汽車油位傳感器及其發(fā)展動(dòng)向

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海01804；.聯(lián)合汽車電子有限公司，上海0106）

汽車油位傳感器及其發(fā)展動(dòng)向

徐巍巍1，2，陳慧2
（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804；2.聯(lián)合汽車電子有限公司，上海201206）

詳細(xì)論述了汽車油位傳感器的技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)4種接觸式傳感器（厚膜電阻式、繞線電阻式、密封式、磁性開關(guān)式）和4種非接觸式傳感器（霍爾式、磁性浮子霍爾式、電容式、超聲波式）的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹，對(duì)各傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。結(jié)合目前主流傳感器的發(fā)展動(dòng)態(tài)，對(duì)傳感器的發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)歸納。

汽車油 位傳感器 接觸式 非接觸式

1 引言

汽車油位傳感器由于持續(xù)浸泡在各種燃油中，使用環(huán)境惡劣，所以其失效一直是售后投訴的重點(diǎn)，也是傳感器供應(yīng)商研究改進(jìn)的最重要的課題。

目前市場(chǎng)使用的油位傳感器種類繁多，原理各異，使用環(huán)境也千差萬別，故十分必要對(duì)各傳感器的特點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，為新型傳感器的研發(fā)提供參考。油位傳感器主要分為接觸式和非接觸式。

接觸式主要有厚膜電阻式和繞線電阻式等，其制造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，應(yīng)用最廣泛，是目前油位傳感器的絕對(duì)主流。為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的油品，針對(duì)厚膜電阻式傳感器的各種改進(jìn)設(shè)計(jì)，方興未艾。

非接觸式有霍爾式、超聲波式、電容式等，其電特性不受油品腐蝕影響，但由于成本較高，目前應(yīng)用很少。但其耐腐蝕優(yōu)勢(shì)明顯，仍然是一個(gè)發(fā)展的重要方向。

2 接觸式油位傳感器及其特點(diǎn)

2.1 厚膜電阻式

厚膜電阻式油位傳感器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，由厚膜電阻片、電刷（含觸點(diǎn)）、支架和一些傳輸導(dǎo)線組成，再輔助以繞電刷回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)的浮子桿組件，如圖1所示。

厚膜電阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性很強(qiáng)，設(shè)計(jì)周期短；即便是全新設(shè)計(jì)，也可僅通過調(diào)整電阻片導(dǎo)帶和電阻印刷等工藝來快速實(shí)現(xiàn)，具有極高的性價(jià)比。通常情況下，其它非接觸式傳感器的一個(gè)核心電子器件都有可能超過整個(gè)厚膜電阻傳感器的造價(jià)。

厚膜電阻式傳感器按照觸點(diǎn)類型進(jìn)行分類，一般分為單觸點(diǎn)、多觸點(diǎn)和帶狀觸點(diǎn)。觸點(diǎn)多采用貴金屬合金或者銅鍍金制成，具有良好的耐腐蝕能力和導(dǎo)電特性，如圖2所示。

圖1 厚膜電阻式傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖2 金觸點(diǎn)

（1）單觸點(diǎn)：屬較落后的設(shè)計(jì)，材料一般采用貴金屬，接觸區(qū)為圓形點(diǎn)接觸，現(xiàn)在一般不再采用，參見圖3。

圖3 單觸點(diǎn)傳感器

（2）多觸點(diǎn)：目前應(yīng)用最廣泛的方案，采用冗余設(shè)計(jì)。觸點(diǎn)材料有貴金屬，也有銅鍍金。圖4是一種雙觸點(diǎn)傳感器。最近幾年針對(duì)此類觸點(diǎn)的改進(jìn)層出不窮，主要集中在改進(jìn)有效接觸面積、觸點(diǎn)形狀和觸點(diǎn)壓力，優(yōu)化材料組合，減少貴金屬使用等方面。圖5是2種改進(jìn)設(shè)計(jì)的觸點(diǎn)形狀。

圖4 雙觸點(diǎn)傳感器

圖5 2種不同形狀的觸點(diǎn)

（3）帶狀觸點(diǎn)：將電刷簧片末端分割成多個(gè)觸片，同時(shí)壓在電阻片上，其特點(diǎn)是冗余設(shè)計(jì)，防止一個(gè)觸片接觸不良。觸片表面多采用貴金屬鍍層。圖6是2種新型的帶狀觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

圖6 2種帶狀觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.2 繞線電阻式

這種傳感器采用電阻絲纏繞方式，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，精度低，多用于輕型卡車等低端市場(chǎng)，如圖7所示。由于其繞線電阻結(jié)構(gòu)原理所限，其阻值變化幅度是一圈電阻線的阻值，所以其電阻值不能非線性設(shè)計(jì)，設(shè)定的油位點(diǎn)也不能過多。

