱敏電阻易于安裝，耐腐蝕、耐磨損，抗震性能好，耐沖擊，使用壽命較長，但是熱敏電阻的阻值也會(huì)隨著溫度變化而變化，所以要進(jìn)行精確的液位測量，還需要對(duì)液體溫度進(jìn)行一定的控制。

7.放射性液位傳感器

放射性液位傳感器雖然不能夠用來檢測飛機(jī)燃油，但對(duì)于一般要求不是很高的場合還是比較實(shí)用的。放射性液位傳感器是通過檢測具有放射性同位素射線α射線、β射線、γ射線的穿透和反射信號(hào)的強(qiáng)度來達(dá)到探測液位信息的目的。其中，γ射線的穿透力強(qiáng)，射程遠(yuǎn)，故在核輻射液位測量中廣泛采用。實(shí)驗(yàn)證明，穿過物質(zhì)前后γ射線強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。在放射線輻射源與檢測器之間有吸收物質(zhì)時(shí)，由于射線強(qiáng)度會(huì)隨液位高度而改變，而檢測器的輸出與液位高度相關(guān)，通過檢測被吸收的能量大小，即可得出被測液位高度的信息。這種傳感器的測量原理使得它適用于易燃易爆，具有腐蝕性和毒性的測量環(huán)境。但是由于射線容易衰減，會(huì)導(dǎo)致測量的精確度不夠，還有危害人體健康的危險(xiǎn)。

8.光纖液位傳感器

近年來，隨著光纖傳感技術(shù)和光電子技術(shù)的發(fā)展，已研制出各種形式的光纖傳感器。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器靈敏度高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，耐高壓，耐腐蝕，質(zhì)量輕，體積小，便于與計(jì)算機(jī)相連接，響應(yīng)速度快，特別是其本質(zhì)安全性使其在易燃易爆環(huán)境下仍然能夠安全使用。光纖傳感器的這些特點(diǎn)，使其非常適合于飛機(jī)燃油液位測量。

這類測量系統(tǒng)一般還具有體積小、重量輕、無動(dòng)作部件、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，大多可適用于任何液位的測量與控制，特別適用于有腐蝕性的液體液位測量，精度很高?；诠饫w傳感器的液位測量主要有以下幾種方法。

8.1泄漏模式螺旋形光纖液位傳感器

泄漏模式光纖液位傳感的原理如圖3所示。通過液位的變化，引起光纖泄漏模的變化，從而導(dǎo)致光強(qiáng)度發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)液位的測量。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低，沒有可動(dòng)部件，抗干擾能力強(qiáng)。雖然目前尚無可工業(yè)化應(yīng)用的側(cè)面泄漏式光纖液位傳感器，但它的這些特點(diǎn)使其十分適合于飛機(jī)燃油液位測量。

8.2遮光式光纖液位傳感器

遮光式光纖液位傳感器利用了傳統(tǒng)的浮子式液位計(jì)的原理，加上光纖傳光系統(tǒng)組成。如圖4所示，由光源發(fā)出的光，經(jīng)光纖傳送到遮光轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上均勻分布著一系列光窗，光窗位置的設(shè)計(jì)與液面高度相關(guān)。當(dāng)液面高度變化時(shí)，浮子帶動(dòng)遮光盤旋轉(zhuǎn)，測出通過遮光盤的光脈沖數(shù)目即可知道液面升高或降低的相對(duì)高度。它具有結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)精度不高，且只能測出液面的相對(duì)高度，系統(tǒng)體積也較大。對(duì)于測量飛機(jī)燃油液位來說，該傳感器利用了傳統(tǒng)浮子式液位計(jì)的原理，對(duì)油面晃動(dòng)比較敏感，因此不太適合測量飛機(jī)燃油。

