０引(yǐn)言
　　流量(liàng)是現代(dai)工業測(ce)量過程(cheng)中的一(yi)個重要(yao)參數，渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qi) 渦輪轉(zhuǎn)子輕、慣(guàn)性小，因(yin)此測量(liang)精度高(gāo)、量程範(fàn)圍寬、重(zhòng)📱複性與(yu)動💚态特(te)性好［１］。因(yin)此，各國(guo)的發動(dong)機試車(chē)台☁️多使(shi)📱用渦🏃‍♀️輪(lun)流量傳(chuan)💯感器♈測(cè)量發動(dòng)機燃油(you)流量［２］。渦(wō)輪流量(liang)傳感器(qi)屬于速(sù)🈲度式流(liu)🏃🏻量儀表(biao)，當被測(ce)流體流(liu)過傳感(gan)器時，在(zài)流體作(zuò)用下😍，葉(ye)輪受力(lì)🚩而旋轉(zhuan)，轉速與(yu)管道内(nei)☀️流體流(liú)速成正(zheng)比，葉輪(lun)轉動後(hou)周期性(xing)地改變(biàn)磁電轉(zhuan)‼️換器的(de)磁阻值(zhi)，檢測線(xian)圈中的(de)磁通随(sui)之發生(sheng)周期性(xìng)變化，産(chǎn)生周期(qī)性的感(gan)應電勢(shì)，即電脈(mo)沖信号(hào)［３］，流量傳(chuan)感器輸(shū)出的脈(mo)沖☎️信号(hào)頻率代(dài)表流量(liàng)大小，流(liu)量與信(xìn)号頻率(lǜ)在一定(dìng)區間内(nei)近似成(chéng)線性關(guān)系［４］。無人(ren)👈機燃油(you)消耗量(liang)屬重要(yào)㊙️參數，測(ce)量意義(yì)重大，有(you)利于正(zhèng)确飛行(hang)✔️方案，有(yǒu)效提高(gāo)載油利(lì)用率［５］。在(zài)進行無(wu)人機燃(rán)油流量(liang)檢查過(guò)程中，發(fa)動機⭐在(zài)低速狀(zhuang)🌈态下開(kai)車，燃油(you)流量測(cè)量不準(zhun)确。本文(wen)主要對(duì)此故障(zhàng)進🈲行仿(páng)🏃真分析(xī)及試驗(yàn)驗證。
１測(ce)量原理(lǐ)　
１.１工作原(yuan)理由于(yú)葉輪的(de)葉片與(yǔ)流向有(you)一定角(jiǎo)度，當🎯燃(rán)🌈油沖擊(ji)渦輪轉(zhuan)子時，流(liú)體的沖(chòng)擊作用(yong)産生推(tui)動力矩(jǔ)，克服流(liu)量傳感(gǎn)器支🤞撐(cheng)軸承與(yǔ)轉子之(zhī)間的機(jī)械摩擦(ca)力矩以(yi)及由于(yu)🐆流體粘(zhan)🌈性作用(yong)産生的(de)液體☔阻(zǔ)力之後(hòu)⛹🏻‍♀️使轉子(zi)開始運(yùn)動［１］，渦輪(lun)流量傳(chuán)㊙️感器結(jie)構原理(lǐ)如圖１所(suǒ)示。

　　在葉(ye)輪上的(de)磁鐵産(chǎn)生磁場(chang)，固定在(zài)傳感器(qi)内部的(de)線圈🔞組(zǔ)件處于(yu)磁場中(zhong)，如圖２所(suǒ)示，當燃(ran)油通過(guò)傳感🙇‍♀️器(qi)内腔後(hou)，燃油的(de)流速驅(qu)動葉輪(lun)旋轉，帶(dài)動葉輪(lun)上🏃‍♀️的磁(ci)鐵旋轉(zhuǎn)，此時線(xian)圈☀️組件(jiàn)感應的(de)磁通量(liàng)也周期(qī)發生變(bian)化💘。

根據電(diàn)磁感應(yīng)原理，線(xian)圈的磁(ci)通量發(fā)生變化(hua)，相應産(chan)生感應(yīng)電勢：

Ｎ爲(wei)線圈的(de)匝數，ΔΦ爲(wei)磁通量(liàng)變化，ΔＴ爲(wèi)變化時(shí)間。因此(cǐ)，燃🏒油🈲流(liú)過渦輪(lun)流量傳(chuan)感器時(shí)，線圈會(hui)産生周(zhou)期變化(hua)電壓，即(ji)葉輪轉(zhuǎn)🔞動一圈(quan)，就會感(gǎn)應出一(yī)個正弦(xián)信号，葉(yè)輪連續(xu)轉動😄，就(jiu)會周期(qī)的産生(shēng)正弦信(xin)号。經過(guò)信号處(chù)理轉換(huan)爲脈沖(chong)🚶信号，渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qì)穩定運(yùn)行輸出(chū)的脈沖(chòng)頻率與(yǔ)流經流(liú)量傳感(gan)💃器的流(liú)量理論(lun)關系如(rú)下［６］：

