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飞机燃油油量测量系统的设计毕业设计论文
飞机燃油油量测量系统的设计
第1章前言
1.1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，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
1.2.1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：
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
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
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
利用电容器的电容量随油箱液面高度变化来测量油量的仪表。
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、刻度盘和指针等部分组成。
第2章方案论证
2.1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
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2浮筒式光纤液位测量系统
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浮筒式光纤液位测量系统原理框图
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
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、品质以及飞机飞行姿态的改变,总是给飞机燃油测量带来较大的误差,雷达液位测量系统具有精度高、适用性强和免维护的特点,在飞机油箱液位测量中具有很好的应用性，但其结构复杂成本较高所以很难普遍推广。
浮筒式光纤系统通过光纤及CCD光电检测系统测出弹簧节距变化实现油量液位的测量，由于光源及测量系统都远离现场,实现了现场无电在线检测,从根本上解决了防爆问题。
制作工艺繁琐制作费用昂贵，在飞机领域中很难广泛使用。
针对飞机油箱外形复杂的特点，本文系统地研究了运用同心电容式传感器对油箱内剩余油量进行测量，电容式传感器因为结构简单、不需传动机构、动态响应好、灵敏度高、分辨力强、使用维护方便、能在恶劣的环境下工作等特点,被广泛用于各种测量场合。
差动结构的电容式传感器可以大大降低其非线性,提高其灵敏度。
同时,还能有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差,加上其良好的稳定性和极好的抗过载性等特点,得到了极为广泛的应用。
小结：
根据现实飞机原理需要及其实际要求，且该电路运用的器件较现役系统有所减少，具有可行性和稳定性，而且可靠性也较高。
在长时间的测量中能够表现出较稳定的效果而且精度较高，综合考虑后，设计者决定选择方案3作为本课题的最终方案。
据此，课题将以方案3详细展开。
第3章系统设计
3.1电容式传感器测量油量系统的硬件设计思想
电容式传感器是利用电容器原理,将非电量转化为电容量,进而转化为便于测量和传输的电压或电流量的器件。
电容传感器与其他类型的传感器相比,具有测量范围大、精度高、动态响应时间短、适应性强等优点,在位移、压力、厚度、振幅、液位、成分分析等的测量方面得到了非常广泛的应用,是一种具有良好发展前景的传感器
本设计所采用的电容式传感器的测量原理就是以所测油箱的燃油作为电容的电介质，根据油量不同，所呈现的电容值不同来测量油箱的油量的。
不同的油量之所以能够改变电容器的电容，根本原因是由于电介质的极化所造成的。
由物理学可知,两个平行金属板组成的电容器,如果忽略了边缘效应,其电容为C=εS/d。
可见在三种参数中保持其中两个不变而仅仅改变第三个参数电容就会改变,因此电容式传感器可以分为三种类型：
.变间距型电容传感器、变面积型电容传感器、变介电常数型电容传感器。
飞机盛装油量的容器种类很多，构成的电容器种类也差别很大，一般圆柱行容器可使用同轴型或弧极板型电容模式；方形则可用平面极板性电容模式。
不管那种类型模式，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的单调函数。
要推算出电容器的解析公式往往不易，即使得到该公式，要想在单片机级水平的仪器上也难进行编程且运算起来也难实施。
在实际应用中，除非是平板型电容等简单的情况，否则一般可按实测值拟合一条最逼近的曲线作为测量曲线。