圖7 繞線電阻式傳感器

2.3 密封式

電阻式傳感器具有成本優(yōu)勢(shì)，O形圈全密封式的厚膜電阻傳感器應(yīng)運(yùn)而生。其結(jié)構(gòu)與普通厚膜電阻傳感器類似，區(qū)別是將觸點(diǎn)、電阻片等易腐蝕的零件密封，轉(zhuǎn)軸處O型圈密封，密封腔如圖8所示。該類型應(yīng)用較為狹窄，價(jià)格稍貴，主要是針對(duì)惡劣油品市場(chǎng)，如巴西。

圖8 密封式厚膜電阻傳感器

2.4 磁性開關(guān)式

這種傳感器由膜片電阻片、簧片開關(guān)、磁鐵，密封罩、轉(zhuǎn)軸等組成，其原理如圖9所示。膜片電阻上貼磁性手指形的簧片開關(guān)，然后將膜片電阻和簧片開關(guān)密封，電阻片背面附有磁鐵；當(dāng)磁鐵在密封罩外隨浮子擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鐵會(huì)吸到該角度下的簧片，此處導(dǎo)帶接通，輸出該角度下的阻值。沒有磁力作用時(shí)，簧片會(huì)彈起，不會(huì)接觸導(dǎo)帶。

這種結(jié)構(gòu)避免了燃油腐蝕而產(chǎn)生的接觸電阻，延長了使用壽命，但制作比較復(fù)雜，成本較高，目前還沒有得到廣泛使用。圖10是某公司研發(fā)的該型傳感器的主要部件解剖圖。

圖9 磁性開關(guān)傳感器原理圖

圖10 簧片開關(guān)式傳感器

3 非接觸式油位傳感器及其特點(diǎn)

3.1 霍爾傳感器式

該傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種角度測(cè)量裝置，圖11是該類傳感器的一種結(jié)構(gòu)形式[1]。當(dāng)浮子桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鐵也跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致霍爾元件周圍的磁場(chǎng)變化，霍爾元件將這種變化轉(zhuǎn)化為線性信號(hào)輸出，經(jīng)過轉(zhuǎn)化計(jì)算，獲取油位信息。

圖11 一種霍爾傳感器

目前該類傳感器布置形式、種類繁多，但基本原理一致：當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件周圍磁場(chǎng)變化，引起霍爾元件輸出變化，進(jìn)而算出油位。

隨著復(fù)雜燃油的應(yīng)用，霍爾傳感器的耐腐蝕優(yōu)勢(shì)將凸現(xiàn)出來；同時(shí)，霍爾元件價(jià)格降低和質(zhì)量提高，也促使研發(fā)廉價(jià)霍爾傳感器被提上日程，這將是非接觸傳感器的一個(gè)重要發(fā)展方向。

3.2 磁性浮子霍爾式

傳感器[2]結(jié)構(gòu)如圖12，帶磁鐵的浮子隨油面在浮筒中上下移動(dòng)，經(jīng)過霍爾元件時(shí)，引起霍爾元件輸出變化，通過儀表的換算，得到油位的變化數(shù)據(jù)。

圖12 磁性浮子霍爾傳感器原理圖

目前該類型傳感器有少量應(yīng)用于市場(chǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是精度控制較好，無浮子桿占用空間少；缺點(diǎn)是霍爾元件多，成本很高，所以難以推廣。

3.3 電容式

電容式油位傳感器，多用于汽車油箱、油罐、油庫等油位的精確測(cè)量。由于沒有可移動(dòng)或彈性部件，耐沖擊、安裝方便、可靠性高、精度高，可對(duì)汽油、柴油、液壓油等進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)控，也適用于各種非導(dǎo)電液體的測(cè)量。

傳感器的主要部分是一個(gè)同軸的容器，當(dāng)油進(jìn)入容器后引起傳感器殼體和感應(yīng)電極之間電容量的變化，這個(gè)變化量通過電路的轉(zhuǎn)換并進(jìn)行精確的線性和溫度補(bǔ)償，輸出信號(hào)供給儀表。圖13是此類傳感器的一種結(jié)構(gòu)形式。目前，由于價(jià)格高，儀表復(fù)雜，所以難以普及到普通轎車上。

3.4 超聲波式

該類傳感器多用于倉儲(chǔ)、化工等物料的測(cè)量，目前在汽車油位測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用極少。圖14是某公司研發(fā)的超聲油位傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是精度高，探測(cè)距離長，受液面晃動(dòng)影響小，低磁滯作用；缺點(diǎn)是價(jià)格貴，約是普通油位傳感器的3倍。

