汽车油位传感器及其发展动向

（1.同济大学汽车学院，上海01804；.联合汽车电子有限公司，上海0106）

汽车油位传感器及其发展动向

徐巍巍1，2，陈慧2
（1.同济大学汽车学院，上海201804；2.联合汽车电子有限公司，上海201206）

详细论述了汽车油位传感器的技术现状，对4种接触式传感器（厚膜电阻式、绕线电阻式、密封式、磁性开关式）和4种非接触式传感器（霍尔式、磁性浮子霍尔式、电容式、超声波式）的结构和工作原理进行了介绍，对各传感器的优缺点进行了分析比较。结合目前主流传感器的发展动态，对传感器的发展方向进行了总结归纳。

汽车油 位传感器 接触式 非接触式

1 引言

汽车油位传感器由于持续浸泡在各种燃油中，使用环境恶劣，所以其失效一直是售后投诉的重点，也是传感器供应商研究改进的最重要的课题。

目前市场使用的油位传感器种类繁多，原理各异，使用环境也千差万别，故十分必要对各传感器的特点进行归纳总结，为新型传感器的研发提供参考。油位传感器主要分为接触式和非接触式。

接触式主要有厚膜电阻式和绕线电阻式等，其制造简单，价格便宜，应用最广泛，是目前油位传感器的绝对主流。为应对复杂的油品，针对厚膜电阻式传感器的各种改进设计，方兴未艾。

非接触式有霍尔式、超声波式、电容式等，其电特性不受油品腐蚀影响，但由于成本较高，目前应用很少。但其耐腐蚀优势明显，仍然是一个发展的重要方向。

2 接触式油位传感器及其特点

2.1 厚膜电阻式

厚膜电阻式油位传感器结构非常简单，由厚膜电阻片、电刷（含触点）、支架和一些传输导线组成，再辅助以绕电刷回转中心转动的浮子杆组件，如图1所示。

厚膜电阻式传感器的优点：适应性很强，设计周期短；即便是全新设计，也可仅通过调整电阻片导带和电阻印刷等工艺来快速实现，具有极高的性价比。通常情况下，其它非接触式传感器的一个核心电子器件都有可能超过整个厚膜电阻传感器的造价。

厚膜电阻式传感器按照触点类型进行分类，一般分为单触点、多触点和带状触点。触点多采用贵金属合金或者铜镀金制成，具有良好的耐腐蚀能力和导电特性，如图2所示。

图1 厚膜电阻式传感器结构图

图2 金触点

（1）单触点：属较落后的设计，材料一般采用贵金属，接触区为圆形点接触，现在一般不再采用，参见图3。

图3 单触点传感器

（2）多触点：目前应用最广泛的方案，采用冗余设计。触点材料有贵金属，也有铜镀金。图4是一种双触点传感器。最近几年针对此类触点的改进层出不穷，主要集中在改进有效接触面积、触点形状和触点压力，优化材料组合，减少贵金属使用等方面。图5是2种改进设计的触点形状。

图4 双触点传感器

图5 2种不同形状的触点

（3）带状触点：将电刷簧片末端分割成多个触片，同时压在电阻片上，其特点是冗余设计，防止一个触片接触不良。触片表面多采用贵金属镀层。图6是2种新型的带状触点结构。

图6 2种带状触点结构

2.2 绕线电阻式

这种传感器采用电阻丝缠绕方式，工艺简单，成本低廉，精度低，多用于轻型卡车等低端市场，如图7所示。由于其绕线电阻结构原理所限，其阻值变化幅度是一圈电阻线的阻值，所以其电阻值不能非线性设计，设定的油位点也不能过多。

图7 绕线电阻式传感器

2.3 密封式

电阻式传感器具有成本优势，O形圈全密封式的厚膜电阻传感器应运而生。其结构与普通厚膜电阻传感器类似，区别是将触点、电阻片等易腐蚀的零件密封，转轴处O型圈密封，密封腔如图8所示。该类型应用较为狭窄，价格稍贵，主要是针对恶劣油品市场，如巴西。

