０引言(yan)
　　流量是現(xian)代工業測(ce)量過程中(zhong)的一個重(zhong)要參數，渦(wo)輪流量傳(chuan)感器 渦輪(lun)轉子輕、慣(guan)性小，因此(ci)測量精度(du)高、量程範(fan)圍寬、重複(fu)性‼️與動态(tai)特性好［１］。因(yin)此，各國的(de)發動機試(shi)車台多使(shi)用渦輪流(liu)量傳感器(qi)測量發動(dong)機燃油流(liu)量［２］。渦💘輪流(liu)量🆚傳感器(qi)屬于速✊度(du)式流量儀(yi)表🤟，當被測(ce)流體🌈流過(guo)傳感器時(shi)，在流體作(zuo)用下，葉輪(lun)受力🔞而旋(xuan)轉，轉速與(yu)管道内👣流(liu)體流速成(cheng)正比，葉輪(lun)轉動後周(zhou)期性☎️地改(gai)變磁電轉(zhuan)換器的磁(ci)阻值‼️，檢測(ce)線圈中的(de)磁通随之(zhi)發生🔱周期(qi)性⛷️變化，産(chan)👌生周期性(xing)的感應電(dian)勢，即電脈(mo)沖信号［３］，流(liu)量傳感器(qi)輸出的脈(mo)沖✉️信号頻(pin)率代表流(liu)量大小，流(liu)量與信✔️号(hao)頻率🔆在一(yi)定區間内(nei)近似成線(xian)性關系［４］。無(wu)人機燃油(you)消耗量屬(shu)重要參數(shu)，測量🐕意義(yi)重大，有利(li)于正确飛(fei)行方案，有(you)效提高載(zai)油利用率(lü)［５］。在進行無(wu)人機燃油(you)流量檢查(cha)過程中，發(fa)動機🐅在低(di)速狀🚶态下(xia)開車，燃油(you)流量測量(liang)不🔱準确。本(ben)文主要對(dui)此故障進(jin)行仿真分(fen)析及試驗(yan)驗證。
１測量(liang)原理　
１.１工作(zuo)原理由于(yu)葉輪的葉(ye)片與流向(xiang)有一定角(jiao)度，當🤞燃🙇‍♀️油(you)沖擊渦📞輪(lun)轉子時，流(liu)體的沖擊(ji)作用産生(sheng)推動力矩(ju)，克服流量(liang)🛀傳感器支(zhi)撐軸承與(yu)轉子之間(jian)的機械摩(mo)擦力矩以(yi)及由于流(liu)體粘💃🏻性作(zuo)用産生的(de)液體阻力(li)之後使轉(zhuan)子開始運(yun)動［１］，渦輪流(liu)量傳感器(qi)結構原理(li)如圖１所示(shi)。

　　在葉輪上(shang)的磁鐵産(chan)生磁場，固(gu)定在傳感(gan)器内部的(de)線圈組件(jian)處于磁場(chang)中，如圖２所(suo)示，當燃油(you)通過傳感(gan)🔞器内腔後(hou)，燃油的流(liu)速驅動葉(ye)輪旋轉，帶(dai)動葉輪上(shang)的磁鐵旋(xuan)轉，此時線(xian)圈組件感(gan)應的磁通(tong)量也周期(qi)發生變化(hua)💘。

根據(ju)電磁感應(ying)原理，線圈(quan)的磁通量(liang)發生變化(hua)，相應産生(sheng)感應電勢(shi)：

Ｎ爲線圈的(de)匝數，ΔΦ爲磁(ci)通量變化(hua)，ΔＴ爲變化時(shi)間。因此，燃(ran)✨油流過渦(wo)輪流量傳(chuan)感器時，線(xian)圈會産生(sheng)周期變化(hua)電壓，即葉(ye)輪轉🏃動一(yi)圈，就會感(gan)應出一個(ge)正弦信号(hao)，葉輪連☁️續(xu)轉動，就會(hui)周期的産(chan)生正弦信(xin)号。經過信(xin)号處理轉(zhuan)換爲脈沖(chong)✊信号，渦輪(lun)流量傳感(gan)器穩定運(yun)行輸出的(de)脈沖頻率(lü)與流經流(liu)量傳感器(qi)的流量理(li)論關系如(ru)下👣［６］：

