０引言
　　流(liú)量是現(xiàn)代工業(yè)測量(liàng)過程中的(de)一個重(zhòng)要參數，渦輪流量傳感器 渦輪(lún)轉子輕(qīng)、慣性小，因此測(cè)量(liàng)精度高、量程(chéng)範圍(wéi)寬(kuān)、重複(fú)性與動(dòng)态特(tè)性好(hǎo)［１］。因此(cǐ)，各(gè)國的發(fā)動機試車台多(duō)使(shǐ)用渦輪(lún)流量(liàng)傳感器(qì)測量(liàng)發(fā)動機燃油流量(liàng)［２］。渦輪(lún)流(liú)量(liàng)傳感(gǎn)器屬(shǔ)于速度式流(liú)量儀表，當被(bèi)測流體流過傳(chuán)感器時(shí)，在(zài)流體(tǐ)作用(yòng)下，葉輪受(shòu)力而(ér)旋轉，轉速(sù)與管道内流體(tǐ)流速成(chéng)正(zhèng)比，葉(yè)輪轉(zhuǎn)動後(hòu)周期(qī)性地改變磁電(diàn)轉換器(qì)的磁阻(zǔ)值，檢測(cè)線圈中(zhōng)的磁通随(suí)之發生周期性(xìng)變化，産生周(zhōu)期性的(de)感應電勢，即電(diàn)脈(mò)沖信号［３］，流量(liàng)傳感器輸出的脈沖信号(hào)頻率代表流(liú)量大小，流量(liàng)與信号頻(pín)率在一定區間(jiān)内近似成(chéng)線性關系［４］。無人(rén)機燃(rán)油消耗(hào)量屬重(zhòng)要參數，測量意(yì)義重大，有利于(yú)正确(què)飛行(háng)方案(àn)，有效提高(gāo)載油利用率［５］。在進行無人機燃油流量檢查(chá)過程中(zhōng)，發動(dòng)機在低速(sù)狀态(tài)下開車，燃(rán)油流量測量不準确(què)。本文主要(yào)對此故障進行(háng)仿真(zhēn)分析(xī)及試驗驗證。
１測量原(yuán)理　
１.１工作(zuò)原(yuán)理由(yóu)于葉(yè)輪(lún)的葉片與(yǔ)流向有一定(dìng)角度(dù)，當(dāng)燃油沖擊渦輪轉子時(shí)，流體的(de)沖擊作用産生(shēng)推動力(lì)矩(jǔ)，克(kè)服(fú)流量傳(chuán)感器支(zhī)撐軸(zhóu)承(chéng)與轉子之(zhī)間的(de)機械摩擦(cā)力矩(jǔ)以及(jí)由于流體粘性(xìng)作(zuò)用産生(shēng)的液體阻(zǔ)力(lì)之(zhī)後使(shǐ)轉(zhuǎn)子(zǐ)開始(shǐ)運動(dòng)［１］，渦(wō)輪流量(liàng)傳感(gǎn)器結構原理如圖１所(suǒ)示。

　　在(zài)葉輪上(shàng)的(de)磁鐵産生(shēng)磁場(chǎng)，固定(dìng)在(zài)傳感(gǎn)器内部(bù)的線圈(quān)組件處(chù)于磁場中，如圖２所示(shì)，當燃(rán)油通過傳感器内腔(qiāng)後，燃油的流速(sù)驅動葉(yè)輪旋轉，帶動(dòng)葉輪上的(de)磁鐵旋轉，此時(shí)線圈(quān)組件感應(yīng)的磁通量(liàng)也周(zhōu)期發生變化(huà)。

根(gēn)據電磁感應原(yuán)理，線圈的(de)磁通量發生變(biàn)化，相應産(chǎn)生感(gǎn)應電勢：

Ｎ爲線圈的匝數(shù)，ΔΦ爲(wèi)磁通(tōng)量變化，ΔＴ爲變化(huà)時間。因此，燃油(yóu)流過渦輪流量(liàng)傳感器(qì)時，線圈(quān)會産(chǎn)生(shēng)周(zhōu)期變(biàn)化電(diàn)壓，即葉輪(lún)轉動一圈(quān)，就會(huì)感應(yīng)出一個正(zhèng)弦信号(hào)，葉(yè)輪連(lián)續轉(zhuǎn)動，就會周期的(de)産生(shēng)正弦(xián)信号。經過信号處理轉換(huàn)爲脈沖信号(hào)，渦輪流(liú)量傳感器(qì)穩定(dìng)運行輸(shū)出的脈(mò)沖頻率與流經流量(liàng)傳感(gǎn)器的(de)流量理論關系(xì)如下(xià)［６］：