Ｑ爲通(tōng)過渦輪(lún)流量傳(chuán)感器的(de)體積流(liú)量（Ｌ／ｓ），ｆ爲脈(mo)沖信号(hao)頻率（Ｈｚ），ｋ爲(wèi)儀🐅表系(xì)數（１／Ｌ）。
　　信号(hào)處理單(dan)元主要(yao)實現交(jiao)流信号(hào)處理及(ji)數據通(tong)信🏃‍♂️，首先(xian)将交❄️流(liú)信号轉(zhuǎn)爲脈沖(chòng)信号，其(qí)次單片(piàn)機控制(zhi)器通過(guo)光耦電(diàn)氣隔離(li)采集并(bìng)計算脈(mo)沖頻率(lǜ)，依據标(biāo)定的流(liú)量和頻(pín)率關系(xi)計算相(xiàng)應燃油(you)流量，最(zuì)後将數(shu)據寫入(ru)串口♻️通(tong)信模塊(kuai)，經由電(diàn)氣接口(kǒu)發至機(jī)載計算(suàn)機。
１.２信号(hao)轉換及(jí)處理
　　渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qi)中的葉(ye)輪旋轉(zhuan)時，線圈(quan)周期産(chǎn)生幅值(zhi)爲數⚽十(shi)毫安至(zhì)數百毫(háo)安的微(wei)小交流(liú)信号，經(jing)過第一(yī)級運算(suàn)放大器(qi)将微小(xiao)交流信(xìn)号進行(hang)放大并(bing)限幅，消(xiao)除幅🏃值(zhí)爲負的(de)信号。再(zai)經過第(di)二級比(bǐ)較器，比(bǐ)較電壓(yā)爲零，輸(shū)入電壓(yā)大于零(líng)時，輸出(chu)高電平(píng)⛹🏻‍♀️，否則輸(shū)出低電(diàn)平，即将(jiāng)交流信(xin)号轉換(huan)爲脈沖(chong)信号⚽。脈(mo)沖經過(guò)光🐇耦進(jìn)行電氣(qi)隔離💘，電(diàn)信号單(dan)向傳🐕輸(shu)，由單片(piàn)機采集(ji)光耦💜信(xin)号輸出(chū)的通斷(duàn)頻率，即(ji)爲原始(shǐ)🤩信号頻(pín)率值，再(zai)通過預(yù)先标定(ding)的頻率(lü)與流量(liàng)關系，計(jì)算可得(de)原始信(xin)号對應(ying)的燃油(you)流量，信(xìn)号轉換(huan)過程如(ru)圖３所示(shi)。

　　在(zài)渦輪流(liú)量傳感(gǎn)器标定(dìng)試驗台(tái)中進行(háng)傳感器(qi)标定，針(zhen)對主✊流(liú)量點（１００Ｌ／ｈ、１５０Ｌ／ｈ、３００Ｌ／ｈ、６００Ｌ／ｈ）輸(shū)入相應(ying)流量的(de)燃油流(liu)經渦輪(lun)傳感器(qì)，使🔞用頻(pin)率采集(ji)設備測(ce)量脈沖(chong)頻率，并(bìng)輸入🛀的(de)流量與(yǔ)采集到(dào)的頻率(lǜ)相關💋聯(lian)，得到表(biao)１中标定(dìng)結果。
２故(gu)障現象(xiang)通過地(dì)面電源(yuán)爲設備(bèi)上電後(hou)，發動機(ji)在低轉(zhuǎn)速狀态(tài)下開車(chē)，在地面(mian)控制站(zhan)人機交(jiāo)互界面(mian)查看到(dào)燃油流(liu)量在５００Ｌ／ｈ～１５００Ｌ／ｈ跳(tiào)動💃，已經(jing)超過傳(chuan)感器實(shi)際測量(liàng)範圍，此(ci)時理論(lun)值：