液面测量装置用于圆玻璃瓶内溶液高度的无人监测，首先紧贴玻璃瓶放置两块圆金属薄片作为电容电极，薄片高度与玻璃瓶有效高度一致，薄片之间两边间隔同长，构成一个带狭缝的长直圆柱面电容器，截面如图3.1所示。
图3.1带逢长直圆柱电容器截面图
设油箱高度为L，外径为a，内径为b，为各向同性均匀介质，介电常数为e1，满足条件L≧a，内部盛满的液体也是各向同性均匀介质，介电常数为e2，两块圆金属片两边与轴心间夹角为2δ，则这个带缝的长直圆柱面电容器的电容量表示公式3.1为：
式3.1
飞机的飞行环境十分复杂，其中电磁干扰往往十分严重。
干扰往往会对传输线上的传输信号造成很大的影响。
因此该系统应当是具有一定的抗干扰能力，以提高系统工作时的可靠性。
测量系统也应该具有一定的报警功能，在飞机燃油不足的情况下提醒飞行员当前的燃油短缺情况。
由于系统基于单片机，整个测量处理过程中都是以数字形式完成，因此在基本测量功能完成的情况下，可以对系统增加一些额外的功能，比如加油可控，温度测量加以修正。
综合上述思想，硬件电路将以上述基本情况进行展开、设计。
3.2电容式传感器油量测量系统硬件电路整体设计
由前文可知电容与液面高度的关系，大多情况下C和h成线性关系，但是，高液位及低液位的情况下无法得到准确的解析公式。
基于这一现状，在实施中采用以理论公式为准则，以实测数据为依据建立拟合测量曲线的方法。
对于液面高度变化不是太特别快的动态也面测量，使用一个简单的多谐振荡器就行了。
测量震荡器的周期TXOSC，可反演出决定振荡器周期的电容C（因电容C决定振荡器的充放电时间），而根据电容C则可反演出液面高度h（C是h的单调函数，h也是C的单调函数）。
RC振荡器是利用CMOS反相门电路构成，如图3.2所示，右边反相门通过R1和C实现持续充放电过程；左边反相门通过R2使振荡器加强，并具有增加频率稳定性的作用。
该电路振荡频率为：
式3.2
若R2》R1（如R2=10R1），则上式可简化为：
式3.3
图3.2RC振荡器原理
这种电路振荡频率可高达数兆赫兹，要直接测出其频率或周期并不容易，为此，有必要构造一个间接方式的廉价测量电路。
图3.3是基本的原理框图。
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C的振荡频率进行分频，分频后的方波信号（周期为T）送进单片机的中断口INTO，作外部中断源。
电容传感器（液位）
振荡器
分频器
报警
单片机AT89C51
串行接口
LED显示
数码显示
图3.3单片机电容油量测量仪
当方波下降沿到来时，单片机启动定时器开始记数，下一个下降沿到来时（分频后的一个周期），单片机将记数值送交计算处理程序去计算出液面高度h值，然后将相应的数据串行输出到相应控制数码管的电路用以显示。
LED显示以及声音报警。
在单片机将记数值读出的同时，单片机对计数器清零并重新启动定时器开始下一轮处理。
这时，可导出在线性段的h与分频后的方波周期为T的关系。
振荡器的电容C实际上是测电容与C0的并联，C0为杂散电容与芯片输入电容之和。
由（3）、（5）和214（16384）分频关系得：
式3.4
因此
式3.5
可见，被测液面高度h与方波周期T为线性关系，使用一个具有振荡和14级分频功能的芯片CD4060，可使电路简化。
使用AT89C51单片机既廉价又方便修改程序（它的程序ROM为flash）；单片机的I/O管脚可直接驱动数码管和LED显示。
当要显示多位数码时，可采用动态扫描显示技术。
声音报警可采用廉价的门铃IC，而串行接口则可用AD公司的ADM101E，它具有电压反转功能，无需外加负压即可将TTL电平的串行信号转成RS-232标准信号以方便和微机通讯。
由于其功耗极小，电源采用一个小型的AC-DC就足够了，这样整套装置的重量和体积可以做得很小。
3.2.1电容信号提取与转换电路的设计
本部分介绍电容信号的提取与转换电路组成、工作原理以及转换电路所输出的矩形波宽度与所转换电容之间的关系。
电容信号转换电路的工作原理：
由于电压控制端5悬空，比较器C1高电平触发端6的触发电压为2Ec/3，比较器C2低电平触发端2的触发电压为Ec/3。
2端为单稳触发器的触发端，与触发信号Vi相连。
电源接通后，Ec通过电阻R向电容器C充电，当Vc上升到高电平触发电压2Ec/3时，R为低电平，使触发器复位，V0为低电平，同时电容器C通过三极管T1迅速放电。
但是，由于比较器C2的低电平触发端2未接在电容器C上，因此电容器C放电不影响触发器的状态。
当2端外加触发脉冲Vi，并且它的值小于Ec/3时，S为低电平，使触发器翻转，V0变为高电平，同时使三极管T1截止。
电源Ec通过R再次向电容器C充电，直到Vc上升到2Ec/3时，R为低电平，使触发器复位，V0变为低电平。
由此可见，对于该单稳触发器，只要在其触发端施加一个触发信号，它便会输出一高电平信号，该高电平持续的时间为电容C上的电压由零上升到2Ec/3所需的时间。