Ｑ爲通(tōng)過渦(wō)輪流量傳感器(qì)的體積(jī)流量（Ｌ／ｓ），ｆ爲脈沖信号(hào)頻率(lǜ)（Ｈｚ），ｋ爲儀表系數（１／Ｌ）。
　　信(xìn)号處(chù)理單(dān)元主要實現交流信(xìn)号處理(lǐ)及數據通信，首先将交(jiāo)流信号轉(zhuǎn)爲脈沖信号，其次單(dān)片機(jī)控制(zhì)器通(tōng)過光(guāng)耦電氣隔離采集并(bìng)計算(suàn)脈沖頻率，依據(jù)标定的流(liú)量和頻率關系計算(suàn)相應燃(rán)油(yóu)流量，最後将數據寫(xiě)入串口(kǒu)通信模塊，經由電氣接口發(fā)至(zhì)機載計(jì)算機。
１.２信号轉換(huàn)及處理
　　渦(wō)輪流(liú)量傳感器中的(de)葉輪旋轉(zhuǎn)時，線(xiàn)圈周(zhōu)期産(chǎn)生幅(fú)值爲數十(shí)毫安至數(shù)百(bǎi)毫(háo)安的(de)微小交(jiāo)流(liú)信号(hào)，經過第一級運(yùn)算(suàn)放大器将微(wēi)小交(jiāo)流信号進(jìn)行放大并(bìng)限幅(fú)，消除(chú)幅(fú)值爲負(fù)的信(xìn)号。再經過第二(èr)級比較器(qì)，比較電壓(yā)爲(wèi)零(líng)，輸入(rù)電壓大于(yú)零時，輸出高電平，否(fǒu)則輸出低(dī)電平(píng)，即将(jiāng)交流(liú)信号轉換爲脈(mò)沖信号。脈(mò)沖經(jīng)過光耦(ǒu)進(jìn)行電(diàn)氣隔離，電信号單向傳輸，由單(dān)片機采集(jí)光(guāng)耦(ǒu)信号輸出(chū)的通(tōng)斷頻率，即(jí)爲原始信(xìn)号頻(pín)率值(zhí)，再(zài)通過預先标(biāo)定的(de)頻率與流(liú)量關(guān)系，計算可得原始(shǐ)信号對(duì)應的燃油流量(liàng)，信(xìn)号轉換過程(chéng)如圖３所示(shì)。

　　在渦輪流量傳感器标定試驗台中進行傳(chuán)感(gǎn)器标定(dìng)，針對主(zhǔ)流(liú)量點(diǎn)（１００Ｌ／ｈ、１５０Ｌ／ｈ、３００Ｌ／ｈ、６００Ｌ／ｈ）輸入相應流量的燃油流(liú)經渦(wō)輪傳感(gǎn)器(qì)，使用(yòng)頻率(lǜ)采集設備(bèi)測量脈沖頻率(lǜ)，并輸入的流量(liàng)與采(cǎi)集到的頻(pín)率相關聯，得到(dào)表１中标(biāo)定結果(guǒ)。
２故障現象通過(guò)地面電源爲設(shè)備上電後，發動(dòng)機(jī)在(zài)低轉(zhuǎn)速狀(zhuàng)态下(xià)開(kāi)車，在地(dì)面控制站(zhàn)人機(jī)交互界(jiè)面查看(kàn)到燃油流(liú)量在(zài)５００Ｌ／ｈ～１５００Ｌ／ｈ跳動，已經超過(guò)傳感器實際測(cè)量範(fàn)圍，此時理(lǐ)論值(zhí)：

