一種分段電容式汽車燃油油位傳感器

陳天毅，周 平，昝昕武，黃有根

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心四所，四川綿陽 621000;2.重慶大學(xué)光電工程學(xué)院光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

汽車燃油油位傳感器安裝在汽車油箱內(nèi)并浸泡在油液中，用來檢測(cè)汽車油箱中剩余的燃油量，為駕乘人員準(zhǔn)確判斷燃油存量和續(xù)駛里程提供重要的依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)外廣泛使用的汽車燃油油位傳感器按測(cè)量原理分為滑變電阻式、霍爾式、超聲波式、磁致伸縮式、電容式等［1－3］。其中，滑變電阻式油位傳感器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉而廣泛應(yīng)用于各類汽車的燃油油位測(cè)量中。

由于滑變電阻式油位傳感器結(jié)構(gòu)存在浮子、浮子臂、電刷等機(jī)械可動(dòng)部件，在汽車長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)由于各類振動(dòng)造成電刷與碳基磨損、接觸不良甚至出現(xiàn)卡滯或碳基斷裂等情況，從而使得傳感器輸出失準(zhǔn)甚至失效［4］。近年來，醇類燃料的出現(xiàn)及推廣更使得裸露在外的碳基直接浸泡在油液中，使滑變電阻式油位傳感器直接短路，無法在此類環(huán)境中使用。而霍爾式和磁致伸縮式都有機(jī)械可動(dòng)浮子，長(zhǎng)期使用也會(huì)出現(xiàn)機(jī)械卡滯等情況。超聲波式傳感器價(jià)格昂貴且存在測(cè)量死區(qū)。電容式傳感器無機(jī)械可動(dòng)部件，但需要對(duì)被測(cè)液體介電常數(shù)進(jìn)行定期標(biāo)定，因而油品適應(yīng)性差［5－8］。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的分段電容式汽車燃油油位傳感器來解決傳統(tǒng)油位測(cè)量方法存在的機(jī)械卡滯及油品適應(yīng)性差等問題，為汽車燃油油位測(cè)量提供了一種新思路。

1 測(cè)量原理

電容式測(cè)量方法不存在機(jī)械可動(dòng)浮子，因此在長(zhǎng)期使用過程中不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)電阻式、霍爾式和磁致伸縮式等測(cè)量方法中存在的機(jī)械卡滯問題，是一種非常好的無機(jī)械可動(dòng)部件的測(cè)量方法。

1.1 電容測(cè)量原理

以平行平板電容器為例［9－10］。如圖1所示。假設(shè)極板長(zhǎng)度為L(zhǎng)，高度為H，極板間距為D，極板間油液高度為h(0＜h＜H)，電容器電容C為油液中的電容C油和空氣中的電容C空相并聯(lián)，在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，其值為:

式中:ε0為真空介電常數(shù);ε1為空氣相對(duì)介電常數(shù);ε2為待測(cè)液體相對(duì)介電常數(shù)。一般情況下ε2大于 ε1。

圖1 平行平板電容器

當(dāng)電容器結(jié)構(gòu)固定后，即L，H，D為常數(shù)時(shí)，式(1)可改寫為

圖2 不同油位高度與電容量的關(guān)系

式(2)和圖2描述了固定結(jié)構(gòu)電容測(cè)量液位的基本原理。從圖2中可以看出，在測(cè)量過程中，相同的容值在不同種類的燃油中對(duì)應(yīng)不同的液位高度，因此電容式液位測(cè)量需要預(yù)知被測(cè)液體的介電常數(shù)。然而，在實(shí)際使用過程中，汽車燃油油品成分復(fù)雜，同種類油品介電常數(shù)不盡相同，且油品介電常數(shù)容易受環(huán)境溫度、濕度等影響，因此傳統(tǒng)的電容式測(cè)量需要定期和不定期對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行標(biāo)定才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。這也是電容式測(cè)量存在的最大問題。

1.2 分段電容測(cè)量原理

平行平板電容在結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，一旦有油液進(jìn)入極板間，便可引起平行平板電容器的電容量發(fā)生改變，即此時(shí)C＞C0(初始值)。如果在測(cè)量高度上均勻布置多個(gè)獨(dú)立的微小平行平板電容，假設(shè)每個(gè)小電容在空氣中的初始值均為C0，那么一旦有油液進(jìn)入極板，只需要確定有多少個(gè)電容的電容量大于C0，即可根據(jù)這些微小電容的幾何間隔計(jì)算出油液高度。每個(gè)微小電容在此處均作為一個(gè)開關(guān)存在，當(dāng)分段數(shù)也即單位高度內(nèi)電容數(shù)量足夠多時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)高精度且與介質(zhì)無關(guān)的液位測(cè)量，不需要預(yù)先獲知液體介電常數(shù)，也無需定期標(biāo)定。

