一种分段电容式汽车燃油油位传感器

陈天毅，周 平，昝昕武，黄有根

(1.中国空气动力研究与发展中心四所，四川绵阳 621000;2.重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044)

汽车燃油油位传感器安装在汽车油箱内并浸泡在油液中，用来检测汽车油箱中剩余的燃油量，为驾乘人员准确判断燃油存量和续驶里程提供重要的依据。

目前，国内外广泛使用的汽车燃油油位传感器按测量原理分为滑变电阻式、霍尔式、超声波式、磁致伸缩式、电容式等［1－3］。其中，滑变电阻式油位传感器因结构简单、价格低廉而广泛应用于各类汽车的燃油油位测量中。

由于滑变电阻式油位传感器结构存在浮子、浮子臂、电刷等机械可动部件，在汽车长期运行过程中会由于各类振动造成电刷与碳基磨损、接触不良甚至出现卡滞或碳基断裂等情况，从而使得传感器输出失准甚至失效［4］。近年来，醇类燃料的出现及推广更使得裸露在外的碳基直接浸泡在油液中，使滑变电阻式油位传感器直接短路，无法在此类环境中使用。而霍尔式和磁致伸缩式都有机械可动浮子，长期使用也会出现机械卡滞等情况。超声波式传感器价格昂贵且存在测量死区。电容式传感器无机械可动部件，但需要对被测液体介电常数进行定期标定，因而油品适应性差［5－8］。

针对上述问题，本文设计了一种新型的分段电容式汽车燃油油位传感器来解决传统油位测量方法存在的机械卡滞及油品适应性差等问题，为汽车燃油油位测量提供了一种新思路。

1 测量原理

电容式测量方法不存在机械可动浮子，因此在长期使用过程中不会出现滑动电阻式、霍尔式和磁致伸缩式等测量方法中存在的机械卡滞问题，是一种非常好的无机械可动部件的测量方法。

1.1 电容测量原理

以平行平板电容器为例［9－10］。如图1所示。假设极板长度为L，高度为H，极板间距为D，极板间油液高度为h(0＜h＜H)，电容器电容C为油液中的电容C油和空气中的电容C空相并联，在忽略边缘效应的情况下，其值为:

式中:ε0为真空介电常数;ε1为空气相对介电常数;ε2为待测液体相对介电常数。一般情况下ε2大于 ε1。

图1 平行平板电容器

当电容器结构固定后，即L，H，D为常数时，式(1)可改写为

图2 不同油位高度与电容量的关系

式(2)和图2描述了固定结构电容测量液位的基本原理。从图2中可以看出，在测量过程中，相同的容值在不同种类的燃油中对应不同的液位高度，因此电容式液位测量需要预知被测液体的介电常数。然而，在实际使用过程中，汽车燃油油品成分复杂，同种类油品介电常数不尽相同，且油品介电常数容易受环境温度、湿度等影响，因此传统的电容式测量需要定期和不定期对介电常数进行标定才能保证测量的准确性。这也是电容式测量存在的最大问题。

1.2 分段电容测量原理

平行平板电容在结构参数不变的情况下，一旦有油液进入极板间，便可引起平行平板电容器的电容量发生改变，即此时C＞C0(初始值)。如果在测量高度上均匀布置多个独立的微小平行平板电容，假设每个小电容在空气中的初始值均为C0，那么一旦有油液进入极板，只需要确定有多少个电容的电容量大于C0，即可根据这些微小电容的几何间隔计算出油液高度。每个微小电容在此处均作为一个开关存在，当分段数也即单位高度内电容数量足够多时，就能实现高精度且与介质无关的液位测量，不需要预先获知液体介电常数，也无需定期标定。

