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本文研究的磁致伸縮液位傳感器主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油噴嘴流量測(cè)試系統(tǒng)中，對(duì)傳感器的測(cè)量精度以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等要求更為嚴(yán)格。在對(duì)磁致伸縮液位傳感器測(cè)量精度問(wèn)題的研究中，先對(duì)傳感器的工作原理以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并通過(guò)模塊化電路的設(shè)計(jì)方法來(lái)提高傳感器的整體性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的電路具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。運(yùn)用了材料力學(xué)，電磁學(xué)等相關(guān)學(xué)科理論對(duì)磁致伸縮液位傳感器中的彈性波產(chǎn)生原理以及信號(hào)處理原理等建立了準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)研究對(duì)所建立模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，為后來(lái)研究人員提供了很好的理論依據(jù)。提出了一種可有效降低傳感器噪聲干擾，提高傳感器測(cè)量精度的雙絲差動(dòng)的新型結(jié)構(gòu)。但是，上述提出的改進(jìn)方法均需要對(duì)傳感器的硬件系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，這種方式具有不利于實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)性差，并且不能夠?qū)鞲衅魅踢M(jìn)行溫度補(bǔ)償，以及溫度補(bǔ)償電路容易產(chǎn)生漂移等問(wèn)題。依據(jù)上述問(wèn)題，本文采用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次擬合，通過(guò)誤差評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)選定逼近程度好的擬合曲線方程作為傳感器的補(bǔ)償方程，再次通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)補(bǔ)償方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1、傳感器工作原理及誤差分析 

1.1 傳感器工作原理 

1842年科學(xué)家James Prescott Joule發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮原理：當(dāng)外界磁場(chǎng)作用在鐵磁體上使其磁化時(shí)，鐵磁體的磁疇結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變化。原子之間的間距發(fā)生改變，使得鐵磁體的形狀也發(fā)生改變，鐵磁體在磁場(chǎng)方向上產(chǎn)生的變化更為明顯。磁致伸縮液位傳感器即根據(jù)磁體的磁致伸縮原理設(shè)計(jì)。傳感器由不銹鋼波導(dǎo)管、波導(dǎo)絲、浮球以及信號(hào)處理裝置組成。

當(dāng)傳感器開始工作時(shí)，傳感器上端的信號(hào)發(fā)生裝置會(huì)發(fā)送一個(gè)電流脈沖信號(hào)至磁致伸縮波導(dǎo)絲上。這個(gè)電脈沖以光速傳播，產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)，此環(huán)形磁場(chǎng)遇到浮子內(nèi)磁鐵時(shí)，產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲并產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變超聲波，該超聲波以一定的速率沿著波導(dǎo)管向兩端傳播，一端的超聲波會(huì)由末端的阻尼器吸收，另一端超聲波由信號(hào)接收裝置接收并轉(zhuǎn)為電流信號(hào)，這樣用超聲波的速度乘以發(fā)生信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)間差就得到浮子的位置。

1.2 傳感器誤差分析 

①溫度對(duì)傳感器浮子位置的影響

傳感器的被測(cè)液體是航空滑油，其密度會(huì)隨著溫度變化而變化，通過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到滑油密度隨溫度變化曲線，二者變化曲線類似于拋物線?；兔芏入S溫度變化曲線。密度的變化會(huì)使得同一個(gè)物體侵入該液體體積發(fā)生改變。由磁致伸縮液位傳感器的工作原理得知傳感器是通過(guò)浮球侵入液體從而反應(yīng)出相對(duì)于的液位，溫度的變化勢(shì)必影響傳感器浮球侵入液體的體積，從而影響傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性，特別對(duì)于溫差較大的系統(tǒng)，其誤差有可能超過(guò)系統(tǒng)的要求。因此在溫度變化較大的系統(tǒng)須消除溫度對(duì)磁致伸縮液位傳感器的影響。

