汽车油箱液位测量技术研究

童 鑫，韩成成，卢 翌

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009)

汽车油箱液位测量技术研究

童 鑫，韩成成，卢 翌

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009)

从目前国内外汽车油箱液位测量技术的现状出发，分析了油箱液位测量常见的几种方法和原理，并对各种方法和原理的优缺点进行了分析和讨论，最后展望了液位测量技术发展的趋势。

油箱液位;汽车;测量

汽车诞生100多年来，随着需求的不断增大，汽车产业的迅速发展同时也带动了汽车各项技术的发展。汽车电子化进程的加快逐渐取代了之前的各种机械式部件。早期的油箱液位测量多采用机械原理，而现在采用基于液位两侧介质物理性质差异或者液位改变引起电量或者非电量的物理参数变化来实现，如电容、电阻、电感以及声速和光速等。目前国内液位测量采用的技术和产品很多，但存在较多问题和弊端，或测量精度不高，或价格昂贵。因此，分析国内外液位测量技术发展的现状和趋势，研究适合国情发展的技术显得尤为重要。

1 液位测量技术现状

目前国内外液位测量技术和产品有20多种，下面对常见的液位测方法的原理作简单介绍。

1.1 浮子法

传统浮子可变电阻液位计如图1所示，当油量增加或减少时，浮子随液位变化而带动可变电阻的变化。当油箱液位最高时，浮子升到最高处，此时阻值最小，电路的电流最大，指针指向“F”处，代表油箱已满;当油箱液位最低时，浮子降到最低处，此时阻值最大，电路电流最小，指针指向“E”处。

图1 浮子可变电阻式油箱液位传感器原理

此类液位计的缺点是不能精确显示油箱的剩余油量，只能显示大概的比例。且在路面状况较差的地方行驶时，液位起伏较大，造成读数不稳定，对持续驾驶带来负面影响;另一方面，可变电阻长期浸泡在液体里，杂质沉淀在电阻上到一定程度，也会造成误差。

1.2 浮子霍尔元件式传感器

与传统的机械式浮子法相比，在测量中用线性霍尔元件取代可变电阻。如图2所示，当油箱液位变化时，浮子随之上下移动引起磁铁做轴向运动，安装在霍尔元件前的导磁材料的磁通将发生改变。导磁材料磁通的线性变化使霍尔元件的输出电压呈线性变化，通过输出电路可将液位的线性变化显示在仪表上［1］。

此类液位传感器可进行连续测量，但是机械臂上积聚的污物会限制浮子的运动，从而降低其使用寿命。

图2 浮子霍耳元件式液位传感器原理

1.3 光纤传感技术

光纤传感器的工作是基于光的全反射定律。光纤传感器由发射光纤和接受光纤组成，光源发出的光纤通过发射光纤发射到液位表面，反射回来的光由接受光纤接受，接受光纤传输的光信号进入光纤放大器，实现信号的放大，再转换为电信号，方便数据处理。由反射光量即可知道敏感元件是否接触液体或液位的高低［2］。

此类液位传感器结构简单、成本低、响应时间短、抗电磁干扰能力强，然而受光源强度和连接器损耗等影响，它的测量范围受限制，精度偏低，长期稳定性差。

1.4 超声波法

在测量中脉冲超声波由传感器发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离［3］。

图3 超声波测量示意图

由于采用非接触的测量，被测介质不受限制，可用于各种液体和固体高度的测量。但超声波传播速度受环境因素影响，其测量可靠性较差，误差较大，校正补偿复杂。

1.5 导波雷达液位计

雷达液位计采用发射、反射、接收的工作模式。雷达液位计的天线发射出电磁波，这些波经被测对象表面反射后，被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比。

雷达波不易受干扰，且能穿透塑料容器进行测量，无需在容器壁开孔，实现非接触测量，可应用于多种场合。但信号运行时间短，对分析电路要求较高，导致造价昂贵，普及应用困难。

1.6 差压法

由于液柱的静压与液位成正比，因此利用压力表测量基准面上液柱的静压就可测得液位。根据被测介质的密度及液体测量范围计算出压力或压差范围，再选用量程、精确度等性能合适的压力表或差压表获取液位信号。此类液位计适用于液面边界测量和位式测量，适合不同形状的油箱测量使用。不过液位测量精度较低，安装须在罐壁开孔。

1.7 压阻式压力传感器

压阻式传感器采用压阻效应原理，经掺杂，扩散，在单晶硅片的特定晶向生成应变电阻，构成惠斯通电桥。电阻制作在硅薄面的边沿位置，因为边沿处的薄膜受力时电阻值变化最大。4个电阻R1，R2，R3，R4阻值相等。当薄膜受作用力后，两个电阻变大，两个电阻变小。且△R1=－△R2=△R3=－△R4。通过惠斯顿电桥，将其变化转换为电压的变化，这便是此种传感器的检测原理。

