測(cè)量飛機(jī)油量的電容式傳感器設(shè)計(jì)

　　摘要：本文介紹了利用電容傳感器測(cè)量飛機(jī)油箱內(nèi)油量的原理，闡述了電容式傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從理論上定量地分析了該電容傳感器測(cè)量油量時(shí)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，這對(duì)提高油量測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度、減小測(cè)量誤差提供了理論依據(jù)。

　　引言

　　飛機(jī)在飛行過程中，油箱內(nèi)的油量是估計(jì)飛機(jī)續(xù)航時(shí)間和確保飛行安全的重要參數(shù)。燃油油量測(cè)量系統(tǒng)的精度、可靠性及維修，對(duì)飛機(jī)的性能有著重要的影響。提高油量測(cè)量精度意味著可以大大提高飛機(jī)的有效載荷，航程及作戰(zhàn)半徑。本文設(shè)計(jì)了一種電容傳感器用來測(cè)量飛機(jī)油箱內(nèi)的油量。

　　電容式傳感器工作原理

　　用來測(cè)量油箱內(nèi)油量的電容式傳感器的結(jié)構(gòu)為同心圓筒形極板組成的圓柱形電容器，如圖1所示。　　

 

　　從電工學(xué)可知，若極板總長(zhǎng)度H遠(yuǎn)大于外極板半徑r₂，則圓柱形電容器容量與油面高度的關(guān)系可表示為：;式中ε₀為真空的介電常數(shù);r₁為內(nèi)極板的半徑。 

　　若將圓柱形電容器垂直插入油箱，當(dāng)油箱滿油時(shí)，介質(zhì)為煤油;當(dāng)油量減少時(shí)，兩極間的介質(zhì)包括煤油和空氣兩部分，其對(duì)應(yīng)的電容表達(dá)式分別為：，;式中：ε_油、ε_氣分別為煤油和空氣的介電常數(shù);h為煤油介質(zhì)在電容器中所占的高度。 

　　而電容傳感器的電容等于這兩部分電容之和，即：，整理后得：　　

                (1) 

　　式中：C₀為油箱無油時(shí)的電容;ΔC為油箱有油時(shí)所增加的電容。C₀的數(shù)值僅取決于傳感器本身的尺寸，而ΔC的大小與油面高度h有關(guān)。由于ε_油>ε_氣，所以ΔC恒為正值，并與油面高度h成正比。

　　對(duì)于橫截面積一定的油箱來說，電容傳感器電容的變化反映了油箱中油面高度的變化，這樣就把對(duì)油面高度的測(cè)量轉(zhuǎn)換成對(duì)傳感器電容的測(cè)量。

　　電容式傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　飛機(jī)油箱的形狀隨其安裝位置不同而不同，所以油箱截面隨高度不同而變化，油面高度與油箱截面的關(guān)系或者說油面高度和儲(chǔ)油量之間呈非線性關(guān)系，由(1)式可知，電容傳感器的電容與油面高度也成非線性關(guān)系。由于這個(gè)特點(diǎn)，油量表指示刻度必須是非均勻刻度，才能滿足精確測(cè)量的需要，這給使用帶來不便，為此要設(shè)計(jì)特殊形狀的電容傳感器，使它在測(cè)量不同油箱油量時(shí)，共用一個(gè)均勻刻度的刻度盤，以達(dá)到精確測(cè)量的目的。