簡(jiǎn)析汽車油箱液位測(cè)量技術(shù)

杭州永富電子儀表有限公司研發(fā)部 張建杭

一、目前我國(guó)測(cè)量汽車油箱液位的方法

最傳統(tǒng)的汽車油箱液位測(cè)量方法為浮子法。這種方法主要是通過(guò)浮子會(huì)隨著郵箱內(nèi)的燃油量減少液位變低而降低的原理來(lái)測(cè)量的。具體測(cè)量方法為當(dāng)油箱內(nèi)的油量在增加或者在減少時(shí)，浮子會(huì)隨著液位變化而變化。隨著浮子的變化，浮子帶動(dòng)的電阻元件也會(huì)變化。而當(dāng)油箱中的燃油即將用完時(shí)，油箱中的液位將會(huì)變得很少，所以油箱內(nèi)的浮子也會(huì)隨液位降低，也就帶動(dòng)了浮子上的電阻，在這個(gè)時(shí)候電阻阻值將會(huì)變得很大。在電路變得很大的情況下，電流會(huì)變得很小，指針會(huì)指向油量小的一邊。而當(dāng)油箱中在加油時(shí)，隨著油量的增加，液面會(huì)逐漸升高，隨著液面的提高，浮子也會(huì)提高并且?guī)е娮枳柚底冃?。在這種情況下電流會(huì)變大，而指針也會(huì)指向油量多的那一邊。

另一種傳統(tǒng)的測(cè)量汽車油箱液位的方法為利用導(dǎo)磁材料進(jìn)行測(cè)量，即用霍爾元件進(jìn)行測(cè)量。具體原理是當(dāng)油箱內(nèi)的燃油量增加或減少時(shí)，浮子會(huì)隨著液位的變化而變化，也就會(huì)帶動(dòng)著浮子上的線性霍爾元件進(jìn)行變化。當(dāng)郵箱內(nèi)的液位變得很少時(shí)，浮子就會(huì)隨著液位的變低而降低。在這個(gè)時(shí)候浮子連桿上的磁鐵將不會(huì)處在一個(gè)水平面上，在這個(gè)時(shí)候線性輸出的霍爾元件與磁鐵間的磁通量將會(huì)變大，從而引起分壓電阻的變化，使得油量表指針指向油量少的一邊。而當(dāng)郵箱內(nèi)注入燃油時(shí)，郵箱內(nèi)的液面將會(huì)逐漸上升，所以浮子也會(huì)隨著液面的變高而變高。在這個(gè)時(shí)候浮子會(huì)帶著連桿運(yùn)動(dòng)到一個(gè)水平面上，在這個(gè)時(shí)候線性輸出的霍爾元件與磁鐵間的磁通量將會(huì)變少，從而引起分壓電阻的變化，在這個(gè)時(shí)候也就會(huì)使得油量表的指針會(huì)指向油量高的一邊。

另一種在國(guó)產(chǎn)車較為高級(jí)的一種油箱液面測(cè)量方法為光纖傳感測(cè)量油箱液面的方法。這種方法主要原理是靠光的全反射原理來(lái)測(cè)量的。在具體的測(cè)量方法上，當(dāng)油箱內(nèi)燃油量很少時(shí)，光源會(huì)發(fā)射出光照射到液面上，而光信號(hào)反射到接受光纖的不同位置，光纖再將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)放大的原理傳入汽車內(nèi)的油量顯示系統(tǒng)，在油量表上顯示油箱內(nèi)油量較低的情況。而如果油箱內(nèi)的燃油在增加，液面上升時(shí)，光信號(hào)會(huì)隨著液面的上升而在接收光纖上進(jìn)行移動(dòng)，從而讓接收光纖將這樣的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)放大將電信號(hào)傳入汽車內(nèi)的油量測(cè)量系統(tǒng)，在油量表上顯示燃油量在增加。

在我國(guó)汽車中采用的油箱液面測(cè)量方法中還有一種為超聲波測(cè)量。這種方法和光纖測(cè)量方法較為類似，不過(guò)是將光信號(hào)換成超聲波，光纖用超聲波探頭來(lái)替代，而且這種測(cè)量方法不是由其他信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)而讓汽車內(nèi)的油量測(cè)量裝置計(jì)算出油量多少，而是由超聲波由發(fā)射到接收到的時(shí)間來(lái)計(jì)算的。在具體測(cè)量方法上，當(dāng)油箱內(nèi)的油量很少，液面變得很低時(shí)，發(fā)射探頭發(fā)射出的超聲波打到液面上在反射到接收探頭，在發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時(shí)開始進(jìn)行時(shí)間計(jì)算，而當(dāng)接收探頭接收到信號(hào)時(shí)計(jì)時(shí)截止。通過(guò)這段時(shí)間可以計(jì)算出油箱內(nèi)的液面高度，從而在汽車油量表上顯示燃油量很少。而當(dāng)油箱內(nèi)注入燃油時(shí)，隨著燃油高度的逐漸變高，發(fā)射探頭從發(fā)射超聲波到接收探頭接收到超聲波的時(shí)間會(huì)逐漸降低從而可以讓汽車內(nèi)的油箱測(cè)量裝置計(jì)算出油箱內(nèi)燃油量的變化情況，并且在油量表上顯示出來(lái)。

