一種可自動(dòng)標(biāo)定數(shù)字式油位傳感器設(shè)計(jì)

新鄉(xiāng)北方車輛儀表有限公司 河南 新鄉(xiāng) 453000

1 引言

油位傳感器用于測(cè)量車輛行駛過程中的剩余燃油，保證車輛的正常行駛。在我國北方由于冬夏溫差較大，夏季氣溫一般在30℃～40℃，冬季氣溫一般在-20℃～-30℃，因此柴油車輛一般夏季使用0號(hào)柴油，冬季使用-35號(hào)柴油。兩種柴油的介電常數(shù)不同，使傳感器輸出值不同，造成測(cè)量的偏差。為了保證測(cè)量精度，需對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

現(xiàn)有的油位傳感器主要有電位器式、干簧管式、電容式等。電位器式油位傳感器通過機(jī)械方式改變電阻值，容易導(dǎo)致接觸不良甚至磨損，進(jìn)而影響測(cè)量準(zhǔn)確性。干簧管式油位傳感器由于干簧管安裝數(shù)量有限，使輸出阻值不連續(xù)，產(chǎn)生跳變，測(cè)量精度不高。而電容式油位傳感器一般由兩個(gè)電極組成，油面變化時(shí)兩電極間的油液面積發(fā)生改變，進(jìn)而使兩電極間的電容發(fā)生改變，通過測(cè)量電容的變化即可實(shí)現(xiàn)油位的測(cè)量。

電容式油位傳感器結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高、測(cè)量精度高被廣泛應(yīng)用，但是該測(cè)量方法與被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)息息相關(guān)，為保證測(cè)量精度需對(duì)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。本油位傳感器采用多電極電容式原理設(shè)計(jì)，不需要拆卸傳感器即可實(shí)現(xiàn)油位的自動(dòng)標(biāo)定。

2 傳感器方案設(shè)計(jì)

本油位傳感器測(cè)桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，測(cè)桿安裝在油箱內(nèi)部且垂直于油液液面。

圖1 測(cè)桿結(jié)構(gòu)示意圖

傳感器測(cè)桿由外電極、內(nèi)電極、絕緣螺釘組成，外電極、內(nèi)電極為圓柱形鋁管，外電極與內(nèi)電極同軸安裝，且外電極與內(nèi)電極之間存在間隙，油液填充在內(nèi)外電極之間。內(nèi)電極被等分為3份，內(nèi)電極之間通過絕緣螺釘進(jìn)行絕緣連接。3個(gè)內(nèi)電極與外電極組成3個(gè)電極組，形成3個(gè)電容器C1、C2、C3，隨著油位的變化，3個(gè)電容器的電容值發(fā)生改變，通過測(cè)量C1、C2、C3的電容值即可實(shí)現(xiàn)油位的測(cè)量。

由圖1可知，當(dāng)被測(cè)量油位H=0時(shí)，外電極與內(nèi)電極構(gòu)成的金屬圓柱形電容器之間充滿空氣介質(zhì)，此時(shí)3個(gè)電容器的電容值相等，用C0表示油位為零時(shí)C1、C2、C3的電容值，則：

式中，C0為電容量，單位F；ε0為電容器內(nèi)氣體等效介電常數(shù)，單位F/m，L為3個(gè)內(nèi)電極高度，L=L1=L2=L3，R1為外電極內(nèi)徑半徑，R0為內(nèi)電極外徑半徑，單位m。當(dāng)內(nèi)電極和外電極之間充滿被測(cè)油液時(shí)，C1、C2、C3的電容值也相等，用C滿表示油位為滿位時(shí)C1、C2、C3的電容值，則：

根據(jù)測(cè)量出的C滿及公式(3)計(jì)算出油箱內(nèi)油液的等效介電常數(shù)ε，并將該常數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

3個(gè)內(nèi)電極是完全獨(dú)立的，可單獨(dú)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，以每個(gè)內(nèi)電極最底面為零位，假設(shè)油位距離內(nèi)電極零位的高度為h，此時(shí)C1、C2、C3的電容值用Ch表示，Ch為油面上部氣體介質(zhì)形成的電容加油液介質(zhì)形成的電容，則：

