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1、沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）1飞机燃油油量测量系统的设计飞机燃油油量测量系统的设计第第 1 章章 前言前言1.1 飞机燃油油量测量技术概述飞机燃油油量测量技术概述飞机在空中飞行时，飞机油箱中的剩余油量的多少将直接影响飞机的飞行安全。本题目要求设计一种飞机燃油测量系统，能够准确的测量并显示飞机油箱中所剩余的油量，作为飞行的重要参数。现阶段飞机上所运用的燃油测量系统就显示而言分为模拟式和数字式，但就对油量的测量方法都采用传感电容容值与油量液面高度的正比关系，再结合一定的模拟运算电路，通过单一的抗干扰传输线由油箱向数据处理、显示电路传送单模交流电压信号，再由后者最终显示实时的油量。飞
2、机在飞行过程中机体内部的电磁干扰是一个十分严重的、不可忽视的影响各系统正常工作的因素，因此在电路设计中除了抗干扰的屏蔽手段之外，在传输线上传输抗干扰能力强的信号是一个很必要的手段。现役的测量系统由于以模拟电压信号作为传输信号，因此极易受到各种干扰。虽然对传输电缆做了一定的屏蔽措施，但在飞机的飞行过程中，系统始终未能很好地抵抗干扰，造成系统测量的可靠性不高，工作不稳定等情况。在飞行过程中，及时了解飞机的油量，对于完成飞行任务和保障飞行安全，有着重要意义。而飞机上的油箱其形状都是不规则的，这样就给油量的测量带来了许多问题。飞机燃油系统包括油箱、供油和卸油管路、油量测量器件等部分组成。飞机燃油系统主
3、要用于存储、输送飞机飞行所需要的燃油。飞机燃油量的测量及管理系统是飞机燃油系统中的一个非常重要的子系统。实时、准确地测量油箱中的剩余油量可以精确地计算飞机续航时间，保证安全飞行。同时，通过对飞机中各个油箱燃油储量的精确测量，还可以便于燃油的综合管理，调整燃油系统中各油箱的分布，实现耗油顺序的优化，确保飞机重心自动保持和调整到飞行需要的范围内，改善飞行品质。在飞机飞行的各种条件和姿态下，需准确提供飞机剩余油量及特征油量信号指示，以便飞行员能够顺利完成飞行任务。油量一高度曲线和面心一高度曲线是设计和敷设油量传感器的依据，其精度直接影响飞机飞行任务的执行和飞行安全。因此，沈阳航空工业学院北方科技学院
4、毕业设计（论文）2进行准确的剩余油量测量计算、进行测量误差分析与油量传感器敷设方案优化是保证飞行安全的重要环节。目前，采用的电阻式、电容式油量表结构复杂，工作稳定性差、误差大，指示不稳定、还存在读数误差。在工作过程中，由于内部和外部条件的影响，其性能可能发生变化。为了做好油量表的维护工作，我们必须随时了解变化着的情况，这就需要对它进行检查，这种检查工作是非常烦琐和困难的。随着科学技术的发展，特别是电子技术的发展，近些年来，出现了许许多多功能齐全、使用方便的电子元器件，一种集 CPU，RAM，ROM 和 I/O 接口于一体的单片微型计算机相继问世，而且性能价格比越来越高。由于单片机具有体积小、重
5、量轻等特点，所以十分适合测量仪器。油量测量仪一旦采用了单片机，再加上合理的算法和软件支持，那么无论是仪器使用的方便性还是仪器测量的准确性都将大大提高。如果采用晶体管数码显示，使读数更加精确，减少了人为误差。而且外场维护和检查也非常方便，这样便为机务人员节约了大量的时间和精力。由于温度变化引起的误差在老式测量仪总的误差中占有较大的部分，而目前的产品之所以测量精度提高不上去，主要是温度补偿方法不合适，本课题准备采用一种区别于目前产品的温度补偿方法，从而使油量测量仪的精度有所提高。所以，该研制的测量仪具有测量误差小、读数精确、检测、维护、使用方便等特点。由此可见，通过本仪器的研制，不仅可以使油量的测
6、量精度有所提高，还可以扩大测量范围和温度使用范围。因此，研制本仪器是非常有必要的。用高科技产品研制各种仪表来取代各种老式仪表是目前部队改装工作的主要内容。符合现代化部队装备的需要。本课题针对飞机的油量测量系统，力求解决测量系统所存在的传输线上信号的干扰的问题，提高系统的可靠性。1.2 燃油油量测量系统发展燃油油量测量系统发展1.2.1 系统工作概述系统工作概述燃油油量测量系统的根本目标就是提供精确的燃油油量信息，而影响燃油测量精度的因素很多，主要包括传感器制造误差、油箱容差、燃油属性、燃油污染和系统安装误差等。对这些影响因素都将进行大量研究与投入。目前，这此研究主要是：沈阳航空工业学院北方科技