图4 惠斯通电桥原理

目前的传感器是硅压阻式压力传感器，其具有较高的测量精度、较低的功耗及成本。且惠斯通电桥的压阻式传感器在没有压力变化的时候，其输出为零，几乎不耗电。

由于硅体加工工艺成熟，所以其制造工程简单，成本较低。另一方面，构成惠斯通电桥的4个电阻的变化量基本相等，输入与输出之间保持着较好的线性关系。后续电路的输出靠惠斯通电桥将电压的变化值传出，因此传感器由较小的输出阻抗，后续电路处理灵活。但是构成惠斯通电桥的电阻受温度影响较大，需进行温度补偿。同时芯片尺寸的减小，会引起电阻所在位置应力均分效应［4］，从而使电阻所在位置的应力值减小，导致传感器的灵敏度降低。

1.8 电容式压力传感器

鉴于压阻式压力传感器是应力灵敏，对封装要求高，抗干扰能力差，1977年斯坦福大学研制出电容式压力传感器弥补了压阻式压力传感器的缺点。电容式压力传感器灵敏度比压阻式压力传感器高10～15倍，温度性好、功耗小，且只对压力敏感，对应力不敏感，因此得到广泛应用。

电容式压力传感器由上、下电极，绝缘层和衬底构成。当薄膜受压力作用后，薄膜发生形变，上下电极间距离发生变化，从而上下电极间的电容发生变化。

Case Western Reserve 大学的 Wang［5］接触式压力传感器方面作了大量的研究工作，利用硅键合技术制造出了在气压测量范围100～200 kPa内，电容－电压曲线的非线性度 ＜0.8%，灵敏度达到了0.015～0.046 pF/kPa的样品。美国 CWRU大学的 Darrin Young教授［6］利用PVD法制成了3C－SiC电容式压力传感器，可用于400℃高温下的测量。在压力范围1 100～1 760 Torr之间有较好的线性响应，灵敏度达到7.7 fF/Torr，线性度2%。

厦门大学冯勇建等采用SOI硅片和硅/硅键合技术制作出 MEMS高温接触式压力传感器［7］，在 ＜250 kPa的室温下灵敏度为0.54 mV/kPa，在400℃时灵敏度能达到0.41 mV/kPa，在低于450℃的条件下能正常工作。

电容式压力传感器结构简单、价格便宜、灵敏度高、过载能力强、动态响应特性好、对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。

2 发展和展望

随着对液位传感器材料、工艺等研究的不断深入，油箱液位测量领域将出现多种多样的测量方法及测量仪器，并且在自动化、智能化、灵敏度方面都将得到进一步发展。在可靠性，功能应用和人际交互方面也会有较大的提高。并且油箱液位测量传感器还可以应用于多种环境，石化生产、航空航天、汽车电子、国防工业等。但需满足不同应用环境的液位传感器的实用化还需进一步研究。

［1］赵雷刚，莫易敏，孟丽君.基于霍耳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):50 －52.

［2］李福进，张淑卿，陈至坤.新型光纤液位测量系统的研究［J］.仪表技术与传感器，2006(6):58 －60.

［3］孙汉旭，胡旭辉.超声波－电容液位检测装置的研制［J］.机电产品研发与创新，2004，17(2):1－2.

［4］李烨，石鑫.微机电系统(MEMS)硅压阻式压力传感器分析研究［J］.真空，2011，48(6):72 －75.

［5］WANG Q.Touch mode capacitive pressure sensors and interface circuits ［D］. USA:Case Western Reserve University，1998.

［6］YOUNG D J，DU J G，ZORMAN，C A，et al.High － temperature single－crystal 3C －SiC capacitive pressure sensor［J］.IEEE Sensors Journal，2009，4(4):464 －470.

［7］冯勇建.MEMS高温接触式电容压力传感器［J］.仪器仪表学报，2006，27(7):804－807.

Technology for Automobile Fuel Tank Level Measurement

TONG Xin，HAN Chengcheng，LU Yi
(School of Electronic Science ＆ Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

Based on a review of present measurement technologies of the fuel tank liquid level at home and abroad，this article analyzes several common methods and principles of the measurement of the fuel tank liquid level.The advantages and disadvantages of these methods are compared and their principles are discussed.The future trend of technologies of the liquid level is pointed out.

liquid level of automobile fuel tank;car;measuring

TP29;U464.136+.5

A

1007－7820(2012)08－144－03

2012-02-24

童鑫(1984—)，男，硕士研究生。研究方向:微电子学与固体电子学。