一种抗干扰航空燃油液位测量电路及可靠性验证方法与流程

本发明属于航空燃油测量传感器，具体涉及一种抗干扰航空燃油液位测量电路及可靠性验证方法。

背景技术：

1、飞机燃油液位的精确测量对于飞行安全至关重要。现有技术中，电容式测量法是常用手段之一：通过测量浸入燃油的两个同心圆柱电极之间的电容值来推算液位高度。燃油作为电介质，其介电常数约为2，在了解探头的几何形状（尺寸和电极之间的距离）后，通过测量探头之间电容值（空油箱至满油箱状态下约从50pf变化至100pf），可以精确估算燃油液位。

2、然而，实际应用中燃油不可避免地含有微量水分和杂质，这些导电性物质会显著增加电容器的介质损耗因数，导致电荷泄漏，直接影响电容测量精度。传统直接测量探头电容的方法易受介质损耗干扰，且测量电路复杂、功耗高。

3、此外，现有电荷测量方案常需双电源供电（含负电压），增加了系统复杂度和成本；同时，开关时钟的漂移会引入动态偏移误差，难以在高精度测量中有效补偿。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种抗干扰航空燃油液位测量电路及可靠性验证方法，以解决现有技术测量精度低的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种抗干扰航空燃油液位测量电路，包括探头电容、第一开关网络、电荷放大器、积分电容和第二开关网络，探头电容由两个同心圆柱电极构成，包括内电极和外电极，浸入燃油中用于感知液位变化；第一开关网络用于为积分电容提供正电位；探头电容的外电极接地；积分电容的第二端连接到电荷放大器的反相输入端；电荷放大器采用单电源供电的运算放大器，其反相输入端作为求和节点，用于连接所述探头电容、积分电容及第二开关网络，其正相输入端接地，其输出端与反相输入端之间并联有反馈电容和复位电阻；第二开关网络用于向所述求和节点注入补偿电荷；第一开关网络和第二开关网络由同一时钟信号同步控制。

4、进一步的，第一开关网络包括三个开关，其中第一开关连接在电源电压与探头电容的内电极之间，用于控制充电；第二开关连接在探头电容的内电极与电荷放大器的反相输入端之间，用于控制电荷转移；第三开关连接在电源电压与积分电容的第一端之间。

5、进一步的，第二开关网络包含一个单刀双掷开关，其公共端连接至所述电荷放大器的反相输入端，其第一切换端连接至所述电荷放大器的输出端，其第二切换端接地。

6、进一步的，积分电容的容值大于探头电容10,000倍以上，在电荷转移阶段与探头电容并联，用于接收并暂存探头电容转移的电荷；探头电容在空油箱至满油箱状态下的电容值范围为50pf至100pf。

7、进一步的，电荷放大器采用输入偏置电流小于10pa、开环增益大于100db的单电源cmos运算放大器。

8、进一步的，反馈电容为10pf，复位电阻为10mω，时间常数为100ms。

9、进一步的，还包括多路复用器，用于将多个油箱的探头电容切换连接至同一电荷放大器。

10、进一步的，多路复用器的切换时机与时钟发生器的时钟周期同步。

11、第二方面，本发明提供一种抗干扰航空燃油液位测量电路的可靠性验证方法，包括以下步骤：

12、通过第一开关网络将探头电容充电至电源电压；

13、将探头电容一端接地，另一端连接至电荷放大器的反相输入端，同时积分电容一端接地、另一端接正电位，使探头电容中的电荷全部转移至积分电容；

14、电荷放大器将转移的电荷量转换为与燃油液位成正比的输出电压；

15、通过单刀双掷开关将参考补偿电荷同步注入求和节点，抵消时钟漂移引起的动态偏移误差。

16、进一步的，电荷放大器通过反馈电容将转移的负电荷量转换为正输出电压vout=q_in/c_feedback，该电压与燃油液位成正比；复位电阻以100ms时间常数缓慢释放反馈电容上的电荷。

17、与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

18、本发明针对燃油中水分和杂质导致介质损耗、进而严重影响直接电容测量法精度的问题，采用电荷转移原理进行间接测量，通过设置一个容值远大于探头电容的积分电容，在电荷转移阶段使其与探头电容并联，迫使探头电容中储存的电荷近乎全部转移至积分电容，使得最终测量值仅对电容的电荷存储能力敏感，而基本不受介质损耗角导致的电荷泄漏影响，从而显著提升了在含杂质实际燃油环境中的测量抗干扰性和精度。