7、学院毕业设计（论文）3高精度测量传感器的研制、传感器优化布局，测量误差的补偿与修正技术，油量显示的数字化技术等方面。燃油测量系统主要由油位测量传感器，燃油测量与处理任务计算机和油量显示等部分组成的。燃油油量测量系统的基本工作过程为：首先由油量测量传感器测出油箱中的油面高度，飞行姿态和存储在内部的油箱数学模型等信息，计算出对应的燃油体积，结合燃油密度传感器所测得的燃油密度，即得油箱所载燃油的质量。燃油测量任务计算机将燃油质量通过数据总线传给座舱显示系统和飞行管理任务系统等。1.2.2 系统数字化已成必然趋势系统数字化已成必然趋势经过半个多世纪的发展，尽管燃油测量精度在不断的提高，系统可靠性、维护
8、性等性能在不断改进，但燃油测量系统的基本体系结构几乎没有任何变化，都是按照其体系结构在发展，在这个发展过程中，微电子和计算机起了决定性作用这主要体现在以下几个方面。1）随着微电子技术的发展，在系统电路设计中，传统的模拟电路正在逐渐被数字电路取代。这使系统在结构，尺寸，重量方面得以改善，并且大大提高了系统的工作效率，测量精度，可靠性和可维护性。2）当油位测量传感器线性变化时，就标志着油量测量任务计算机已经进入特性化时代。将传感器所包含的物理特性信息储存到测量任务计算机中，由其进行数据分类，计算，插值，存储和调用等各种复杂运算，以及实现系统故障检测，油量预选与报警等功能。3）在燃油密度测量方面，由
9、于航空燃油时烃类产品的一种复杂混合物，其属性随产地不同而变化，而且存在着各种污染，导致燃油密度与介电常数的关系并不总是恒定的，并且系统对测量精度的要求在不断提高，故放弃了介电常数测量的间接测量密度方式，相继研制了各种直接测量的密度计，如放射性燃油密度传感器，谐振式密度传感器，已在波音 767，波音 777，C-130,F-22 等飞机上成功运用。4）在油位测量方面，经历了从油尺、电容式测量到超声波、放射性、光纤等各种先进的测量方式并存的时代。其中电容式油位测量传感器经历了从特性传感器到线性传感器的转变，这得益于计算机技术的发展，使实时的体积计算成为现实，放弃了用传感器的非线性电容变化来反应燃油
10、体积变化的测量方式。1.3 我国燃油测量技术研究现状及存在主要问题我国燃油测量技术研究现状及存在主要问题沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）4加装燃油时，不少都碰到过燃油短缺的现象，或少则多，甚至更多。如果在开航后才发现加油短缺，势必给公司或国家造成经济损失，甚至可能影响航行安全。近几年来，由于油价飞涨，供油船的小动作、小手段越来越多，稍不留意，就会被蒙骗，造成“短油”。因此，如何确保加油数量值得我们重视。在一些国家和地区加油特别是香港、新加坡、韩国等地应格外小心，认真防范、严格把关。 目前，国内飞机上普遍采用两种方法来测量飞机上的油量。一种是电阻式油量表，它利用“浮子”将油面的高低转
11、换为电位器电阻的变化。另一种是机电式油量表，它利用电容器将油面的高低转换为电容量的大小。我国对燃油测量技术的研究起步较晚，从上世纪 70 年代才开始相关技术的跟踪与研究，并且研究工作仅限于个别场所，在这之前仅限于简单的仿制与生产。真正开展燃油测量技术和数字式燃油测量系统研究是近 10 年之内。目前，我国燃油测量技术仍停留在电容式油量测量阶段，采用电容式油位测量传感器测量油位，采用介电常数测量的间接方式测量密度，系统的数字化程度低。只有个别机型采用了数字式燃油测量系统，但系统测量精度和可靠性还有待提高。1.3.1 电容式油量表的原理电容式油量表的原理利用电容器的电容量随油箱液面高度变化来测量油量