應爲(wèi)８０Ｌ／ｈ～１００Ｌ／ｈ。通過分(fèn)析飛參(cān)記錄設(shè)備中的(de)數據，得(de)到圖４中(zhong)✉️曲線。

　　由(you)曲線可(ke)以看出(chu)，在發動(dong)機未起(qi)動時，燃(ran)油流量(liàng)爲📧０Ｌ／ｈ，故障(zhàng)未出現(xian)⚽；在發動(dong)機起動(dòng)至最低(dī)轉速時(shi)，燃油流(liu)量出🧡現(xiàn)異💋常，在(zài)✏️５００Ｌ／ｈ～１５００Ｌ／ｈ随機跳(tiào)動🐉；在轉(zhuan)速達到(dào)最大轉(zhuan)速時，燃(rán)油流量(liang)爲２６０Ｌ／ｈ，故障(zhàng)消失。
通(tōng)過分析(xi)燃油渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qi)工作原(yuán)理及現(xian)場環境(jing)，出現上(shang)述故障(zhang)原因可(ke)能爲外(wai)界磁場(chang)耦合進(jin)渦輪流(liú)量傳感(gǎn)器線圈(quān)，使得原(yuan)始微小(xiao)交流信(xìn)号混入(rù)幹擾信(xìn)号，且此(ci)時信噪(zao)比較低(di)，幹擾信(xin)号起主(zhu)導作用(yong)，信号處(chù)理單元(yuan)将混入(rù)幹擾的(de)信号處(chù)理後計(ji)算得到(dào)的頻率(lü)較高，由(yóu)脈📞沖頻(pin)率與燃(rán)油流量(liang)成線性(xìng)對應關(guan)系㊙️，即會(hui)出現較(jiao)大的燃(rán)油流量(liang)。
３建模仿(páng)真及驗(yan)證
３.１建模(mo)仿真
　　爲(wèi)進一步(bu)分析故(gù)障原因(yin)，根據渦(wō)輪流量(liang)傳感器(qì)的信号(hao)轉換過(guo)程建立(lì)邏輯模(mo)型，在不(bú)同頻率(lü)段加入(ru)💃🏻頻率♻️爲(wèi)５０Ｈｚ的外界(jie)幹擾，查(chá)看脈沖(chòng)頻率變(bian)化情況(kuang)。
将表１中(zhōng)數據拟(nǐ)合爲線(xiàn)性函數(shù)，得到如(rú)下燃油(yóu)渦輪流(liu)量傳感(gan)器産生(shēng)脈沖的(de)頻率和(he)燃油流(liú)量的關(guan)系💃：

燃油(yóu)流量産(chǎn)生的微(wei)小交流(liú)信号爲(wèi)：
假定外(wai)界電磁(cí)幹擾作(zuò)用于渦(wō)輪流量(liang)傳感器(qì)産生的(de)幹擾❄️爲(wei)：
渦輪傳(chuan)感器線(xian)圈輸出(chū)信号爲(wei)：
限幅後(hòu)的信号(hao)爲：
轉換(huàn)爲脈沖(chong)信号：Ｍａｘ爲(wei)脈沖幅(fú)值。
　　基于(yu)ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立燃(ran)油渦輪(lún)流量傳(chuán)感器的(de)邏輯模(mo)型，如圖(tu)５所示。由(you)于Ｓ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ可🏃‍♂️以(yi)用連續(xu)或離散(sàn)狀态方(fang)程描述(shu)動态📧系(xì)統模塊(kuài)，因此，渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qì)線圈磁(ci)－電轉換(huan)、波⚽形限(xian)幅、交流(liú)轉脈沖(chòng)等模塊(kuài)基于Ｍ－ｆｉｌｅ模(mó)闆編寫(xiě)Ｓ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ來實現(xiàn)☁️［７－８］。

　　分(fèn)别設定(ding)理論燃(rán)油流量(liàng)爲表１中(zhong)标定的(de)下限１００Ｌ／ｈ和(he)上限６００Ｌ／ｈ，渦(wō)輪流🔅量(liàng)💛傳感器(qi)信号輸(shu)出及脈(mò)沖輸出(chu)如圖６所(suǒ)示。