二、外國(guó)采用的汽車油箱液位測(cè)量方法

(一)目前外國(guó)較為常用的汽車油箱液位測(cè)量方法為雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量。這種方法主要是通過(guò)雷達(dá)液位計(jì)的天線通過(guò)發(fā)射電磁波，液面反射電磁波，天線接收電磁波的方式來(lái)測(cè)量油箱頂部到達(dá)燃油液面的距離，從而得出油箱內(nèi)液面的高度，也就能夠計(jì)算出油箱內(nèi)的燃油體積。在具體測(cè)量的時(shí)候，如果油箱內(nèi)的燃油較少，液面很低的時(shí)候，發(fā)射天線發(fā)射出電磁波，電磁波經(jīng)過(guò)油箱內(nèi)燃油液面的反射會(huì)達(dá)到接收天線，在這段時(shí)間內(nèi)可以算出油箱內(nèi)空余的體積，從而可以計(jì)算得到燃油的體積，從而在汽車油量表上顯示出來(lái)。

(二)通過(guò)對(duì)油箱底部的壓力進(jìn)行測(cè)量也可以計(jì)算出油箱內(nèi)的燃油體積，從而計(jì)算出油箱液位。具體測(cè)量方法為在油箱底部安裝液體壓力測(cè)量?jī)x，當(dāng)油箱內(nèi)的燃油體積較少的時(shí)候，燃油對(duì)于壓力測(cè)量?jī)x的壓力會(huì)變小，從而計(jì)算出燃油體積及油箱液位。而當(dāng)郵箱內(nèi)注入燃油時(shí)，壓力會(huì)逐漸升高，這時(shí)的壓力測(cè)量?jī)x器會(huì)將此時(shí)的情況傳入汽車內(nèi)的燃油測(cè)量裝置，從而將油箱內(nèi)液位逐漸升高的情況反饋出來(lái)。

(三)在外國(guó)另一種測(cè)量油箱液位的方法為采用壓阻式傳感器測(cè)量，即在油箱內(nèi)部生成惠斯通電路。這種方法需要在油箱內(nèi)放置單晶硅片，通過(guò)油箱內(nèi)部燃油液位的變化來(lái)引起硅片受力的改變，從而讓電阻發(fā)生變化，測(cè)量出油箱內(nèi)液位的改變。在油箱內(nèi)液位較低時(shí)硅片受力較少，電阻的阻值會(huì)變得很小，在這樣的電流下汽車內(nèi)的油箱液位測(cè)量裝置會(huì)計(jì)算出液位數(shù)據(jù)，在油量表中顯示出來(lái)。

(四)另一種在國(guó)外較為流行的傳感器測(cè)量方法為電容傳感器測(cè)量。這種方法是在油箱內(nèi)部放置上下電極。當(dāng)油箱內(nèi)液位升高時(shí)，對(duì)電機(jī)的壓力較大，使得電極上層會(huì)向中間靠攏，這樣會(huì)讓電容發(fā)生改變。在不同的電容下油箱內(nèi)的液位測(cè)量?jī)x器會(huì)計(jì)算出油箱內(nèi)部液位的變化，從而反饋給油量表。

三、各種液位測(cè)量方法的特點(diǎn)

(一)浮子法測(cè)量液位構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本不高，適用于便宜的家用車和貨車。但是在實(shí)際的應(yīng)用中，用浮子法測(cè)量的油箱液位常常不準(zhǔn)確，精度也較低，只能讀出大概的燃油液位。而且浮子法是通過(guò)浮子帶動(dòng)電阻變化而計(jì)算出液位變化的，所以在顛簸的路面上燃油的晃動(dòng)會(huì)導(dǎo)致浮子的起伏，從而引起讀數(shù)的改變，這對(duì)司機(jī)來(lái)說(shuō)將會(huì)造成很大的影響。而且電阻長(zhǎng)期浸泡在燃油中會(huì)造成阻值的改變，也會(huì)引起讀書的不穩(wěn)定，準(zhǔn)確度降低。

(二)如果采取霍爾元件測(cè)量油箱液位，通過(guò)元件特性可以得到線性數(shù)據(jù)。但是這種測(cè)量方法需要浮子帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從一方面來(lái)說(shuō)也會(huì)出現(xiàn)浮子法在路況不好時(shí)的讀數(shù)不穩(wěn)定現(xiàn)象，而且磁鐵長(zhǎng)期在燃油中也會(huì)逐漸消退磁性，這需要駕駛員經(jīng)常更換測(cè)量元件，較為麻煩。

