具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其由测量电路和自补偿电容式液位传感器组成，自补偿电容式液位传感器包括有AA电极、AB电极、BB电极和CC电极；在测量过程中，AA电极接地，同时作为测量电容的外电极，而BB电极和CC电极作为内电极，飞机燃油介质能够进入AA电极与AB电极之间的腔中。测量电路的处理芯片内嵌有电容补偿比值关系通过电容补偿比值K能够计算出被测液位的高度h。本发明的电容液位传感器可以消除由温度以及介质变化引起的空气、燃油介电常数变化带来的影响，减少了重复标定的繁琐过程。
【专利说明】具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及飞机燃油油量测控系统【技术领域】，更特别地说，是指一种具有自补偿 电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统。采用自补偿电容式液位传感器采集飞机燃油 油量、能够消除温度W及被测液体介质（飞机燃油）变化对该传感器测量带来的影响。
【背景技术】
[0002] 飞机燃油油量测控系统是飞机燃油保障系统的一个重要装置，它的测量结果是飞 行员决定飞机飞行航程的依据之一。燃油油量测量系统传感器的功能是飞机在水平飞行 时，能够准确地测量每组油箱的剩余油量W维持对飞机发动机的自动供油，使飞机能够正 常的飞行。
[0003] 2007年10月第24卷第5期《沈阳航空工业学院学报》中公开了 "电容式传感 器在飞机燃油测量系统中的应用"。当不考虑边缘效应时，电容器的总电容量特性方程为
【权利要求】
1. 一种具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，该系统包括有测量电 路板（40)、上位机（10);其特征在于：还包括有电容式液位传感器（30)、电容-液位转换模 块（20)、第一路引线电容干扰消除模块（41)、第二路引线电容干扰消除模块（42)、第三路 引线电容干扰消除模块（43); 电容-液位转换模块（20)第一方面用于接收上位机（10)输出的启动测量指令F;第 二方面用于接收第一路去干扰电容信号A2b(h)、第二路去干扰电容信号A3(h)、第三路去干 扰电容信号A4(h)、接地电容信号C2A(h);第三方面将所述的去干扰电容信号A2b (h)、A3(h)、 A4Qi)分别与接地电容信号C2A (h)组成三路完整电容信号，即第一路完整电容信号為>(h)、 第二路完整电容信号(h)、第三路完整电容信号J4?（h)。 电容式液位传感器（30)通过接口P3与第一路引线电容干扰消除模块（41)、第二路引 线电容干扰消除模块（42)和第三路引线电容干扰消除模块（43)连接。 第一路引线电容干扰消除模块（41) 一方面用于接收电容式液位传感器（30)中AB电 极（2B)输出的电容信号C2B(h);另一方面采用驱动电缆方式消除电容信号C2B(h)中的连接 电缆的寄生电容干扰信号，得到AB电极（2B)产生的去干扰电容信号A2b(h)。所述连接电 缆的寄生电容干扰信号是由AB电极（2B)与电路板之间的连接导线产生的。 第二路引线电容干扰消除模块（42) -方面用于接收电容式液位传感器（30)中BB电 极（3A)输出的电容信号C3(h);另一方面采用驱动电缆方式消除电容信号C3(h)中的连接 电缆的寄生电容干扰信号，得到BB电极（3A)产生的去干扰电容信号A3(h)。所述连接电缆 的寄生电容干扰信号是由BB电极（3A)与电路板之间的连接导线产生的。 第三路引线电容干扰消除模块（43) -方面用于接收电容式液位传感器（30)中CC电 极（4A)输出的电容信号C4(h);另一方面采用驱动电缆方式消除电容信号C4(h)中的连接 电缆的寄生电容干扰信号，得到CC电极（4A)产生的去干扰电容信号A4(h)。所述连接电缆 的寄生电容干扰信号是由CC电极（4A)与电路板之间的连接导线产生的。
2. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其 特征在于：电容式液位传感器（30)包括有测量电容组件（2)、第一补偿电容组件（3)、第二 补偿电容组件（4)、底座（5)、安装座（8)、法兰（7)、第一堵头9A、第二堵头（9B)、轴套（9C)、 盖板（1)和航空卡头（6)。其中，第一补偿电容组件（3)与第二补偿电容组件（4)的结构相 同。 测量电容组件（2)由AA电极（2A)和AB电极（2B)组成，AA电极（2A)与AB电极（2B) 的长度相同，AB电极（2B)套接在AA电极（2A)内，且保持同轴。 AA电极（2A)为空心圆柱结构，AB电极（2B)为空心圆柱结构；AA电极（2A)的下端设 有供销钉（51)穿过的AA通孔（2A2)。AA电极（2A)与AB电极（2B)同轴安装，且AA电极 (2A)的内壁与AB电极（2B)的个壁之间有一介质流动腔（2C)。 第一补偿电容组件（3)由BB电极（3A)、A连接件（3B)和B连接件（3C)组成，A连接 件（3B)和B连接件（3C)的结构相同。A连接件（3B)和B连接件（3C)套接在AA电极（2A) 上端的外壁上，A连接件（3B)置于BB电极（3A)的上端，B连接件（3C)置于BB电极（3A) 的下端，通过在BB电极（3A)的两个凸耳上安装螺钉螺母，实现将BB电极（3A)、A连接件 (3B)和B连接件（3C)固定安装在AA电极（2A)上端的外壁。 A连接件（3B)为中空结构，A连接件（3B)的一端为圆环体（3B1)，A连接件（3B)的另一 端为间隔分布均匀的凸齿（3B2)，凸齿（3B2)与圆环体（3B1)的接触处为限位端面（3B3)。 所述凸齿（3B2)用于套接BB电极（3A)的一端。 第二补偿电容组件（4)由CC电极（4A)、C连接件（4B)和D连接件（4C)组成，A连接件 (3B)、B连接件（3C)、C连接件（4B)和D连接件（4C)的结构相同。C连接件（4B)和D连接 件（4C)套接在AA电极（2A)下端的外壁上，C连接件（4B)置于CC电极（4A)的上端，D连 接件（4C)置于CC电极（4A)的下端，通过在CC电极（4A)的两个凸耳上安装螺钉螺母，实 现将CC电极（4A)、C连接件（4B)和D连接件（4C)固定安装在AA电极（2A)下端的外壁。 底座（5)的一端是上环体（5A)，底座（5)的另一端是下环体（5B)，上环体（5A)与下环 体（5B)之间是内凹环体（5C)，内凹环体（5C)上设有供销钉（51)穿过的螺纹孔（5C1)，底 座（5)的中部设有电极支撑圆柱（5E)，电极支撑圆柱（5E)与上环体（5A)的内壁之间是内 环腔（5D)，电极支撑圆柱（5E)的中心是A沉头通孔（5E1);下环体（5B)的端面上设有凹凸 槽，下环体（5B)的中部设有B沉头通孔（5B1)。A沉头通孔（5E1)、B沉头通孔（5B1)用于 介质流过。AB电极（2B)的下端套接在电极支撑圆柱（5E)上。 法兰（7)上设有上安装环体（7A)、下安装环体（7B)和法兰盘体（7C)。 上安装环体（7A)的中部为空腔（7A1)，空腔（7A1)内设有凸台（7A2)和安装板（7A5)， 凸台（7A2)上安装有用于支撑电路板（40)的凸圆柱（7A3);安装板（7A5)上设有供安装钉 (81) 穿过的CA通孔（7A6)、供导线、电缆穿过的CB通孔（7A7)，安装板（7A5)上安装有压板 (82) ，通过安装钉（81)实现法兰（7)与压板（82)、安装座（8)、第一堵头（9A)和第二堵头 (9B)之间的固定；上安装环体（7A)的外环上设有供安装航空卡头（6)的平切板面（7A4)。 