應(yīng)爲(wèi)８０Ｌ／ｈ～１００Ｌ／ｈ。通過分析飛(fēi)參記錄設(shè)備中(zhōng)的數據(jù)，得(dé)到圖(tú)４中曲線。

　　由曲線(xiàn)可以(yǐ)看出，在發動機未(wèi)起動時(shí)，燃油流量爲０Ｌ／ｈ，故(gù)障(zhàng)未出現；在發(fā)動機起動(dòng)至最(zuì)低轉(zhuǎn)速(sù)時，燃油(yóu)流量(liàng)出現(xiàn)異常，在５００Ｌ／ｈ～１５００Ｌ／ｈ随(suí)機(jī)跳(tiào)動；在(zài)轉速(sù)達到最大(dà)轉速時，燃(rán)油流量爲２６０Ｌ／ｈ，故(gù)障(zhàng)消失。
通過(guò)分(fèn)析燃油渦輪流(liú)量傳感器(qì)工(gōng)作原理及(jí)現場(chǎng)環境(jìng)，出現上述故障原因可能爲外界磁(cí)場耦合進渦輪(lún)流(liú)量傳感器線(xiàn)圈，使得原始微小交流信号混入幹擾信号，且(qiě)此時(shí)信(xìn)噪(zào)比較(jiào)低(dī)，幹擾信号起(qǐ)主導(dǎo)作(zuò)用，信号處理(lǐ)單元将混入幹(gàn)擾(rǎo)的信号處理後計算得(dé)到的頻率較高(gāo)，由脈沖頻率與(yǔ)燃油流量(liàng)成線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關系，即(jí)會出(chū)現(xiàn)較大的燃油(yóu)流量(liàng)。
３建模(mó)仿真及(jí)驗證(zhèng)
３.１建模仿真(zhēn)
　　爲進一(yī)步分析(xī)故障原(yuán)因，根(gēn)據渦(wō)輪流(liú)量(liàng)傳感器的信(xìn)号轉換過程建(jiàn)立邏輯(jí)模(mó)型，在(zài)不同(tóng)頻率段加(jiā)入頻率爲(wèi)５０Ｈｚ的外界幹(gàn)擾，查看脈(mò)沖頻(pín)率(lǜ)變化情(qíng)況。
将(jiāng)表１中數據(jù)拟合爲(wèi)線性函(hán)數，得到如下燃(rán)油渦輪流量傳(chuán)感器産生(shēng)脈沖(chòng)的頻率和(hé)燃油(yóu)流量的關系：

燃(rán)油流量(liàng)産生的微小(xiǎo)交(jiāo)流信号(hào)爲：
假定外界(jiè)電(diàn)磁幹(gàn)擾作用于(yú)渦輪流量(liàng)傳感器産(chǎn)生的幹擾(rǎo)爲(wèi)：
渦輪傳(chuán)感器(qì)線圈(quān)輸(shū)出信号(hào)爲：
限(xiàn)幅後的信(xìn)号爲(wèi)：
轉換爲脈沖信(xìn)号：Ｍａｘ爲脈沖(chòng)幅(fú)值。
　　基于ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立(lì)燃油渦輪流量(liàng)傳感(gǎn)器的邏輯(jí)模型(xíng)，如(rú)圖(tú)５所示。由于(yú)Ｓ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ可以用連(lián)續或(huò)離(lí)散狀态(tài)方程(chéng)描述動态系統模(mó)塊(kuài)，因此，渦輪(lún)流(liú)量傳感(gǎn)器線(xiàn)圈磁(cí)－電轉換、波(bō)形限幅、交(jiāo)流轉脈沖等模塊基(jī)于Ｍ－ｆｉｌｅ模闆編(biān)寫Ｓ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ來實(shí)現(xiàn)［７－８］。

　　分(fèn)别設定理(lǐ)論(lùn)燃油(yóu)流(liú)量爲表１中(zhōng)标定的下限１００Ｌ／ｈ和(hé)上限６００Ｌ／ｈ，渦輪流量(liàng)傳感(gǎn)器(qì)信(xìn)号輸出及(jí)脈沖輸出(chū)如圖６所示(shì)。