Ｑ爲通過(guo)渦輪流量(liang)傳感器的(de)體積流量(liang)（Ｌ／ｓ），ｆ爲脈沖信(xin)号頻📐率（Ｈｚ），ｋ爲(wei)儀表系數(shu)（１／Ｌ）。
　　信号處理(li)單元主要(yao)實現交流(liu)信号處理(li)及數據通(tong)信，首先将(jiang)交流信号(hao)轉爲脈沖(chong)信号，其次(ci)單片機控(kong)制器通過(guo)光耦電氣(qi)🈲隔離采集(ji)并計算脈(mo)沖頻率，依(yi)🎯據标定的(de)流量和頻(pin)率關系計(ji)算相應燃(ran)油流量，最(zui)🐕後将數據(ju)寫入串口(kou)通信模塊(kuai)，經由電氣(qi)接口發至(zhi)機載計算(suan)機。
１.２信号轉(zhuan)換及處理(li)
　　渦輪流量(liang)傳感器中(zhong)的葉輪旋(xuan)轉時，線圈(quan)周期産生(sheng)幅值爲數(shu)㊙️十毫安至(zhi)數百毫安(an)的微小交(jiao)流信号，經(jing)🌈過第一級(ji)運算🚶‍♀️放大(da)器将微小(xiao)交流信号(hao)進行放大(da)并限幅，消(xiao)除幅值爲(wei)負🔞的信号(hao)♈。再經過☂️第(di)二級比較(jiao)器，比較電(dian)壓爲零，輸(shu)入電壓大(da)于零時，輸(shu)出高電平(ping)，否則輸出(chu)低電平，即(ji)将交流信(xin)号轉換爲(wei)脈沖信号(hao)。脈沖經過(guo)光耦進行(hang)電氣隔離(li)，電信号單(dan)向傳輸，由(you)✔️單片機采(cai)集光耦信(xin)号輸⚽出的(de)通斷頻率(lü)，即爲原始(shi)信号頻率(lü)值，再通過(guo)♍預先标定(ding)的頻率與(yu)流量關系(xi)，計算可得(de)原始信号(hao)對應的燃(ran)油流量，信(xin)号轉換過(guo)程如圖３所(suo)示。

　　在渦輪流(liu)量傳感器(qi)标定試驗(yan)台中進行(hang)傳感器标(biao)定，針對❌主(zhu)流量點（１００Ｌ／ｈ、１５０Ｌ／ｈ、３００Ｌ／ｈ、６００Ｌ／ｈ）輸(shu)入相應流(liu)量的燃油(you)流經渦輪(lun)傳感💜器，使(shi)用頻率采(cai)集設備測(ce)量脈沖頻(pin)率，并輸入(ru)的流量與(yu)采集👈到的(de)頻率相關(guan)聯，得到表(biao)１中标定結(jie)果。
２故障現(xian)象通過地(di)面電源爲(wei)設備上電(dian)後，發動機(ji)在低轉速(su)狀态下開(kai)車，在地面(mian)控制站人(ren)機交互界(jie)面查看到(dao)燃🈲油流量(liang)在５００Ｌ／ｈ～１５００Ｌ／ｈ跳動，已(yi)經超過傳(chuan)感器實際(ji)測⭕量範圍(wei)，此時理論(lun)值：

