基于電容式傳感器的嵌入式油箱測量系統(tǒng)研究

91515部隊(duì) 邱洪亮 吳克雄

本文提出一種基于電容式傳感器的油箱測量系統(tǒng)，主要利用傳感器探測由于郵箱液面改變而帶來的電容差異，設(shè)計(jì)了基于嵌入式芯片的油量測量及監(jiān)控系統(tǒng)。從研究油箱容量檢測原理入手，根據(jù)應(yīng)用場景進(jìn)行了特殊的硬件平臺設(shè)計(jì)，并優(yōu)化了系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。本測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊湊、易于實(shí)現(xiàn)，可以滿足測量準(zhǔn)確度，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高。

當(dāng)前交通工具的油箱油量檢測中，電容式傳感器是常用的解決方案之一。利用電容傳感器設(shè)計(jì)模擬電路，實(shí)現(xiàn)油箱內(nèi)中剩余油量的測量，其主要原理是將油箱視為一個(gè)規(guī)則的圓柱形容器，并將此容器中液體的體積變化轉(zhuǎn)化為電容的變化，進(jìn)而使用電壓來量化電容的變化量。經(jīng)過對電壓的信號調(diào)理及放大，獲得可以被處理的電壓變化數(shù)據(jù)。該方法響應(yīng)速度慢，檢測準(zhǔn)確度低。

因此針對此問題，本文提出一種基于嵌入式平臺的油箱液面檢測系統(tǒng)，借助于嵌入式主控芯片的高采樣率和強(qiáng)大計(jì)算能力，優(yōu)化傳統(tǒng)電容式傳感器的測量缺陷，能夠提供高實(shí)時(shí)性的剩余油量檢測信息。

1 電容式傳感器的基本原理

傳統(tǒng)的電容傳感器基本工作原理是將油箱類比為圓柱形，利用圓環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)成電容器(實(shí)際應(yīng)用中油箱形狀多為不規(guī)則狀)，此處電容極板的全長為H，外側(cè)極板的半徑為r2，當(dāng)H>>r2時(shí)，可以獲得式(1)如下：

式中：C0被設(shè)定為油箱空置時(shí)的電容數(shù)值；ε0是標(biāo)準(zhǔn)介電常數(shù)；r1是內(nèi)側(cè)極板的測量半徑。

在使用電容檢測燃油液面高度時(shí)，由于重力因素往往油箱的上半部分為空氣(夾雜有部分燃油蒸汽，按照空氣處理)，油箱的下半部分填充了燃油。因此，此時(shí)油箱整體的電容可以看為上、下部分電容的并聯(lián)，見式(2)：

式中：ε油和ε氣被設(shè)定為燃油、空氣的介質(zhì)介電常數(shù)；h為油箱中燃油在測量電容中對應(yīng)的高度值；ΔC是為油箱加注燃油后產(chǎn)生的電容增量。

在式(2)的推導(dǎo)過程中，可以看出變量僅為H和h，當(dāng)油箱尺寸、所使用固定后，其他數(shù)值均為常量，并使得燃油增量ΔC≥0恒成立，同時(shí)燃油增量的數(shù)值也與實(shí)際燃油液面高度呈現(xiàn)正比關(guān)系，由此，可以將燃油液面高度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓?，?shí)現(xiàn)對于油箱中燃料剩余量的測量。

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在如今的交通工具燃油測量系統(tǒng)中，常見的燃油顯示方式有兩種，分別是模擬指針式和數(shù)值(數(shù)字)顯示式。兩種顯示方式各有利弊，其中模擬指針式結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，但是指示精度較低，指針容易受到震動等環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生波動；而數(shù)字顯示型，依賴于嵌入式平臺的A/D轉(zhuǎn)換，可以精確地顯示油量變化，但對芯片的采樣能力和處理能力有一定的要求。

本文借助嵌入式主控芯片的強(qiáng)大處理能力，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字式顯示油量，但考慮到系統(tǒng)的適用性及不同的應(yīng)用需求，同時(shí)設(shè)計(jì)了模擬及數(shù)字兩種油箱油量顯示模式，整體原理框圖見圖1。

圖1 油量檢測系統(tǒng)整體框圖

信號采集及調(diào)理通過上述的電壓式傳感器原理實(shí)現(xiàn)。傳感器將油箱剩余油量信息轉(zhuǎn)化為電壓后輸出，輸出的電壓信號較為微弱，且?guī)в休^多的干擾信號，需要對信號進(jìn)行調(diào)理和放大。在本文中借助集成運(yùn)算放大器芯片實(shí)現(xiàn)對于信號的調(diào)理和放大。首先設(shè)定Cx為傳感器的輸出電容信號，Ui代表輸入端的電壓值，Uo代表輸出端的電壓值，Ii代表輸入電流，I0為空載電流，Ix為傳感器電流，以上各變量可以由式(3)表示其相互關(guān)系：

對式(3)進(jìn)行求解及化簡可得式(4)：

在獲取輸出電壓后，將其傳送給嵌入式主控模塊，進(jìn)行信號的計(jì)算和處理。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了提高編程效率，本文采用keil系列嵌入式開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程和編譯，使用高級編程語言可以有效提高程序可讀性及擴(kuò)展性。

油量計(jì)算程序主要完成傳感器對信號的采集，對信號的轉(zhuǎn)化及處理，并將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，對其進(jìn)行計(jì)算等一系列過程。通過前面一節(jié)中的計(jì)算公式，可以獲得油量的計(jì)算數(shù)值，然而實(shí)際應(yīng)用中油量的計(jì)算要考慮多種環(huán)境因素的影響。例如，交通工具的工況變化、環(huán)境溫度的變化等。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，介電常數(shù)會隨之變化，此時(shí)要根據(jù)溫度變化改變傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)集；當(dāng)運(yùn)行工況變化時(shí)，油箱內(nèi)液面可能會改變角度、震蕩等，此時(shí)會引起傳感器的檢測誤差，需要監(jiān)測加速度計(jì)、水平儀等信號，對油量計(jì)算進(jìn)行修正。

結(jié)論：本文主要分析了傳統(tǒng)電容傳感器的工作過程，并在其基本原理的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)其檢測實(shí)時(shí)性差、誤差高的方法。采用嵌入式MCU可以有效地提升油量測試系統(tǒng)對于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)能力，并提供準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，測量系統(tǒng)本身提供的自檢模塊可以有效地提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和可靠性。次測量系統(tǒng)機(jī)構(gòu)緊湊，成本低，相應(yīng)快，適合于工業(yè)化生產(chǎn)及大批量生產(chǎn)應(yīng)用。