　　仿真結果表(biǎo)明，在低流量時(shí)，渦輪流量傳感(gǎn)器原(yuán)始微(wēi)小交(jiāo)流信(xìn)号(hào)過零比(bǐ)較處(chù)，脈沖(chòng)頻率較高(gāo)，且幅值不(bú)穩定。而(ér)在高流量時，脈沖(chòng)信号(hào)頻率(lǜ)與真實信(xìn)号頻(pín)率相近，幅值穩定。
仿真結(jié)果與(yǔ)故障現象(xiàng)一緻，初步(bù)推斷(duàn)渦輪流量(liàng)傳感(gǎn)器故障原(yuán)因爲(wèi)外界(jiè)磁場幹擾(rǎo)。
３.２　
　　驗證試驗爲确(què)定故(gù)障原因，在(zài)燃油測試台中進行驗證(zhèng)試驗，設定供給至渦輪流量傳感(gǎn)器(qì)的燃(rán)油真(zhēn)實流(liú)量爲９０Ｌ／ｈ，通過繼電(diàn)器控制外(wài)置線圈通(tōng)／斷(duàn)電(diàn)，頻率(lǜ)爲５０ Ｈｚ，模(mó)拟外界電(diàn)磁幹擾，分(fèn)别用兩台示波(bō)器檢測到(dào)渦輪流量傳感器線圈輸(shū)出信(xìn)号和脈沖(chòng)輸出(chū)信号，如圖(tú)７所示。
　　試(shì)驗結果(guǒ)表明，在未(wèi)加入(rù)外界幹(gàn)擾(rǎo)時，原(yuán)始微小交(jiāo)流信号及脈沖(chòng)信号(hào)電氣(qì)特性良好(hǎo)，脈沖(chòng)最高幅值(zhí)穩定，光耦(ǒu)可以(yǐ)正常通／斷，單片機計(jì)算得(dé)出脈(mò)沖信(xìn)号(hào)頻率值(zhí)。而加入外界幹(gàn)擾後，原始信号(hào)出現明(míng)顯畸變(biàn)，幅值(zhí)在(zài)２２ｍＶ左右，轉(zhuǎn)換脈沖信(xìn)号最(zuì)高幅值不穩定(dìng) （１.７Ｖ～１.０Ｖ），且(qiě)最低(dī)幅(fú)值亦(yì)有突變，導(dǎo)緻(zhì)光(guāng)耦出現異(yì)常通(tōng)／斷，最(zuì)終(zhōng)導緻單片機計算(suàn)出的頻率較真(zhēn)實圖(tú)７線圈輸出(chū)波(bō)形及脈(mò)沖轉(zhuǎn)換波形頻率(lǜ)較高，在５００Ｌ／ｈ～１　５００Ｌ／ｈ之間(jiān)跳動。

　　經進一步(bù)分析，由于(yú)葉輪的機(jī)械特(tè)性，在(zài)高流量段(duàn)工作時，葉輪轉(zhuǎn)速和(hé)燃油流量(liàng)成線(xiàn)性的(de)正比關系(xì)，在低流量段(duàn)工作時，葉輪(lún)轉速和燃油流(liú)量成非線(xiàn)性的關系(xì)，流(liú)量越小(xiǎo)，轉速(sù)下降(jiàng)得越(yuè)快(kuài)。供(gòng)油管路的(de)燃油流量在(zài)低(dī)流量(liàng)段時，傳感(gǎn)器葉輪(lún)的轉速(sù)會降得很低，線(xiàn)圈的(de)感(gǎn)應電勢(shì)Ｅ會跟(gēn)着變(biàn)小，即(jí)信号的(de)電壓呈非線性的加速下降(jiàng)，這說(shuō)明傳感器已經工作(zuò)在非線性流量段，由于葉輪轉(zhuǎn)速太低(dī)，感應的(de)信号(hào)很弱小，在(zài)存在(zài)電源噪聲(shēng)和幹擾的情況(kuàng)下，信号處(chù)理單元無法區分真實信(xìn)号和幹擾(rǎo)信(xìn)号(hào)，導(dǎo)緻燃油(yóu)測量不(bú)準确。
４　結束語
　　針對燃油(yóu)渦輪流量傳感器在低流量段(duàn)出現流量(liàng)不準(zhǔn)确的(de)故障，分析(xī)了其工作(zuò)原理及信号(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程，建立了其邏(luó)輯模型，最後，進(jìn)行了故障仿真及驗證試(shì)驗。最(zuì)終确定了(le)故障原因爲外界磁(cí)場幹(gàn)擾，排除故(gù)障可考慮以下(xià)兩種措(cuò)施(shī)：
１）在渦(wō)輪流量傳感器(qì)中設計電磁屏蔽(bì)結構，阻止外(wài)界電(diàn)磁幹擾耦合進線(xiàn)圈(quān)；
２）信号處理(lǐ)單(dān)元中的采用(yòng)滞回(huí)比較(jiào)器(qì)電路，可(kě)以過(guò)濾外界(jiè)幹擾造成的電(diàn)壓(yā)波動(dòng)。

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