一種新型電容式燃油傳感器

邱淑賢, 高 旭

(1.四平職業(yè)大學(xué)電子信息系,吉林四平 136002;2.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

汽車(chē)用燃油傳感器的主要作用是動(dòng)態(tài)測(cè)量燃油余量。目前多采用擺桿式浮子結(jié)構(gòu)[1],隨燃油液位的變化而在厚膜電阻器上切換不同的阻值輸出,實(shí)現(xiàn)剩余燃油的采樣測(cè)量。由于這種結(jié)構(gòu)的傳感器輸出信號(hào)主要是通過(guò)滑動(dòng)接觸片的位移切換不同位置對(duì)應(yīng)的電阻值,就形成了輸出電阻的階躍性變化。同時(shí),由于厚膜電阻器需長(zhǎng)時(shí)間浸泡在燃油介質(zhì)中,這會(huì)導(dǎo)致其表面切換的滑動(dòng)接觸部分接觸電阻值逐漸增大,致使采樣信號(hào)嚴(yán)重偏離實(shí)際值,油量表指示失準(zhǔn)。正是現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)存在這種固有的缺陷會(huì)引起測(cè)量誤差,并直接影響使用壽命,使得該器件已成為汽車(chē)中高故障零件。

基于這樣的市場(chǎng)應(yīng)用背景,文中提出了一種基于燃油作為電容介質(zhì)的變介電常數(shù)的電容式傳感器,充分利用電容式傳感器測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn),利用燃油介質(zhì)液面的變化,改變電容傳感器的電容量,從而實(shí)現(xiàn)間接測(cè)量燃油液面高度的測(cè)量方法。

1 基本原理

電容傳感器的基本工作原理是基于被測(cè)物理量的變化可以轉(zhuǎn)換為電容量變化的特點(diǎn)[2],由物理學(xué)可知,電容器的電容量是構(gòu)成電容器的兩極片形狀、大小、相互位置及電介質(zhì)介電常數(shù)的函數(shù)。以平行板電容器為例,如果不考慮邊緣效應(yīng),其電容量為[3]:

式中 :ε——電容傳感器介質(zhì)的介電常數(shù),F/m;

S——極板的面積,m2;

δ——極板間的距離,m。

如果保持δ,S或ε中兩個(gè)參數(shù)不變,而僅改變另一個(gè)參數(shù),就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化,再通過(guò)配套測(cè)量電路,將電容量的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出,這就是電容式傳感器的基本工作原理。

文中選用的是變介電常數(shù)的電容式液位傳感器,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變介電常數(shù)燃油傳感器結(jié)構(gòu)

變介電常數(shù)燃油傳感器為筒式結(jié)構(gòu)的電容器,主要由兩個(gè)直徑分別為D和d的圓筒構(gòu)成,內(nèi)筒的外側(cè)和外筒的內(nèi)側(cè)均適當(dāng)進(jìn)行絕緣處理。當(dāng)其浸入被測(cè)量的燃油液體中時(shí),兩圓筒構(gòu)成了電容的兩極板,其間的介質(zhì)主要是由空氣和燃油液體構(gòu)成。由于燃油液體將發(fā)生變化,從而導(dǎo)致電容器的電容量也將發(fā)生變化。

在空載狀態(tài)下,電容量將主要由空氣介質(zhì)構(gòu)成,此刻電容量最小為:

在滿(mǎn)載狀態(tài)下,電容量將主要由燃油介質(zhì)構(gòu)成,此刻電容量最大為:

當(dāng)燃油介于空載和滿(mǎn)載之間時(shí),電容量如下:

ε1空氣介質(zhì)的介電常數(shù);

ε2被測(cè)量的燃油介質(zhì)的介電常數(shù)。

當(dāng)傳感器的外形尺寸和被測(cè)量的燃油介質(zhì)確定后 ,則 D,d,L,ε1,ε2 均為常數(shù)量,由電容量 C的公式可知,傳感器輸出的電容量C與液面高度H成線(xiàn)性比例關(guān)系[4]。