圖13 一種電容式油位傳感器

圖14 超聲波油位傳感器

4 油位傳感器的發(fā)展動(dòng)向

在油品情況復(fù)雜的中國市場(chǎng)，應(yīng)用最廣泛的厚膜電阻式油位傳感器也顯示出了其局限性。在售后失效中，80%以上是由于導(dǎo)帶觸點(diǎn)腐蝕而引起的電阻輸出不正確或不穩(wěn)定。

尤其是中國的油品市場(chǎng)，良莠不齊。各地出產(chǎn)的原油本身差異比較大，煉制工藝也千差萬別，燃油中所含活性硫、酸性物質(zhì)也參差不齊。最近幾年風(fēng)行的生物燃油，如E20，M15等也在一些省份大行其道。惡劣的燃油環(huán)境是傳感器發(fā)展中最大的阻礙。

另外，隨著汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，價(jià)格已成為傳感器研發(fā)不能回避的問題。因此，兼顧價(jià)格，改善和提高厚膜電阻式傳感器構(gòu)件自身性能的嘗試非常多。諸如采用特殊的導(dǎo)帶和新型觸點(diǎn)貴金屬材料[3～6]、使用特殊的導(dǎo)帶制作工藝[7]等。

4.1 基于油位傳感器設(shè)計(jì)自身的改進(jìn)策略

（1）采用冗余觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這是提高油位傳感器信號(hào)質(zhì)量的有效途徑之一，如圖15所示。

圖15 一種冗余簧片觸點(diǎn)設(shè)計(jì)

冗余的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅提高了傳感器流通環(huán)節(jié)抵抗灰塵等雜質(zhì)的性能，從而降低油位傳感器的零公里投訴率，而且可以大幅度降低接觸惡劣油品后產(chǎn)生的接觸電阻的不利影響。

冗余結(jié)構(gòu)可以顯著改善傳感器信號(hào)的質(zhì)量。由于是多點(diǎn)接觸，即便是所有的觸點(diǎn)和導(dǎo)帶間均有接觸電阻的情形下，回路的接觸電阻也僅僅為和冗余量相當(dāng)?shù)亩鄠€(gè)獨(dú)立接觸電阻并聯(lián)之后的效果，接觸電阻會(huì)大幅度減小。

（2）增加有效接觸，通過合理設(shè)計(jì)降低貴金屬使用量。

在使用過程中，真正參與接觸的貴金屬其實(shí)只有接觸點(diǎn)附近表面的一小部分，其他用量可能僅僅起到固定支撐的作用，所以結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)可以減少貴金屬的使用量，降低成本，如圖16所示。觸點(diǎn)改為復(fù)合式，也是一種改進(jìn)的方向。

圖16 改進(jìn)的觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)原理圖

4.2 開發(fā)低成本的非接觸式傳感器

現(xiàn)今非接觸式傳感器的開發(fā)如火如荼，但由于價(jià)格較貴，至今還沒有一種能夠占據(jù)主導(dǎo)地位的傳感器出現(xiàn)。因此降低成本為這類型傳感器的首要目標(biāo)。

霍爾式非接觸傳感器經(jīng)過近幾年的發(fā)展，因其結(jié)構(gòu)接近厚膜電阻式，方便替換，逐漸成為開發(fā)的主流。同時(shí)，由于應(yīng)用擴(kuò)大，其主要電氣部件——霍爾芯片的成本也逐漸降低。圖17是某公司開發(fā)的霍爾傳感器結(jié)構(gòu)圖。但是，由于油位傳感器的測(cè)量角度最大達(dá)到100°，且測(cè)量精度要求高，目前霍爾芯片的一致性還無法滿足要求，霍爾傳感器距離廣泛應(yīng)用還有相當(dāng)長的路要走。

圖17 一種霍爾傳感器模型

4.3 改善傳感器的應(yīng)用環(huán)境

4.3.1 改進(jìn)油箱策略

將傳感器置于油箱容積中心可以減小車輛在上下坡時(shí)，燃油向油箱一端積聚導(dǎo)致浮子擺動(dòng)而產(chǎn)生的油位輸出偏差。

建立油箱體積變化與溫度、使用時(shí)間的關(guān)系模型，并根據(jù)這些信息對(duì)信號(hào)進(jìn)行修正，可以減少塑料油箱老化變形導(dǎo)致的油位輸出偏差。

4.3.2 改進(jìn)儀表策略

儀表負(fù)責(zé)汽車油位傳感器的電源的供給、信號(hào)采集和信號(hào)處理，它對(duì)油位傳感器信號(hào)質(zhì)量的影響是多方面的，同時(shí)也最直接、最顯著。