應爲(wei)８０Ｌ／ｈ～１００Ｌ／ｈ。通過分析(xi)飛參記錄(lu)設備中的(de)數據，得到(dao)圖４中曲線(xian)。

　　由曲(qu)線可以看(kan)出，在發動(dong)機未起動(dong)時，燃油流(liu)量爲０Ｌ／ｈ，故障(zhang)未出🛀🏻現；在(zai)發動機起(qi)動至最低(di)轉速時，燃(ran)油流量出(chu)現異常，在(zai)５００Ｌ／ｈ～１５００Ｌ／ｈ随機跳動(dong)；在轉速達(da)到最大轉(zhuan)速時，燃油(you)流量爲２６０Ｌ／ｈ，故(gu)障消失。
通(tong)過分析燃(ran)油渦輪流(liu)量傳感器(qi)工作原理(li)及現場環(huan)境，出現🈚上(shang)述故障原(yuan)因可能爲(wei)外界磁場(chang)耦合進渦(wo)輪流量🔞傳(chuan)感器線圈(quan)，使⭕得原始(shi)微小交流(liu)信号混入(ru)幹擾信号(hao)，且此時信(xin)噪比較低(di)，幹擾信号(hao)起主導🤩作(zuo)用，信号處(chu)理單元将(jiang)混入幹💃擾(rao)的信号處(chu)理後計算(suan)得到的頻(pin)率較高，由(you)脈沖頻率(lü)與燃油流(liu)量成線🈲性(xing)對應關系(xi)，即會出現(xian)較大的燃(ran)油流量。
３建(jian)模仿真及(ji)驗證
３.１建模(mo)仿真
　　爲進(jin)一步分析(xi)故障原因(yin)，根據渦輪(lun)流量傳感(gan)器的信号(hao)轉換過程(cheng)建立邏輯(ji)模型，在不(bu)同頻率段(duan)加入頻率(lü)😘爲５０Ｈｚ的外界(jie)幹擾，查看(kan)脈沖頻率(lü)變化情況(kuang)。
将表１中數(shu)據拟合爲(wei)線性函數(shu)，得到如下(xia)燃油渦輪(lun)🌐流㊙️量傳感(gan)器産生脈(mo)沖的頻率(lü)和燃油流(liu)量的關系(xi)：

燃油流量(liang)産生的微(wei)小交流信(xin)号爲：
假定(ding)外界電磁(ci)幹擾作用(yong)于渦輪流(liu)量傳感器(qi)産生的幹(gan)擾爲：
渦輪(lun)傳感器線(xian)圈輸出信(xin)号爲：
限幅(fu)後的信号(hao)爲：
轉換爲(wei)脈沖信号(hao)：Ｍａｘ爲脈沖幅(fu)值。
　　基于ｓｉｍｕｌｉｎｋ建(jian)立燃油渦(wo)輪流量傳(chuan)感器的邏(luo)輯模型，如(ru)圖５所示🐪。由(you)于Ｓ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ可以用(yong)連續或離(li)散狀态方(fang)程描述動(dong)态系統💜模(mo)塊✨，因此，渦(wo)輪流量🔴傳(chuan)感器線圈(quan)磁－電轉換(huan)、波形限幅(fu)、交流轉脈(mo)沖等模塊(kuai)基于Ｍ－ｆｉｌｅ模闆(pan)💋編寫Ｓ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ來實(shi)現［７－８］。

　　分别設定(ding)理論燃油(you)流量爲表(biao)１中标定的(de)下限１００Ｌ／ｈ和上(shang)限６００Ｌ／ｈ，渦輪流(liu)⚽量傳感器(qi)信号輸出(chu)及脈沖輸(shu)出如圖６所(suo)示。