式中，ε為電容器內(nèi)油液的等效介電常數(shù)，單位F/m。

傳感器自動(dòng)標(biāo)定的原理是當(dāng)測(cè)量出C1、C2、C3電容值相等且遠(yuǎn)大于C0時(shí)，給出油位已滿的判定，傳感器自動(dòng)記錄滿油位時(shí)的電容值C滿，當(dāng)C滿已知時(shí)，由公式(2)可得：

由公式(4)可知，參數(shù)ε0、R1、R0、L都是定值，ε已通過公式(3)計(jì)算出來，由此，只要測(cè)出電容值便能計(jì)算出油位距內(nèi)電極零位的高度h。

當(dāng)油位為H時(shí)，根據(jù)C1、C2、C3與C滿、C0的關(guān)系，判斷此時(shí)油位所在位置。當(dāng)測(cè)量出C1≤C滿，C2=C0，C3=C0時(shí)，判斷出油位H在L1處，則H=h；當(dāng)C1=C滿，C2≤C滿，C3=C0時(shí)，判斷出油位 H在L2處，則 H=L+h；當(dāng)C1=C滿，C2=C滿，C3≤C滿時(shí)，判斷出油位 H在L3處，則 H=2L+h。

更換油液時(shí)，只需使油箱充滿油液，傳感器根據(jù)C1、C2、C3的測(cè)量值自動(dòng)計(jì)算油液的介電常數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)油位的自動(dòng)標(biāo)定。

本傳感器系統(tǒng)框圖如圖2，主要由電容信號(hào)采集模塊、單片機(jī)處理模塊、CAN總線通信模塊、電源處理模塊組成。電源處理模塊將車載28V電源轉(zhuǎn)換為其他模塊需要的3.3V工作電壓，電容信號(hào)采集模塊采集各電極組的電容值，將電容值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)處理模塊，單片機(jī)處理模塊根據(jù)油位和電容值的關(guān)系，通過計(jì)算得出當(dāng)前油位值，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過CAN總線通信模塊發(fā)送。

圖2 系統(tǒng)框圖

3 傳感器硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源處理模塊設(shè)計(jì) 電源處理模塊通過超小型DC/DC電源模塊將28V電源轉(zhuǎn)換為3.3V電源，為了消除車載電源浪涌、尖峰的影響，保證傳感器的可靠工作，在電源輸入端設(shè)置了瞬態(tài)電壓抑制二極管、濾波電容等器件。

3.2 電容信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì) 電容信號(hào)采集模塊采用Pcap01芯片進(jìn)行電容的采集。Pcap01為一款帶有單片機(jī)處理單元的電容測(cè)量數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，其通過測(cè)量電容充放電的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)電容值的測(cè)量。Pcap01測(cè)量范圍覆蓋了從幾pF到幾百nF。Pcap01具有接地和漂移兩種電容連接方式，漂移模式具有更好的抗干擾能力，本傳感器采用漂移模式進(jìn)行電容測(cè)量。PC2～PC7分別接內(nèi)電極與外電極形成的3個(gè)電容器，PC0、PC1接47pF參考電容。本傳感器采用SPI接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。

3.3 單片機(jī)處理模塊設(shè)計(jì) 單片機(jī)處理模塊采用PIC18F2480芯片，該芯片內(nèi)部集成有A/D轉(zhuǎn)換器、I2C接口、SPI接口、UART接口、CAN控制器接口，方便與外圍電路的連接通信；同時(shí)該單片機(jī)工作頻率最高可達(dá)40MHz，具有較高的運(yùn)算性能，能夠滿足設(shè)計(jì)的使用要求。

3.4 CAN總線通信模塊設(shè)計(jì) 隨著CAN總線的廣泛應(yīng)用，越來越多的車輛上開始搭載CAN總線，其具有高可靠性，高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。單條總線同時(shí)最多可接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，方便節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)充；多主結(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)地位平等，方便區(qū)域組網(wǎng)，總線利用率高。本傳感器CAN總線通信模塊采用SN65HVD232D芯片，其耐壓更高，抗干擾能力更強(qiáng)。

4 結(jié)語

本傳感器利用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，結(jié)合單片機(jī)對(duì)電容進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，采用多電極組設(shè)計(jì)，無需人工操作即可實(shí)現(xiàn)油位測(cè)量的自動(dòng)標(biāo)定，解決了我國北方柴油車輛冬夏換油造成的油量測(cè)量不準(zhǔn)難題。