图8 密封式厚膜电阻传感器

2.4 磁性开关式

这种传感器由膜片电阻片、簧片开关、磁铁，密封罩、转轴等组成，其原理如图9所示。膜片电阻上贴磁性手指形的簧片开关，然后将膜片电阻和簧片开关密封，电阻片背面附有磁铁；当磁铁在密封罩外随浮子摆动旋转时，磁铁会吸到该角度下的簧片，此处导带接通，输出该角度下的阻值。没有磁力作用时，簧片会弹起，不会接触导带。

这种结构避免了燃油腐蚀而产生的接触电阻，延长了使用寿命，但制作比较复杂，成本较高，目前还没有得到广泛使用。图10是某公司研发的该型传感器的主要部件解剖图。

图9 磁性开关传感器原理图

图10 簧片开关式传感器

3 非接触式油位传感器及其特点

3.1 霍尔传感器式

该传感器是基于霍尔效应的一种角度测量装置，图11是该类传感器的一种结构形式[1]。当浮子杆旋转时，磁铁也跟随转动，从而导致霍尔元件周围的磁场变化，霍尔元件将这种变化转化为线性信号输出，经过转化计算，获取油位信息。

图11 一种霍尔传感器

目前该类传感器布置形式、种类繁多，但基本原理一致：当转轴旋转时，霍尔元件周围磁场变化，引起霍尔元件输出变化，进而算出油位。

随着复杂燃油的应用，霍尔传感器的耐腐蚀优势将凸现出来；同时，霍尔元件价格降低和质量提高，也促使研发廉价霍尔传感器被提上日程，这将是非接触传感器的一个重要发展方向。

3.2 磁性浮子霍尔式

传感器[2]结构如图12，带磁铁的浮子随油面在浮筒中上下移动，经过霍尔元件时，引起霍尔元件输出变化，通过仪表的换算，得到油位的变化数据。

图12 磁性浮子霍尔传感器原理图

目前该类型传感器有少量应用于市场，其优点是精度控制较好，无浮子杆占用空间少；缺点是霍尔元件多，成本很高，所以难以推广。

3.3 电容式

电容式油位传感器，多用于汽车油箱、油罐、油库等油位的精确测量。由于没有可移动或弹性部件，耐冲击、安装方便、可靠性高、精度高，可对汽油、柴油、液压油等进行准确的测控，也适用于各种非导电液体的测量。

传感器的主要部分是一个同轴的容器，当油进入容器后引起传感器壳体和感应电极之间电容量的变化，这个变化量通过电路的转换并进行精确的线性和温度补偿，输出信号供给仪表。图13是此类传感器的一种结构形式。目前，由于价格高，仪表复杂，所以难以普及到普通轿车上。

3.4 超声波式

该类传感器多用于仓储、化工等物料的测量，目前在汽车油位测量领域应用极少。图14是某公司研发的超声油位传感器。其优点是精度高，探测距离长，受液面晃动影响小，低磁滞作用；缺点是价格贵，约是普通油位传感器的3倍。

图13 一种电容式油位传感器

图14 超声波油位传感器

4 油位传感器的发展动向

在油品情况复杂的中国市场，应用最广泛的厚膜电阻式油位传感器也显示出了其局限性。在售后失效中，80%以上是由于导带触点腐蚀而引起的电阻输出不正确或不稳定。

尤其是中国的油品市场，良莠不齐。各地出产的原油本身差异比较大，炼制工艺也千差万别，燃油中所含活性硫、酸性物质也参差不齐。最近几年风行的生物燃油，如E20，M15等也在一些省份大行其道。恶劣的燃油环境是传感器发展中最大的阻碍。

另外，随着汽车市场竞争日趋激烈，价格已成为传感器研发不能回避的问题。因此，兼顾价格，改善和提高厚膜电阻式传感器构件自身性能的尝试非常多。诸如采用特殊的导带和新型触点贵金属材料[3～6]、使用特殊的导带制作工艺[7]等。

4.1 基于油位传感器设计自身的改进策略

（1）采用冗余触点结构设计，这是提高油位传感器信号质量的有效途径之一，如图15所示。

图15 一种冗余簧片触点设计

冗余的结构设计不仅提高了传感器流通环节抵抗灰尘等杂质的性能，从而降低油位传感器的零公里投诉率，而且可以大幅度降低接触恶劣油品后产生的接触电阻的不利影响。

冗余结构可以显著改善传感器信号的质量。由于是多点接触，即便是所有的触点和导带间均有接触电阻的情形下，回路的接触电阻也仅仅为和冗余量相当的多个独立接触电阻并联之后的效果，接触电阻会大幅度减小。

