測量飛機油量的電容式傳感器設計

　　摘要：本文介紹了利用電容傳感器測量飛機油箱內油量的原理，闡述了電容式傳感器的結構設計，從理論上定量地分析了該電容傳感器測量油量時產生的測量誤差，這對提高油量測量系統的測量精度、減小測量誤差提供了理論依據。

　　引言

　　飛機在飛行過程中，油箱內的油量是估計飛機續航時間和確保飛行安全的重要參數。燃油油量測量系統的精度、可靠性及維修，對飛機的性能有著重要的影響。提高油量測量精度意味著可以大大提高飛機的有效載荷，航程及作戰半徑。本文設計了一種電容傳感器用來測量飛機油箱內的油量。

　　電容式傳感器工作原理

　　用來測量油箱內油量的電容式傳感器的結構為同心圓筒形極板組成的圓柱形電容器，如圖1所示。　　

 

　　從電工學可知，若極板總長度H遠大于外極板半徑r₂，則圓柱形電容器容量與油面高度的關系可表示為：;式中ε₀為真空的介電常數;r₁為內極板的半徑。 

　　若將圓柱形電容器垂直插入油箱，當油箱滿油時，介質為煤油;當油量減少時，兩極間的介質包括煤油和空氣兩部分，其對應的電容表達式分別為：，;式中：ε_油、ε_氣分別為煤油和空氣的介電常數;h為煤油介質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為油箱無油時的電容;ΔC為油箱有油時所增加的電容。C₀的數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。由于ε_油>ε_氣，所以ΔC恒為正值，并與油面高度h成正比。

　　對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，這樣就把對油面高度的測量轉換成對傳感器電容的測量。

　　電容式傳感器的結構設計

　　飛機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系或者說油面高度和儲油量之間呈非線性關系，由(1)式可知，電容傳感器的電容與油面高度也成非線性關系。由于這個特點，油量表指示刻度必須是非均勻刻度，才能滿足精確測量的需要，這給使用帶來不便，為此要設計特殊形狀的電容傳感器，使它在測量不同油箱油量時，共用一個均勻刻度的刻度盤，以達到精確測量的目的。