8.3磁式光纖液位傳感器

磁式光纖液位傳感系統(tǒng)如圖5所示，主要由導(dǎo)柱、浮體、液位探測器三部分組成。其原理圖中（1）表示遮光片，（2）表示浮體，（3）表示探測裝置，（4）表示彈簧片，（5）表示導(dǎo)柱，（6）表示光纖孔，（7、8）表示永久磁鐵。導(dǎo)柱嵌裝有等距排列的永久磁鐵，永久磁鐵磁極交替排列。導(dǎo)柱兩端分別固定在夾持件的兩端，主要作為磁性刻度尺和浮體升降的導(dǎo)軌使用。浮體為中空的圓環(huán)殼體，套裝在磁性導(dǎo)柱上，并漂浮在液體的表面，隨著液面沿著導(dǎo)柱上下移動(dòng)。當(dāng)浮體沿著導(dǎo)柱上下移動(dòng)時(shí)，浮體內(nèi)磁鐵將受到導(dǎo)軌上交替排列的磁鐵反復(fù)吸引、排斥，導(dǎo)致固定要彈簧片下端的遮光片也隨之左右移動(dòng)，反復(fù)遮擋兩根相對(duì)位置的光纖。記錄光纖的通斷次數(shù)，就可以算出浮體移動(dòng)的距離；即測得液面高度。該測量方法精度較高，但是體積較大，裝置過于復(fù)雜，用來測量飛機(jī)燃油液位還需改進(jìn)。

8.4液面反射式光纖液位傳感器

反射式光纖傳感器是強(qiáng)度調(diào)制型的，原圖如圖6所示。平面反射鏡（液面）垂直于輸入和輸出光纖的光軸，當(dāng)反射器前后移動(dòng)時(shí)，耦合進(jìn)輸出光纖內(nèi)的光功率就會(huì)發(fā)生變化。在平面鏡之后距離為D的位置上形成了一個(gè)輸入光纖的虛像。因而，確定調(diào)制器響應(yīng)的問題可以等效于計(jì)算虛光纖與輸出光纖之間的耦合。通過從液體表面反射又被光纖接收的光強(qiáng)信號(hào)的變化來探測液面的位移。這種測量方法能夠得到較高的精度，但是光纖和透鏡的位置對(duì)于精度有很大的影響。對(duì)于飛機(jī)晃動(dòng)的油面來說，這種測量方法也不太適合。

8.5壓力式光纖液位傳感器

壓力式光纖液位傳感器主要這是利用壓力使光纖變形， 進(jìn)而影響光纖中傳輸光強(qiáng)度的一種液壓型光纖液位傳感器。光纖壓力傳感器一般被置于被測液體容器的底部，根據(jù)所測壓力的大小即可算出相應(yīng)的液位。壓力式光纖液位傳感器的原理如圖7所示。傳感探頭由應(yīng)力微彎變形調(diào)制器和傳輸光纖構(gòu)成， 位于測量管底部。由光源發(fā)出的光經(jīng)過擴(kuò)束鏡， 會(huì)聚注入多模光纖。包層中的非引導(dǎo)模由脫模器去掉， 然后進(jìn)入微彎變形器。當(dāng)傳感器探頭置于液體中后， 變形器受到大氣壓與液體壓力的作用，從而使光纖的微彎程度產(chǎn)生變化， 影響光纖的傳輸功率， 不同液面高度對(duì)變形器產(chǎn)生不同壓力， 與之對(duì)應(yīng)可以得到不同的光纖傳輸功率， 通過探測器測出其變化就可以得出液面的高度。壓力式光纖液位傳感器可能是目前最成功的光纖液位傳感器，特別是布拉格光柵式傳感器具有很高的測量精度，已經(jīng)在海洋深度測量、油罐液位測量等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。但是應(yīng)用到飛機(jī)油箱液位測量上，還需要做出改進(jìn)。

綜上所述，與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖液位傳感器由于其獨(dú)特的材料結(jié)構(gòu)，具有靈敏度高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，耐高壓，耐腐蝕，質(zhì)量輕，體積小，便于與計(jì)算機(jī)相連接，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，特別是其本質(zhì)安全性使其在易燃易爆環(huán)境下仍然能夠安全使用。光纖傳感器的這些特點(diǎn)，使其比一般材料結(jié)構(gòu)液位傳感器更適合于飛機(jī)燃油液位測量。