测量飞机油量的电容式传感器设计

　　摘要：本文介绍了利用电容传感器测量飞机油箱内油量的原理，阐述了电容式传感器的结构设计，从理论上定量地分析了该电容传感器测量油量时产生的测量误差，这对提高油量测量系统的测量精度、减小测量误差提供了理论依据。

　　引言

　　飞机在飞行过程中，油箱内的油量是估计飞机续航时间和确保飞行安全的重要参数。燃油油量测量系统的精度、可靠性及维修，对飞机的性能有着重要的影响。提高油量测量精度意味着可以大大提高飞机的有效载荷，航程及作战半径。本文设计了一种电容传感器用来测量飞机油箱内的油量。

　　电容式传感器工作原理

　　用来测量油箱内油量的电容式传感器的结构为同心圆筒形极板组成的圆柱形电容器，如图1所示。　　

 

　　从电工学可知，若极板总长度H远大于外极板半径r₂，则圆柱形电容器容量与油面高度的关系可表示为：;式中ε₀为真空的介电常数;r₁为内极板的半径。 

　　若将圆柱形电容器垂直插入油箱，当油箱满油时，介质为煤油;当油量减少时，两极间的介质包括煤油和空气两部分，其对应的电容表达式分别为：，;式中：ε_油、ε_气分别为煤油和空气的介电常数;h为煤油介质在电容器中所占的高度。 

　　而电容传感器的电容等于这两部分电容之和，即：，整理后得：　　

                (1) 

　　式中：C₀为油箱无油时的电容;ΔC为油箱有油时所增加的电容。C₀的数值仅取决于传感器本身的尺寸，而ΔC的大小与油面高度h有关。由于ε_油>ε_气，所以ΔC恒为正值，并与油面高度h成正比。

　　对于横截面积一定的油箱来说，电容传感器电容的变化反映了油箱中油面高度的变化，这样就把对油面高度的测量转换成对传感器电容的测量。

　　电容式传感器的结构设计

　　飞机油箱的形状随其安装位置不同而不同，所以油箱截面随高度不同而变化，油面高度与油箱截面的关系或者说油面高度和储油量之间呈非线性关系，由(1)式可知，电容传感器的电容与油面高度也成非线性关系。由于这个特点，油量表指示刻度必须是非均匀刻度，才能满足精确测量的需要，这给使用带来不便，为此要设计特殊形状的电容传感器，使它在测量不同油箱油量时，共用一个均匀刻度的刻度盘，以达到精确测量的目的。