　　仿真結(jié)果表明(ming)，在低流(liú)量時，渦(wō)輪流量(liang)傳感器(qi)原始微(wei)小🌈交流(liu)信号過(guò)零比較(jiào)處，脈沖(chòng)頻率較(jiao)高，且幅(fú)值💔不穩(wen)💰定。而在(zai)高流量(liàng)時，脈沖(chong)信号頻(pin)率與真(zhēn)實信号(hào)頻率相(xiang)近，幅值(zhí)穩定。
仿(páng)真結果(guǒ)與故障(zhàng)現象一(yi)緻，初步(bù)推斷渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qì)✨故障原(yuán)因爲外(wai)界磁場(chang)幹擾。
３.２　
　　驗(yan)證試驗(yàn)爲确定(ding)故障原(yuan)因，在燃(rán)油測試(shi)台中進(jin)行🈚驗證(zhèng)試驗，設(she)定供給(gěi)至渦輪(lun)流量傳(chuan)感器的(de)燃油真(zhēn)實流量(liàng)爲９０Ｌ／ｈ，通過(guò)繼電器(qì)控制外(wài)置線圈(quān)通／斷電(dian)，頻率👉爲(wei)５０ Ｈｚ，模拟外(wài)界電磁(ci)幹擾，分(fen)别用兩(liǎng)台示波(bō)器檢測(cè)到渦輪(lún)流量傳(chuán)感器線(xiàn)圈輸出(chu)信号和(he)脈沖輸(shu)出信号(hào)⭐，如圖７所(suo)示。
　　試驗(yàn)結果表(biao)明，在未(wèi)加入外(wai)界幹擾(rao)時，原始(shi)微小交(jiao)流信号(hao)及脈沖(chòng)信号電(diàn)氣特性(xing)良好，脈(mo)沖最高(gao)幅值穩(wěn)定，光耦(ǒu)可以正(zhèng)常通／斷(duan)，單片機(jī)計算得(de)出脈沖(chong)信号頻(pin)率✔️值。而(er)加入外(wai)界幹擾(rǎo)後♊，原始(shi)信号出(chū)現明顯(xiǎn)畸變，幅(fu)值在２２ｍＶ左(zuǒ)右，轉換(huan)脈沖信(xin)号最高(gao)幅值不(bu)穩定💛 （１.７Ｖ～１.０Ｖ），且(qiě)最低幅(fú)值亦有(yǒu)突變，導(dǎo)緻光耦(ou)出現異(yì)常通／斷(duan)，最😄終導(dao)緻單片(pian)機計算(suàn)出的頻(pín)率較真(zhen)實圖７線(xiàn)圈💔輸出(chū)波形及(jí)脈沖轉(zhuǎn)換波形(xíng)頻✔️率較(jiào)高，在５００Ｌ／ｈ～１　５００Ｌ／ｈ之(zhi)間跳動(dòng)。

　　經進一(yi)步分析(xi)，由于葉(yè)輪的機(ji)械特性(xing)，在高流(liú)量段工(gōng)作時，葉(ye)輪轉速(sù)和燃油(you)流量成(chéng)線性的(de)正比關(guan)系，在低(di)💘流量💯段(duan)工作時(shi)，葉輪轉(zhuan)速和燃(rán)油流量(liàng)成非線(xian)性的關(guan)系，流量(liang)🚩越小，轉(zhuǎn)速下降(jiang)得越快(kuai)。供油管(guǎn)路的燃(rán)油流量(liàng)🐕在低流(liú)量段時(shi)，傳感♊器(qi)葉輪的(de)轉速會(huì)降🥰得很(hen)低，線圈(quan)的感應(yīng)電勢🌏Ｅ會(hui)跟着變(bian)小👣，即信(xìn)号的電(diàn)壓呈非(fei)線性的(de)加速下(xià)降，這說(shuo)明傳感(gan)器已經(jing)工作☎️在(zai)非線性(xing)流量段(duan)，由于葉(ye)輪轉速(sù)太低，感(gan)應的信(xin)号很弱(ruò)小，在存(cun)在電源(yuán)噪聲和(hé)幹擾的(de)情況下(xià)，信号處(chu)理單元(yuán)無法區(qu)分真實(shi)信号和(hé)幹擾信(xìn)号，導緻(zhì)燃油測(cè)量不準(zhǔn)确。
４　結束(shù)語
　　針對(dui)燃油渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qi)在低流(liú)量段出(chu)現流量(liang)不準确(que)的故障(zhàng)，分析了(le)其工作(zuò)原理及(jí)信号轉(zhuǎn)換過程(cheng)，建立了(le)其邏💃🏻輯(jí)模型，最(zuì)後，進行(hang)了故障(zhang)仿真及(jí)驗✌️證試(shì)驗。最終(zhong)确定了(le)故障原(yuan)因爲外(wai)界磁場(chǎng)幹擾，排(pai)除故障(zhang)可考慮(lü)以下兩(liang)種措施(shī)：
１）在渦輪(lun)流量傳(chuan)感器中(zhōng)設計電(dian)磁屏蔽(bi)結構，阻(zǔ)止外界(jie)電🔴磁幹(gan)擾耦合(he)進線圈(quan)；
２）信号處(chù)理單元(yuan)中的采(cǎi)用滞回(hui)比較器(qi)電路，可(kě)以過濾(lü)外界幹(gan)擾造成(cheng)的電壓(yā)波動。

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