（2）增加有效接触，通过合理设计降低贵金属使用量。

在使用过程中，真正参与接触的贵金属其实只有接触点附近表面的一小部分，其他用量可能仅仅起到固定支撑的作用，所以结构的合理设计可以减少贵金属的使用量，降低成本，如图16所示。触点改为复合式，也是一种改进的方向。

图16 改进的触点结构原理图

4.2 开发低成本的非接触式传感器

现今非接触式传感器的开发如火如荼，但由于价格较贵，至今还没有一种能够占据主导地位的传感器出现。因此降低成本为这类型传感器的首要目标。

霍尔式非接触传感器经过近几年的发展，因其结构接近厚膜电阻式，方便替换，逐渐成为开发的主流。同时，由于应用扩大，其主要电气部件——霍尔芯片的成本也逐渐降低。图17是某公司开发的霍尔传感器结构图。但是，由于油位传感器的测量角度最大达到100°，且测量精度要求高，目前霍尔芯片的一致性还无法满足要求，霍尔传感器距离广泛应用还有相当长的路要走。

图17 一种霍尔传感器模型

4.3 改善传感器的应用环境

4.3.1 改进油箱策略

将传感器置于油箱容积中心可以减小车辆在上下坡时，燃油向油箱一端积聚导致浮子摆动而产生的油位输出偏差。

建立油箱体积变化与温度、使用时间的关系模型，并根据这些信息对信号进行修正，可以减少塑料油箱老化变形导致的油位输出偏差。

4.3.2 改进仪表策略

仪表负责汽车油位传感器的电源的供给、信号采集和信号处理，它对油位传感器信号质量的影响是多方面的，同时也最直接、最显著。

（1）屏蔽仪表电源对油位传感器信号的干扰。仪表上增加一个对电源电压的监控端，使用输出电压的相对值，而非使用其绝对数值。

（2）采用三线结构的油位传感器。银基导带或者触点被活性硫攻击后，在二者的结合面形成薄膜接触电阻，见图18。普通传感器仅采集输出电压V1，所采集电压信号掺杂了接触电阻的Rcontact的分压效果，不能如实反映燃油的实际状况。

三线结构的采样方式是同时采集V1和V2两个端口的电压输出数值，通过在仪表中的电阻值计算，得出能够剔除接触电阻的影响。

（3）改进仪表所采集数据的处理方式策略。通常情况下，仪表对采集到的油位传感器信号都会进行一些滤波处理，常见的方式是连续采样，对采样结果进行取平均值。取平均值的办法只能够起到非常有限的削弱接触电阻对信号质量的影响作用。

图18 三线结构改善信号质量

合理的处理方式是：不是取平均值，而是直接进行数值比较，选择采集到的最小阻值。在用户能够接受的时间段内，仪表可以判定采集到了正确或者更接近真实状况的数据，并实际利用之，则信号质量将更接近真实状况。

（4）确保油位传感器的最小工作电流。研究表明，在不至于产生电弧效应的前提下，随电流增大，电流对薄膜电阻的击穿效应就愈明显，能够有效消除接触电阻的影响。这一电流的最小数值约在20 mA。因此，如果在仪表回路设计之初，能够考虑电流的影响，不失为一条有效提高油位传感器信号质量的策略。

5 结束语

从实际应用的角度出发，广泛总结现有传感器的特点，剖析其优缺点，并结合实际应用情况，对传感器的技术发展方向提出了自己的观点，具有一定的工程参考价值。

1赵雷刚，莫易敏，孟丽君.基于霍尔元件的新型燃油液位传感器的设计[J].机电工程技术，2008，37（3）.

2赵刚，陈文芗.基于霍尔效应的浮子式液位计.仪器仪表用户[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

来稿日期：2010-10-12

徐巍巍（1982-），男，在读硕士研究生，主要研究方向为汽车电子技术。