（1）屏蔽儀表電源對(duì)油位傳感器信號(hào)的干擾。儀表上增加一個(gè)對(duì)電源電壓的監(jiān)控端，使用輸出電壓的相對(duì)值，而非使用其絕對(duì)數(shù)值。

（2）采用三線結(jié)構(gòu)的油位傳感器。銀基導(dǎo)帶或者觸點(diǎn)被活性硫攻擊后，在二者的結(jié)合面形成薄膜接觸電阻，見圖18。普通傳感器僅采集輸出電壓V1，所采集電壓信號(hào)摻雜了接觸電阻的Rcontact的分壓效果，不能如實(shí)反映燃油的實(shí)際狀況。

三線結(jié)構(gòu)的采樣方式是同時(shí)采集V1和V2兩個(gè)端口的電壓輸出數(shù)值，通過在儀表中的電阻值計(jì)算，得出能夠剔除接觸電阻的影響。

（3）改進(jìn)儀表所采集數(shù)據(jù)的處理方式策略。通常情況下，儀表對(duì)采集到的油位傳感器信號(hào)都會(huì)進(jìn)行一些濾波處理，常見的方式是連續(xù)采樣，對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行取平均值。取平均值的辦法只能夠起到非常有限的削弱接觸電阻對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響作用。

圖18 三線結(jié)構(gòu)改善信號(hào)質(zhì)量

合理的處理方式是：不是取平均值，而是直接進(jìn)行數(shù)值比較，選擇采集到的最小阻值。在用戶能夠接受的時(shí)間段內(nèi)，儀表可以判定采集到了正確或者更接近真實(shí)狀況的數(shù)據(jù)，并實(shí)際利用之，則信號(hào)質(zhì)量將更接近真實(shí)狀況。

（4）確保油位傳感器的最小工作電流。研究表明，在不至于產(chǎn)生電弧效應(yīng)的前提下，隨電流增大，電流對(duì)薄膜電阻的擊穿效應(yīng)就愈明顯，能夠有效消除接觸電阻的影響。這一電流的最小數(shù)值約在20 mA。因此，如果在儀表回路設(shè)計(jì)之初，能夠考慮電流的影響，不失為一條有效提高油位傳感器信號(hào)質(zhì)量的策略。

5 結(jié)束語

從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，廣泛總結(jié)現(xiàn)有傳感器的特點(diǎn)，剖析其優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)傳感器的技術(shù)發(fā)展方向提出了自己的觀點(diǎn)，具有一定的工程參考價(jià)值。

1趙雷剛，莫易敏，孟麗君.基于霍爾元件的新型燃油液位傳感器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2008，37（3）.

2趙剛，陳文薌.基于霍爾效應(yīng)的浮子式液位計(jì).儀器儀表用戶[J].2001，8（5）.

3 Ireland H W,Farrar R L,Smith E F III,et al. Reliability Improvements for an Automotive Fuel Level Sensor[C].Electrical Contacts.Proceedings of the forty-sixth IEEE Holm conference,2000,pp. 216-224.

4 Ireland H W,Smith E F III.Optimization of the Contact Material and Conductive Ink used for an Automotive Fuel Level Sensor[C].20th International Conference on Electrical Contacts,Stockholm, Sweden,June,2002.

5 Flick S,Kersting R,Malanga D.Requirements for Thick Film Conductor Pastes for Fuel Level Senders [C].International Symposium on Microelectronics (IMAPS)proceeding,2005.

6 Smith E F III,Ireland H W.Design Guidelines for Automotive Fuel Level Sensors[C].SAE 2002-01-1074.

7 Dedert R,Heimann R,Hoffman C,et al.Fuel Tank Resistor Card Having Improved Corrosion Resistance. US 7002447 B2[P].Feb.21,2006.

Automotive Fuel Level Sensor and Its Development Direction

Xu Weiwei1,Chen Hui2
（1.Technical Center of UAES,Shanghai 201206,China; 2.School Of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804,China）

Automotive fuel level sensor can be divided into contact and non-contact types according to application.Technical status of the sensor,structures and working principles of 4-contact types(thick film resistance,winding resistance,sealed,magnetic switching)and 4 non-contact types(hall-type,magnetic float hall-type,capacitive,ultrasonic)are introduced.The advantages and disadvantages of each type are analyzed and compared.The development direction of fuel level sensor is summarized through examining analyzing the causes of complaints about such sensor,current difficulties,and current developments in the mainstream types of the sensor.

automotive,fuel level sensor,contact,non-contact

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.01.001

來稿日期：2010-10-12

徐巍?。?982-），男，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠囯娮蛹夹g(shù)。