圖3為平行平板分段電容器的一個(gè)實(shí)例。h為被測(cè)油液進(jìn)入極板內(nèi)的高度，LC為極板上相鄰兩個(gè)分段電容的幾何間距。整個(gè)傳感器相當(dāng)于在油液測(cè)量高度上均勻布置了多個(gè)油液行程開關(guān)，當(dāng)油位高度抵達(dá)一個(gè)開關(guān)時(shí)就使得開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化。通過判斷這些開關(guān)狀態(tài)就可獲知油液到達(dá)了哪個(gè)開關(guān)所在的位置，而通過分段數(shù)的控制就可以自由設(shè)定測(cè)量所需的精度。當(dāng)然，分段數(shù)越多，測(cè)量精度越高，處理電路越復(fù)雜，成本和復(fù)雜度也就越高。

圖3 平行平板分段電容器實(shí)例

該測(cè)量方法無需獲得平行平板電容器具體的電容量，而是采用電容比較的方法來間接測(cè)量油位。當(dāng)設(shè)置分段數(shù)足夠多時(shí)，克服了傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量需要對(duì)被測(cè)液體介電常數(shù)定期標(biāo)定的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)兼容多種車用油品的油位測(cè)量。

2 方案設(shè)計(jì)

分段電容式油位傳感器設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 油位傳感器設(shè)計(jì)框圖

在敏感元件即電容極板上構(gòu)造n個(gè)微小分段電容，將這n個(gè)分段電容和初始電容C0均接至處理電路中進(jìn)行比較，用來判斷各分段電容值是否大于初始電容值C0，最后輸出的電壓信號(hào)與大于初始電容值的分段電容個(gè)數(shù)成正比。

2.1 處理電路設(shè)計(jì)

傳感器采用基于差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制原理進(jìn)行信號(hào)處理［11－12］，如圖5 所示。

圖5 差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路原理

圖5中:Cn為任意一個(gè)分段電容，C0為初始電容;A1和A2是兩個(gè)比較器;Ur為參考電壓;U1為觸發(fā)器輸出的高電平。設(shè)接通電源時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的A端為高電位，B端為低電位。因此A端通過R1對(duì)Cn充電，直至F點(diǎn)的電位等于參考電壓Ur時(shí)，比較器A1輸出脈沖，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，A端變?yōu)榈碗娢?，B端變?yōu)楦唠娢?。此時(shí)F點(diǎn)電位Ur經(jīng)二極管VD1迅速放電至零，同時(shí)B端高電位經(jīng)R2對(duì)C0充電。當(dāng)G點(diǎn)充電至Ur時(shí)，比較器A2輸出脈沖，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一次，A端又變?yōu)楦唠娢?，B端變?yōu)榈碗娢弧Ｈ绱酥芏鴱?fù)始，則在A、B兩端分別輸出寬度受Cn、C0調(diào)制的矩形脈沖。當(dāng)分段電容值Cn與初始電容值C0相等時(shí)，輸出電壓平均值為0。當(dāng)電容值Cn增大時(shí)，輸出電壓平均值則不為0。通過輸出電壓大小即可判定分段電容值是否大于初始電容C0。各點(diǎn)波形如圖6所示。

圖6 各點(diǎn)波形

2.2 工藝設(shè)計(jì)

電容極板基材采用絕緣、耐腐蝕材料，通過蝕刻得到所需形狀和尺寸的分段電容極板，再在極板上敷設(shè)耐腐蝕及絕緣的復(fù)合涂料，進(jìn)行高溫烘烤后定型。采用多點(diǎn)同時(shí)鉚接的設(shè)備一次性將兩極板鉚接，保證了兩平行極板的平行度。采取特殊密封膠灌封工藝，使電路板及極板上的焊點(diǎn)不與油品接觸而產(chǎn)生腐蝕，同時(shí)還可提高抗振動(dòng)性能［13－14］。

在分段電容與測(cè)量電路設(shè)計(jì)時(shí)，需注意盡量減小邊緣效應(yīng)和寄生電容的影響，并保證電容具有良好的絕緣性和耐腐蝕性［15］。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 油位傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)由待測(cè)的分段電容式油位傳感器、更高精度的磁致伸縮液位計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成，如圖7所示。

磁致伸縮液位計(jì)參數(shù)如下:測(cè)量范圍為250 mm;供電電壓為12 VDC;輸出信號(hào)為0～5 VDC;準(zhǔn)確度為0.1%FS;分辨率為0.01%FS;測(cè)量精度為0.1 mm。