由于电阻R为固定值，因此电容器C充电的时间只由电容C决定。
所以根据单稳触发器所产生的高电平的持续时间，便可知道电容C的大小。
这就是电容转换电路的工作原理。
电容信号转换电路的组成：
该电路的核心部件为一个555集成块如图3.4所示
图3.4555集成块原理图
图中虚线框内为555的原理电路，555电路包括一个三极管开关T1，两个电压比较器C1和C2，一个基本RS触发器，以及由三个阻值为5K的电阻组成的分压器。
555各引脚名称如下所示。
555电路引脚功能：
1、电源地端
2、低触发端
3、输出端
4、复位
5、电压控制
6、高触发端
7、放电端
8、电源
电阻R为高精密的固定电阻，该电阻的电阻温度系数极低，因此可以认为该电阻的阻值不随温度变化。
电容C为传感器的电容。
传感器电容C、高精密电阻R以及555集成块构成的电路实际上就是一个单稳态触发器。
信号提取电路由传感电容、电阻、555多谐振荡芯片，输出缓冲组成，其结构如图3.6所示。
该电路的输出数字脉冲的频率与传感电容满足式
式3.6
其中
该电路输出脉冲波形占空比始终大于50%，其占空比q满足
式3.7
合理选择R1与R2对输出脉冲波形占空比接近50%，但考虑到所选计数芯片CD4040是以该脉冲信号的下降沿作为计数触发的性质，且传输线上的干扰是随机的，因此在理论上可以忽略波形占空比，但实际设计中将占空比调节到60%左右，经过一反相器后使得信号在观察上显得很直观。
图3.5信号提取电路原理图
现役油量测量系统的传感电容容值变化范围受到飞机油箱的深度影响，其主要有10nF-100nF、1000-2000pF两种。
由于飞机发电机输出电压频率为400Hz，测量系统传输电缆主要受此频率的电磁波及其高次谐波干扰，因此传输线上的频率应该远高于400Hz。
数字脉冲串频率大小会影响电路所需要计数时间的长短，过长则影响程序运算周期，过短则影响数据精度。
这里电路最高振荡频率需要根据计数电路的实际情况再作定夺，因此不在此详细分析。
这里以传感电容容值范围为10-100nF的传感电容做了一次简单的测试，该电路输出脉冲频率与传感电容参数变化的关系如图3.7所示。
表3.1电路参数表
Cw
R1、R2
脉冲频率f
10nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
412kHz
20nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
375kHz
30nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
343kHz
40nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
317kHz
50nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
294kHz
60nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
275kHz
70nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
258kHz
80nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
229kHz
90nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
206kHz
100nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
188kHz
图3.6传感电容—频率关系
本仪器信号转换电路的特点：
1）解决了现有的一些仪器油量测量范围较窄这一问题。
为了解决信号干扰问题，在测量燃油油量时，一般都对燃油进行几至十几次的连续采样。
目前利用电容式传感器进行油量测量的仪器，一般使用的都是和本仪器相类似的转换电路。
对于这样的转换电路，每次采样都需要发出一触发脉冲。
所以完成一次完整的测量，需要间断地发出几个至十几个触发脉冲。
一般这些触发脉冲都是等间隔的。
而且对于不少仪器,这些脉冲都是由硬件电路完成的。
由硬件电路产生触发脉冲的最大优点是不占用CPU时间，缺点是产生的脉冲间隔不能根据需要而方便地进行调整。
这样，当燃油的油量较大时，传感器电容将较大，电容转换电路输出的矩形波将很宽，以至于下一个触发脉冲到来之前还没有结束，这样就进行不了第二次采样，仪器不能正常工作。
从而限制了仪器测量范围。
而本仪器的触发脉冲由软件来产生，这样便可根据需要进行灵活的调整。
2）解决了现有的绝大部分仪器使用温度较窄的问题目前绝大多数仪器都采用了热敏电阻测量
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