19、针对传统电荷测量方案常需正负双电源供电、导致系统复杂和成本高的问题，本发明中的电荷放大器采用单电源供电模式，通过合理的开关时序和电路设计，在仅需单一正电源的情况下完成完整的电荷转移、放大与输出，简化了供电架构，降低了功耗与成本。

20、针对开关时钟信号漂移会引入动态偏移误差的难题，本发明引入了由单刀双掷开关构成的第二开关网络。该网络在时钟驱动下，于每个测量周期向电荷放大器的求和节点同步注入一个已知的、极性相反的补偿电荷，此补偿量与时钟边沿抖动引起的误差电荷大小相等、方向相反，从而在硬件层面实现了对时钟漂移误差的动态实时抵消，保障了长期测量的稳定性。最后，该方案整体电路结构精简，主要由探头电容、积分电容、运算放大器、反馈网络及少量模拟开关构成，无需复杂的微处理器或可编程逻辑器件，不仅降低了系统复杂度与故障点，满足了航空级高可靠性要求，其采用的电荷转移机制与低功耗cmos器件相结合，也使系统整体功耗可降至微安级，契合航空器长期监测的电能管理需求。

1.一种抗干扰航空燃油液位测量电路，其特征在于，包括探头电容、第一开关网络、电荷放大器、积分电容和第二开关网络，探头电容由两个同心圆柱电极构成，包括内电极和外电极，浸入燃油中用于感知液位变化；第一开关网络用于为积分电容提供正电位；探头电容的外电极接地；积分电容的第二端连接到电荷放大器的反相输入端；电荷放大器采用单电源供电的运算放大器，其反相输入端作为求和节点，用于连接所述探头电容、积分电容及第二开关网络，其正相输入端接地，其输出端与反相输入端之间并联有反馈电容和复位电阻；第二开关网络用于向所述求和节点注入补偿电荷；第一开关网络和第二开关网络由同一时钟信号同步控制。

2.根据权利要求1所述的一种抗干扰航空燃油液位测量电路，其特征在于，第一开关网络包括三个开关，其中第一开关连接在电源电压与探头电容的内电极之间，用于控制充电；第二开关连接在探头电容的内电极与电荷放大器的反相输入端之间，用于控制电荷转移；第三开关连接在电源电压与积分电容的第一端之间。

3.根据权利要求1所述的一种抗干扰航空燃油液位测量电路，其特征在于，第二开关网络包含一个单刀双掷开关，其公共端连接至所述电荷放大器的反相输入端，其第一切换端连接至所述电荷放大器的输出端，其第二切换端接地。

4.根据权利要求1所述的一种抗干扰航空燃油液位测量电路，其特征在于，积分电容的容值大于探头电容10,000倍以上，在电荷转移阶段与探头电容并联，用于接收并暂存探头电容转移的电荷；探头电容在空油箱至满油箱状态下的电容值范围为50pf至100pf。

5.根据权利要求1所述的一种抗干扰航空燃油液位测量电路，其特征在于，电荷放大器采用输入偏置电流小于10pa、开环增益大于100db的单电源cmos运算放大器。

6.根据权利要求1所述的一种抗干扰航空燃油液位测量电路，其特征在于，反馈电容为10pf，复位电阻为10mω，时间常数为100ms。

7.根据权利要求1所述的一种抗干扰航空燃油液位测量电路，其特征在于，还包括多路复用器，用于将多个油箱的探头电容切换连接至同一电荷放大器。

8.根据权利要求7所述的一种抗干扰航空燃油液位测量电路，其特征在于，多路复用器的切换时机与时钟发生器的时钟周期同步。

9.一种抗干扰航空燃油液位测量电路的可靠性验证方法，其特征在于，基于权利要求1至8任意一项所述的抗干扰航空燃油液位测量电路，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种抗干扰航空燃油液位测量电路的可靠性验证方法，其特征在于，电荷放大器通过反馈电容将转移的负电荷量转换为正输出电压vout=q_in/c_feedback，该电压与燃油液位成正比；复位电阻以100ms时间常数缓慢释放反馈电容上的电荷。