　　仿真結果(guo)表明，在低(di)流量時，渦(wo)輪流量傳(chuan)感器原始(shi)微🈲小交⚽流(liu)信号過零(ling)比較處，脈(mo)沖頻率較(jiao)高，且幅值(zhi)不穩定。而(er)在高流量(liang)時，脈沖信(xin)号頻率與(yu)真實信号(hao)頻率相近(jin)，幅值穩定(ding)。
仿真結果(guo)與故障現(xian)象一緻，初(chu)步推斷渦(wo)輪流量傳(chuan)感🐪器㊙️故❗障(zhang)原因爲外(wai)界磁場幹(gan)擾。
３.２　
　　驗證試(shi)驗爲确定(ding)故障原因(yin)，在燃油測(ce)試台中進(jin)行驗證試(shi)驗，設定供(gong)給至渦輪(lun)流量傳感(gan)器的燃油(you)真實流量(liang)爲９０Ｌ／ｈ，通過繼(ji)電🛀🏻器控🧡制(zhi)外置線圈(quan)通／斷電，頻(pin)率爲５０ Ｈｚ，模拟(ni)外界電磁(ci)幹擾，分别(bie)用兩台示(shi)波器檢測(ce)到渦輪流(liu)量傳感器(qi)線圈輸出(chu)信号和脈(mo)沖輸出信(xin)号，如圖７所(suo)示。
　　試驗結(jie)果表明，在(zai)未加入外(wai)界幹擾時(shi)，原始微小(xiao)交流信号(hao)及脈沖信(xin)号電氣特(te)性良好，脈(mo)沖最高幅(fu)值穩定，光(guang)耦❌可以🌈正(zheng)常通／斷，單(dan)片機計算(suan)得出脈沖(chong)信号頻率(lü)🚶值。而加入(ru)外界幹擾(rao)後🚶，原始信(xin)号出現明(ming)顯畸變，幅(fu)值在２２ｍＶ左右(you)，轉換脈沖(chong)信❄️号最高(gao)幅值不穩(wen)定 （１.７Ｖ～１.０Ｖ），且最低(di)幅值亦有(you)突變，導緻(zhi)光耦出現(xian)異常通／斷(duan)，最終導緻(zhi)單片機計(ji)算出的頻(pin)率較真實(shi)圖７線圈輸(shu)出🚶‍♀️波形及(ji)脈沖轉換(huan)波形頻率(lü)較高，在５００Ｌ／ｈ～１　５００Ｌ／ｈ之(zhi)間跳動。

　　經進一(yi)步分析，由(you)于葉輪的(de)機械特性(xing)，在高流量(liang)段工作時(shi)，葉輪✊轉速(su)和燃油流(liu)量成線性(xing)的正比關(guan)系，在低流(liu)量段工作(zuo)時，葉輪轉(zhuan)速和燃油(you)流量成非(fei)線性的關(guan)♈系，流量越(yue)小，轉速下(xia)降得越快(kuai)✂️。供油管路(lu)的㊙️燃油流(liu)量在低流(liu)量段時，傳(chuan)感器葉輪(lun)的💋轉速會(hui)降🏃🏻得很低(di)，線圈的感(gan)應電勢Ｅ會(hui)跟着變小(xiao)♋，即信号的(de)電💚壓呈非(fei)線性的加(jia)速下降，這(zhe)說👅明傳感(gan)器已經㊙️工(gong)作在非線(xian)性流量段(duan)，由于葉✨輪(lun)轉速太低(di)，感應的信(xin)号❄️很✏️弱小(xiao)，在存在電(dian)源🧡噪聲和(he)幹擾的情(qing)況❄️下，信号(hao)處✨理單元(yuan)無法區分(fen)真實信号(hao)和幹擾信(xin)号，導緻🤩燃(ran)油測量不(bu)準确。
４　結束(shu)語
　　針對燃(ran)油渦輪流(liu)量傳感器(qi)在低流量(liang)段出現流(liu)量不準确(que)的故👨‍❤️‍👨障，分(fen)析了其工(gong)作原理及(ji)信号轉換(huan)過程，建立(li)了其邏輯(ji)模型，最💋後(hou)，進行了故(gu)障仿真及(ji)驗🐇證試驗(yan)。最終确定(ding)了故障原(yuan)因爲外界(jie)磁場幹擾(rao)，排除故障(zhang)可💰考慮以(yi)下兩種措(cuo)施：
１）在渦輪(lun)流量傳感(gan)器中設計(ji)電磁屏蔽(bi)結構，阻止(zhi)外界電⚽磁(ci)幹擾耦合(he)進線圈；
２）信(xin)号處理單(dan)元中的采(cai)用滞回比(bi)較器電路(lu)，可以過濾(lü)外界幹擾(rao)造成的電(dian)壓波動。

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