12、的仪表。由电容式传感器和伺服指示系统组成。传感器是由数个同心圆筒形极板组成的电容器，垂直地插入油箱，燃料的介电系数大于空气的介电系数，油箱内燃料高度变化时电容量也相应的变化，经伺服指示系统变换成相应的电信号，指示相应的油量值。电容式油量传感器无机械活动和电接触部件，工作可靠，测量精度较高。电容油量表是一种机电式的仪表。它是目前部队普遍采用的一种仪表。传感器是由同心圆筒极板组成的圆柱形电容器。其原理是基于圆柱形电容器的电容量与油面高度具有单值的函数关系。然后由自平衡式测量电路将与油量对应的电容量转换为指针的转角。自平衡式测量电路包括阻容电桥、晶体管放大器、两相异步电动机、减速器、刻度盘和指针等部
13、分组成。沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）5第第 2 章章 方案论证方案论证2.1 飞机燃油测量系统的基本工作原理飞机燃油测量系统的基本工作原理根据本课题的任务要求，可以初步确定其基本工作原理：设计和制作一个简易的飞机燃油测量系统，利用定时器及传感器设计一个多谐振荡器，多谐振荡器的振荡频率随电容值的改变而变化，利用单片机、LED 数码管及相关元器件设计一个测量、数据处理及显示电路，使得油量变化与显示成正比，最后测出燃油的油量。2.2 设计方案设计方案方案方案1 雷达液位测量系统飞机油箱雷达液位测量系统由一片系统型MCU芯片C8051F020完成,大量压力、温度、品质、震动、姿态信号及
14、通过连续波雷达照射获得的代表液位信息的差频液位信号分别传送给单片机,经多路开关在其内部完成放大、A /D转换、傅立叶变换等处理后,获得表征燃油质量的各项参数并发送给飞机燃油管理系统,从而实现对油箱液位情况的实时监测、调整。飞机油箱雷达液位测量系统的原理框图如图2.1所示。 图 2.1 飞机油箱雷达液位测量系统的原理框图方案方案 2 浮筒式光纤液位测量系统传感器组放大滤波电 源A/D 转换FFT接口部分PC 机TR 组件信号处理部分数字处理部分C8051 单片机 RS485 接口沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）6浮筒式光纤液位测量系统的实物图如图2.2所示，原理如图2.3 所示, 光
15、源4 发出的光经导光光纤5 传光后照在弹簧2 上,弹簧表面贴有线状反射面(晒纸) , 反射面形成一个个亮条纹, 通过透镜将条纹投射到光纤传像束的端面, 由传像光纤将条纹图像传到光纤另一端, 再经过透镜将条纹投射到CCD 光敏面上, 由CCD 进行数据采集, 测出条纹间距。当液位为零时, 弹簧伸长量最大, 由CCD 测出的条纹间距也最大。当液位升高时, 浮筒的一部分被液体浸没, 由于受到浮力的作用而使浮筒向上移动, 弹簧缩短, 弹簧节距变小, CCD测得的光强峰值间距随之变小, 将CCD 与计算机连接, 可直接显示出液位变化, 实现贮罐液位的在线检测。图 2.2 浮筒式光纤液位测量系统图 2.3
16、 浮筒式光纤液位测量系统原理框图方案方案 3 同心电容式液位测量系统目前国内多采用同心电容式油量测量系统，通过电容值的变化感知油面的高度来测量油量。电容式液位测量，液体作为一种介质或导电体，是电容器的一个组成部分，其液面的高低，总是直接影响电容器的容量，即电容器的电容量是液位高度1 1-浮筒 2 2-弹簧 3 3-导杆 4 4-光源 5 5-传光光纤 6 6-传像光纤 7 7-CCD 光电检测系统沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）7的单调函数。原理框图如图2.5所示，被测液面变化导致被测电容的变化，从而引起振荡器频率（或周期）发生变化。由于其变化率对于单片机而言太快，因此，首先对振荡信号进行分频处理，对应于电容的振荡频率被分频，分频后的方波信号（周期为T）送进单片机中，最后进行显示。图 2.4 电容式油量测量系统图 2.5 电容式液位测量系统原理框图2.3 方案比较方案比较数字式燃油综合管理和控制系统是当前和未来飞机控制系统的重要组成部分,燃油系统数字化是先进飞机控制技术的发展趋势。燃油测量是飞机燃油系统的主要任务之一。由于油箱内燃油温度、品质以