(三)光纖傳感器的測(cè)量方式也具有成本低廉，構(gòu)造簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。而且光纖傳感器的響應(yīng)非常迅速。但是光線傳感器是需要光信號(hào)反射到接收光纖上才能夠進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換。這也就造成了只能在一定的范圍內(nèi)測(cè)量油箱的液面數(shù)據(jù)。而且目前的光感應(yīng)技術(shù)還不是很成熟，所以用光纖傳感器測(cè)量出的數(shù)據(jù)精度普遍不高，而且在油箱內(nèi)部會(huì)有雜質(zhì)擋住光源，在長(zhǎng)期行駛的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)歸零等故障，對(duì)駕駛員的操作造成一定的困難。

(四)超聲波測(cè)量的方法不會(huì)出現(xiàn)浸泡在燃油中使傳感器產(chǎn)生故障的情況發(fā)生，但是超聲波在介質(zhì)中很容易被雜質(zhì)等微小物體反射，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度造成一定的影響。而且超聲波傳輸?shù)乃俣容^慢，在不同的環(huán)境下速度也不同，這也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的測(cè)量造成影響。而且超聲波元件價(jià)格偏貴，容易損耗，不適用于經(jīng)濟(jì)型車輛的使用。

(五)導(dǎo)波雷達(dá)傳感器不僅可以穿透各種物體，使得受干擾程度降到最低，而且在安裝過(guò)程中不需要在油箱壁上進(jìn)行打孔，從而讓駕駛過(guò)程更加安全。但是這種傳感器對(duì)波的分析需要復(fù)雜的分析電路，對(duì)于芯片要求也很高。這就造成了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的造價(jià)十分昂貴，無(wú)法在所有車輛上進(jìn)行普及。

(六)液體壓力傳感器對(duì)油箱內(nèi)部構(gòu)造沒(méi)有要求，可以安裝在任何油箱底部，而且不需要進(jìn)行信號(hào)的傳輸，計(jì)算速度十分快速。在路況不好，油箱液面起伏較大時(shí)也對(duì)傳感器沒(méi)有影響，造價(jià)也較為低廉，很容易普及。但是這種傳感器的安裝需要在油箱底部打孔，對(duì)汽車造成安全隱患。

(七)壓阻式傳感器采用了硅晶片作為介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，而且惠斯通電路可以測(cè)量線性變化，對(duì)于油箱液位的測(cè)量會(huì)更加準(zhǔn)確。而且硅加工工藝已經(jīng)十分成熟，傳感器質(zhì)量難以出現(xiàn)問(wèn)題，制造成本也較低。對(duì)于普及應(yīng)用來(lái)說(shuō)十分方便。但是硅體受溫度影響較大，在氣溫變化較大時(shí)測(cè)量會(huì)出現(xiàn)誤差，數(shù)據(jù)也會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。

(八)電容式傳感器也具用響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，而且制造工藝十分簡(jiǎn)單，不需要在油箱內(nèi)部打孔，保證了行駛安全。而且電容傳感器內(nèi)部電路簡(jiǎn)單，不容易受到外部影響，在各種條件下的數(shù)據(jù)都較為穩(wěn)定。但是這種傳感器采用的輸出不是線性輸出，而且電容長(zhǎng)期浸泡在燃油中容易損壞。

四、國(guó)內(nèi)外傳感器的比較

通過(guò)各種傳感器的比較我們可以看出國(guó)內(nèi)所采用的傳感器多數(shù)是機(jī)械測(cè)量，不需要電路接入的。這些傳感器雖然成本低廉，但是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不高，而且極易受到外部影響。而國(guó)外傳感器基本上是需要信號(hào)轉(zhuǎn)換，電路計(jì)算的。這樣的數(shù)據(jù)雖然準(zhǔn)確，穩(wěn)定性好，但是需要在油箱內(nèi)部打孔，對(duì)行車安全造成隱患，而且電路容易損壞。

五、結(jié)語(yǔ)

目前汽車油箱液位測(cè)量技術(shù)很多，但是都不完美。在油箱液位測(cè)量方面我們需要精度高，穩(wěn)定性好，安全耐用且價(jià)格便宜的傳感器。這就需要對(duì)傳感器材料和工藝的不斷研究。我國(guó)的液位測(cè)量技術(shù)還處于較低的階段，所以就需要我國(guó)科研人員在油箱液位測(cè)量方面進(jìn)行更加深入的研究，在液位測(cè)量的智能化，自動(dòng)化方面進(jìn)行突破，為我國(guó)汽車工業(yè)，航空工業(yè)做出貢獻(xiàn)。

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