②溫度對(duì)傳感器內(nèi)部晶振的影響

測(cè)量時(shí)激勵(lì)脈沖與返回脈沖的時(shí)間差決定了浮子的位置，因此，時(shí)鐘晶振是影響傳感器測(cè)量精度的重要因素之一。然后在被測(cè)介質(zhì)溫差變化較大的場(chǎng)合，晶振會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生的溫度漂移而影響傳感器測(cè)量的精度。

③溫度對(duì)回波速率的影響

由磁致伸縮液位傳感器的工作原理可知，傳感器實(shí)質(zhì)是應(yīng)用時(shí)間來(lái)表示液位值。波導(dǎo)材料的應(yīng)力、密度、彈性模量等參數(shù)都會(huì)影響材料的回波速率，而溫度又會(huì)影響波導(dǎo)材料的各項(xiàng)參數(shù)。 通過(guò)上述分析可知，溫度會(huì)在多方面對(duì)傳感器的測(cè)量精度產(chǎn)生較大的影響，因此，不易于使用硬件改進(jìn)的方法進(jìn)行修正。在低溫區(qū)域(20℃～40℃)，誤差呈線性，通過(guò)使用傳統(tǒng)的修正方式可以獲得較好的修正，但是高溫區(qū)域(50℃～70℃)的誤差呈非線性，使用傳統(tǒng)的修正方式不能獲得修正，因此我們可以通過(guò)這種補(bǔ)償方法的效果有限，僅能在某段區(qū)域能夠獲得補(bǔ)償作用，下面將通過(guò)基于小二乘法的多次擬合方法來(lái)對(duì)高溫區(qū)域的傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2、補(bǔ)償方法研究 

為減小溫度對(duì)滑油密度影響產(chǎn)生的誤差可以在初期選擇液位傳感器時(shí)選擇浮球密度相對(duì)較小的浮球，或是通過(guò)減小球形浮球的半徑來(lái)減小滑油密度隨溫度變化而帶來(lái)的誤差，但是對(duì)于傳感器已經(jīng)安裝好的系統(tǒng)不適用，并且該種方法的效果有限，不能完全地較好地消除誤差。傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法是使用溫度修正系數(shù)在傳感器采集系統(tǒng)中對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，生產(chǎn)廠家提供的系數(shù)為0.07%，通過(guò)不斷反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，將溫度修正系數(shù)確定在了0.03%～0.06%之間，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得在0.03%～0.06%之間。

3、結(jié) 論

3.1 誤差評(píng)估標(biāo)準(zhǔn) 

由于擬合過(guò)程中有效數(shù)字的取舍以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差等原因必然造成擬合結(jié)果的精確性，因此使用誤差、算術(shù)平均誤差及均方誤差來(lái)評(píng)估擬合曲線的精確性。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 

通過(guò)計(jì)算，不同溫度下擬合曲線的誤差，采用一次擬合曲線對(duì)傳感器進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)的誤差波動(dòng)很大，而二次至四次的擬合曲線無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其優(yōu)劣，因此需要再次通過(guò)算數(shù)平均誤差與標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)估，二次至四次擬合曲線的算數(shù)平均誤差與標(biāo)準(zhǔn)差。在選取的50℃、60℃、70℃條件下，四次擬合曲線的算術(shù)平均誤差與標(biāo)準(zhǔn)差小，即說(shuō)明該擬合方程的精確度高。

對(duì)由于被測(cè)液體溫度變化而產(chǎn)生的誤差機(jī)理進(jìn)行了分析。對(duì)傳感器在各個(gè)溫度下的輸出值進(jìn)行了測(cè)量，并提出了通過(guò)基于最小二乘法的一次至四次多項(xiàng)式擬合溫度補(bǔ)償方法，通過(guò)對(duì)擬合曲線的誤差、算術(shù)平均誤差以及標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行對(duì)比，確定了四次擬合曲線為本文研究的磁致伸縮液位傳感器的最佳擬合曲線。該種擬合方法可有效應(yīng)用于溫差較大條件下磁致伸縮液位傳感器的溫度補(bǔ)償。