分段電容式油位傳感器和磁致伸縮液位計(jì)均屬于浸入式接觸測(cè)量，當(dāng)傳感器浸入油品中會(huì)排開相應(yīng)體積的液體從而使得液位升高，同時(shí)，由于受浮力的影響，磁致伸縮液位計(jì)的浮子浸沒至油品中的高度因油品密度不同而不同，這些都會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來一定的誤差。因此，實(shí)驗(yàn)中采用以下的思路:首先，容器1內(nèi)盛滿被測(cè)油品，同時(shí)將容器1再置于一個(gè)更大的容器2之內(nèi)，用來接取從容器1中溢出的油品，兩容器均置于升降臺(tái)底座上;其次，將磁致伸縮液位計(jì)和分段電容式傳感器均固定安裝在升降臺(tái)上，搖動(dòng)搖桿，升降臺(tái)臂帶動(dòng)兩傳感器在豎直方向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩傳感器逐漸浸沒于容器1中時(shí)(相當(dāng)于進(jìn)入傳感器的液位由空油逐漸達(dá)到滿油位)，兩個(gè)傳感器排開的油液溢出至容器2內(nèi)，容器1中的油位還是維持不變，這就消除了傳感器和浮子進(jìn)入油液中使得液位上升這一情況;最后，反方向搖動(dòng)搖桿，兩傳感器逐漸從容器1中抬出(相當(dāng)于進(jìn)入傳感器的液位由滿油位逐漸達(dá)到空油位)，此時(shí)需要給容器1進(jìn)行補(bǔ)液，維持其液位不變。在補(bǔ)液的過程中，應(yīng)盡量避免液位晃動(dòng)而使得浮子隨之晃動(dòng)。計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡采集兩個(gè)傳感器的輸出，處理并顯示當(dāng)前液位。

圖7 油位傳感器測(cè)量系統(tǒng)示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

因?qū)嶒?yàn)室條件限制以及考慮到制作成本和復(fù)雜度等因素，僅對(duì)極板進(jìn)行了9分段。實(shí)驗(yàn)時(shí)，電容極板有效測(cè)量長(zhǎng)度H=125 mm，分段數(shù)n=9，待測(cè)油品為汽油和乙醇。

采用同一支傳感器分別在汽油和乙醇中等精度重復(fù)測(cè)量10次。表1為汽油中的測(cè)量結(jié)果，表2為乙醇中測(cè)量結(jié)果。

根據(jù)誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法可以得出汽油中的測(cè)量數(shù)據(jù)最小標(biāo)準(zhǔn)差在第1個(gè)測(cè)量點(diǎn)，σ1=0.242 mm，用3σ準(zhǔn)則判別出測(cè)量數(shù)據(jù)不存在粗大誤差，傳感器最大相對(duì)誤差為2.39%。

表1 汽油中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)mm

表2 乙醇中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

同樣，根據(jù)誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法可以得出乙醇中的測(cè)量數(shù)據(jù)最小標(biāo)準(zhǔn)差在第5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，σ5=0.211 mm，用3σ準(zhǔn)則判別出測(cè)量數(shù)據(jù)不存在粗大誤差。

汽油的介電常數(shù)遠(yuǎn)小于乙醇，因此每段內(nèi)汽油需要采用比乙醇更高的油位高度實(shí)現(xiàn)電容比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與此相符，如圖8所示。

傳感器滿量程下的重復(fù)性誤差為0.82%，遲滯誤差為1.23%。

通過對(duì)同一批次多支傳感器進(jìn)行性能測(cè)試，傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)與上述結(jié)果相近，一致性較好。

圖8 汽油、乙醇測(cè)量結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語

本文研究了一種分段電容式油位傳感器，通過在平行平板上等間距地構(gòu)造多個(gè)微小電容作為測(cè)量敏感元件，再結(jié)合后端處理電路進(jìn)行處理。傳感器無機(jī)械可動(dòng)部件，且能適應(yīng)多種油品實(shí)現(xiàn)測(cè)量。傳感器采用9分段，在汽油和乙醇2種汽車油品中分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相符合。傳感器滿量程下最大相對(duì)誤差為2.39%，重復(fù)性誤差為0.82%，遲滯誤差為1.23%。如若增加分段數(shù)，傳感器測(cè)量精度能達(dá)到更高，當(dāng)然，傳感器的制作成本以及復(fù)雜度也越高。該傳感器已經(jīng)在實(shí)車上進(jìn)行了超過2年的實(shí)驗(yàn)，效果良好，為車用油品油位測(cè)量提供了一種新思路。

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