2 變介電常數(shù)電容式燃油傳感器在汽車(chē)燃油測(cè)量中的應(yīng)用

汽車(chē)燃油傳感器的主要作用是動(dòng)態(tài)測(cè)量燃油余量。目前多采用擺桿式浮子結(jié)構(gòu)[1],隨燃油液位的變化而在厚膜電阻器上切換不同的阻值輸出,實(shí)現(xiàn)剩余燃油的采樣測(cè)量。由于厚膜電阻器的輸出為不連續(xù)的分段式輸出,信號(hào)采樣的不連續(xù)性決定了汽車(chē)燃油的測(cè)量是階躍式輸出。正是現(xiàn)有的厚膜電阻結(jié)構(gòu)存在這種固有的缺陷總是會(huì)引起測(cè)量誤差。同時(shí),由于厚膜電阻器需長(zhǎng)時(shí)間浸泡在燃油介質(zhì)中,這會(huì)導(dǎo)致其表面切換的滑動(dòng)接觸部分接觸電阻值逐漸增大,致使采樣信號(hào)嚴(yán)重偏離實(shí)際值,油量表指示失準(zhǔn)。

電容式燃油傳感器的測(cè)量可同時(shí)解決傳統(tǒng)產(chǎn)品的缺陷,既可提高產(chǎn)品的測(cè)量精度,同時(shí)也可解決長(zhǎng)時(shí)間使用后的采樣失準(zhǔn)問(wèn)題。

測(cè)量主要是利用汽車(chē)燃油液面的高度變化來(lái)改變變介電常數(shù)電容式燃油傳感器的電容值,利用C-V變換電路將電容的變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出,再通過(guò)汽車(chē)儀表采樣電路A/D轉(zhuǎn)換[5],實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào),作為儀表指示電路的采樣數(shù)字信號(hào)輸入,實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油油量的測(cè)量[6]。

主要測(cè)量工作原理框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)工作原理框圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

利用圖1變介電常數(shù)燃油傳感器結(jié)構(gòu),內(nèi)棒采用不銹鋼棒直徑,d=5 mm,外筒采用耐油絕緣的聚四氟乙烯制成的注塑件外徑,D=10 mm,電容器電極高度L=1 m,被測(cè)量的液體汽油的介電常數(shù) ε1=1.9,空氣的介電常數(shù) ε2=1.000585,C/V轉(zhuǎn)換器選用CAV424電容式信號(hào)轉(zhuǎn)換比例電壓輸出接口集成電路,其輸出電壓可作為傳感器的采樣輸入電壓,直接輸入給汽車(chē)儀表驅(qū)動(dòng)指示。

根據(jù)圖2測(cè)試原理,通過(guò)對(duì)檢測(cè)電路調(diào)零、校準(zhǔn)后,在加注煤油的條件下,測(cè)試不同液位,對(duì)應(yīng)的采樣輸出電壓值Vout見(jiàn)表1。

表1 不同液位時(shí)的輸出電壓值

從表1可以看出,最大測(cè)量誤差為1.16%,完全滿(mǎn)足產(chǎn)品±2%的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

文中研究的電容式液位測(cè)量傳感器與傳統(tǒng)的產(chǎn)品相比,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低[7]、漂移小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品已通過(guò)客戶(hù)的鑒定,其在各種車(chē)載環(huán)境下,均能可靠工作。同時(shí),通過(guò)采用外筒上限流孔及后續(xù)電路的處理等技術(shù)措施,提高了測(cè)量的抗干擾能力,可適應(yīng)于各類(lèi)汽車(chē)燃油油量的測(cè)量,作為汽車(chē)控制系統(tǒng)的燃油采樣傳感器,可完全滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于:

1)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的燃油傳感器相比,文中研究的產(chǎn)品在采樣方式上改變了傳統(tǒng)的分段采樣,線(xiàn)性模擬[8]方式具有測(cè)試信號(hào)連續(xù)線(xiàn)性采樣,測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2)在采樣介質(zhì)的變化上,通過(guò)采用外筒限流孔的技術(shù),有效減緩了由于車(chē)載狀態(tài)急劇變化帶來(lái)的燃油信號(hào)波動(dòng)對(duì)采樣信號(hào)的影響。

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