下安装环体（7B)的中部为放置安装座（8)的空腔（7B1)，法兰盘体（7C)的一端面上设 有多个沉头通孔（7C1)、CC通孔（7C2)，通过沉头通孔（7C1)或者CC通孔（7C2)与螺钉配 合实现电容式液位传感器与油箱结构件的安装； 盖板（1)与法兰（7)的上安装环体（7A)之间安装有E密封圈（IA)，盖板（1)通过螺钉 (IB)固定在法兰（7)的上安装环体（7A)上。 上安装环体（7A)的空腔（7A1)内安装有电路板（40)、压板（82)，电路板（40)通过电 路板安装钉（40A)与凸台（7A2)上的凸圆柱（7A3)配合，实现电路板（40)与法兰（7)的固 定。 下安装环体（7B)的空腔（7B1)内安装有安装座（8)、第一堵头（9A)和第二堵头（9B)， 安装座⑶与安装板（7A5)之间设置有A密封圈（83)，安装座⑶的外环腔（8C)与第一堵 头（9A)之间设置有B密封圈（91)和C密封圈（92)，安装座（8)的内环腔（8D)与第二堵头 (9B)之间设置有D密封圈（93)。 通过安装钉（81)将法兰（7)的安装板（7A5)与压板（82)、安装座（8)、第一堵头（9A) 和第二堵头（9B)固定，第一堵头（9A)置于安装座（8)的外环腔（8C)中，第二堵头（9B)置 于安装座⑶的内环腔（8D)中；安装座⑶套接在轴套（9C)上，轴套（9C)安装在AA电极 (2A)上，AA电极（2A)的上端内壁与第一堵头（9A)的外壁连接，AB电极（2B)的上端内壁 与第二堵头（9B)的外壁连接。 安装座（8)的底板（8A)上设有供安装钉（81)穿过的CF通孔（8A1)和供导线、电缆穿 过的CG通孔（8A2)，安装座（8)的环体（8B)上设有开口椭圆孔（8B1)、减重孔（8B2)，安装 座（8)的内部设有用于放置AA电极（2A)上端的外环腔（8C)和用于放置AB电极（2B)上 端的内环腔（8D)。 第一堵头（9A)上设有C圆柱段（9A1)、凸齿段（9A2)和B收缩段（9A3)，B收缩段（9A3) 设置在C圆柱段（9A1)与凸齿段（9A2)之间，凸齿段（9A2)上间隔分布设有凸齿（9A21)和 凹槽（9A22)。凸齿段（9A2)用于套接AA电极（2A)的上端，即凸齿段（9A2)的外壁与AA电 极（2A)上端的内壁套接。C圆柱段（9A1)的端面上设有用于放置安装钉（81)的B螺纹盲 孔（9A11); 第二堵头（9B)上设有A圆柱段（9B1)、B圆柱段（9B2)和A收缩段（9B3)，A收缩段 (9B3)设置在A圆柱段（9B1)与B圆柱段（9B2)之间，第二堵头（9B)的中部是中心通孔 (9B4)，中心通孔（9B4)用于导线、电缆穿过，A圆柱段（9B1)上设有用于放置安装钉（81)的 A螺纹盲孔（9B11)。
3. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其 特征在于：AA电极（2A)、AB电极（2B)、BB电极（3A)和CC电极（4A)选用金属材料加工，如 错。
4. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其 特征在于：AA电极（2A)、AB电极（2B)、BB电极（3A)和CC电极（4A)同轴安装，且AB电极 (2B)的半径记为r，AA电极（2A)的内壁与AB电极（2B)的外壁间距记为d，且d=r，AA电 极（2A)的外壁与BB电极（3A)的外壁间距记为w，
5. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其 特征在于：A连接件（3B)、B连接件（3C)、C连接件（4B)和D连接件（4C)采用不导电材料 加工，如聚四氟乙烯、橡胶、PVC等。
6. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其 特征在于：第一堵头（9A)、第二堵头（9B)材质为金属，为了防止AA电极（2A)的上端从第 一堵头（9A)的凸齿段（9A2)上滑落，AA电极（2A)的上端与第一堵头（9A)的凸齿段（9A2) 为焊接在一起；为了防止AB电极（2B)的上端从第二堵头（9B)的B圆柱段（9B2)上滑落， AB电极（2B)的上端与第二堵头（9B)的B圆柱段（9B2)为焊接在一起。
7. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其 特征在于：电容-液位转换模块20的电路连接（如图2所示）为：单片机Ul的1管脚接 3. 3V电源，且1管脚经电容C2接数字地，2管脚经电阻R4与双向二极管U7的3管脚连接， 双向二极管U7的2管脚接数字地，双向二极管U7的1管脚接数字地；Ul的1管脚与2管 脚之间串联有电阻R2、电阻R3和电阻R4,电阻R2与电阻R3之间连接复位电路；复位电路 经电容Cl接数字地，复位开关Sl的一端接数字地，复位开关Sl的另一端经二极管D4接 3. 3V电源，复位开关Sl的另一端经电阻R7接3. 3V电源，复位开关Sl的另一端经电容C8 接数字地，复位开关Sl的另一端经电容C9接数字地；Ul的6管脚接模拟地，7管脚经电解 电容C3接模拟地，8管脚经电容C4接模拟地，8管脚经电容C5接模拟地，8管脚接3. 3V电 源；9管脚经电容ClO接数字地，9管脚经电阻R6连接在有源晶振芯片Xl的3管脚，有源晶 振芯片Xl的4管脚经磁珠Ll接3. 3V电源；Ul的11管脚经电容C7接模拟地，Ul的11管 脚经电解电容C6接模拟地；Ul的17管脚、18管脚、19管脚、20管脚分别与U2的20管脚、 16管脚、23管脚、21管脚连接，Ul的21管脚、22管脚经RS422接口（MAX3488芯片）与上 位机10连接；Ul的32管脚经电阻Rl与双向二极管U8的3管脚连接，双向二极管U8的2 管脚接数字地，双向二极管U8的1管脚接数字地。U2的1管脚经电解电容C12接模拟地， 6管脚接3. 3V电源，且6管脚经电解电容C13接数字地；9管脚经电容C14接模拟地，10管 脚经电容C24接模拟地，16管脚经电阻R15接3. 3V电源，17管脚接模拟地，18管脚经电阻 Rll接模拟地，19管脚接3. 3V电源，20管脚经电阻R31接3. 3V电源，21管脚经电阻Rl3接 3. 3V电源，23管脚经电阻R12接3. 3V电源，管脚24接模拟地，管脚25经电容C23接模拟 地，27管脚经参考电容Cref接模拟地。
8. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃油油量测控系统，其 特征在于：引线电容干扰消除模块的电路连接为：接口P3的1管脚与运算放大器U9A的3 管脚连接，2管脚与运算放大器U9A的2管脚连接。接口P3的3管脚与运算放大器U9B的 5管脚连接，4管脚与运算放大器U9B的6管脚连接。接口P3的5管脚与运算放大器UlO 的3管脚连接，6管脚与运算放大器UlO的2管脚连接。运算放大器U9A的1管脚与U2的 28管脚连接，7管脚与U2的29管脚连接，且1管脚与2管脚连接，且6管脚与7管脚连接， 4管脚接模拟地，8管脚接3. 3V电源，且经电容C44接模拟地。运算放大器UlO的1管脚与 U2的30管脚连接，且1管脚与2管脚连接，4管脚接模拟地，8管脚接3. 3V电源，且经电容 C45接模拟地。
9. 根据权利要求1所述的具有自补偿电容式液位传感器的飞机燃 油油量测控系统，其特征在于：测量电容与补偿电容之间的电容关系为
【文档编号】G01F23/26GK104501907SQ201410670423
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】袁梅, 豆红丽, 董韶鹏, 庞卓, 张蓓 申请人:北京航空航天大学