图3为平行平板分段电容器的一个实例。h为被测油液进入极板内的高度，LC为极板上相邻两个分段电容的几何间距。整个传感器相当于在油液测量高度上均匀布置了多个油液行程开关，当油位高度抵达一个开关时就使得开关状态发生变化。通过判断这些开关状态就可获知油液到达了哪个开关所在的位置，而通过分段数的控制就可以自由设定测量所需的精度。当然，分段数越多，测量精度越高，处理电路越复杂，成本和复杂度也就越高。

图3 平行平板分段电容器实例

该测量方法无需获得平行平板电容器具体的电容量，而是采用电容比较的方法来间接测量油位。当设置分段数足够多时，克服了传统电容式液位测量需要对被测液体介电常数定期标定的缺点，能够实现兼容多种车用油品的油位测量。

2 方案设计

分段电容式油位传感器设计框图如图4所示。

图4 油位传感器设计框图

在敏感元件即电容极板上构造n个微小分段电容，将这n个分段电容和初始电容C0均接至处理电路中进行比较，用来判断各分段电容值是否大于初始电容值C0，最后输出的电压信号与大于初始电容值的分段电容个数成正比。

2.1 处理电路设计

传感器采用基于差动脉冲宽度调制原理进行信号处理［11－12］，如图5 所示。

图5 差动脉冲宽度调制电路原理

图5中:Cn为任意一个分段电容，C0为初始电容;A1和A2是两个比较器;Ur为参考电压;U1为触发器输出的高电平。设接通电源时，双稳态触发器的A端为高电位，B端为低电位。因此A端通过R1对Cn充电，直至F点的电位等于参考电压Ur时，比较器A1输出脉冲，使双稳态触发器翻转，A端变为低电位，B端变为高电位。此时F点电位Ur经二极管VD1迅速放电至零，同时B端高电位经R2对C0充电。当G点充电至Ur时，比较器A2输出脉冲，使双稳态触发器翻转一次，A端又变为高电位，B端变为低电位。如此周而复始，则在A、B两端分别输出宽度受Cn、C0调制的矩形脉冲。当分段电容值Cn与初始电容值C0相等时，输出电压平均值为0。当电容值Cn增大时，输出电压平均值则不为0。通过输出电压大小即可判定分段电容值是否大于初始电容C0。各点波形如图6所示。

图6 各点波形

2.2 工艺设计

电容极板基材采用绝缘、耐腐蚀材料，通过蚀刻得到所需形状和尺寸的分段电容极板，再在极板上敷设耐腐蚀及绝缘的复合涂料，进行高温烘烤后定型。采用多点同时铆接的设备一次性将两极板铆接，保证了两平行极板的平行度。采取特殊密封胶灌封工艺，使电路板及极板上的焊点不与油品接触而产生腐蚀，同时还可提高抗振动性能［13－14］。

在分段电容与测量电路设计时，需注意尽量减小边缘效应和寄生电容的影响，并保证电容具有良好的绝缘性和耐腐蚀性［15］。

3 实验与结果分析

3.1 油位传感器实验系统设计

测量系统由待测的分段电容式油位传感器、更高精度的磁致伸缩液位计、数据采集卡和计算机等构成，如图7所示。

磁致伸缩液位计参数如下:测量范围为250 mm;供电电压为12 VDC;输出信号为0～5 VDC;准确度为0.1%FS;分辨率为0.01%FS;测量精度为0.1 mm。

分段电容式油位传感器和磁致伸缩液位计均属于浸入式接触测量，当传感器浸入油品中会排开相应体积的液体从而使得液位升高，同时，由于受浮力的影响，磁致伸缩液位计的浮子浸没至油品中的高度因油品密度不同而不同，这些都会给测量结果带来一定的误差。因此，实验中采用以下的思路:首先，容器1内盛满被测油品，同时将容器1再置于一个更大的容器2之内，用来接取从容器1中溢出的油品，两容器均置于升降台底座上;其次，将磁致伸缩液位计和分段电容式传感器均固定安装在升降台上，摇动摇杆，升降台臂带动两传感器在竖直方向上运动，当两传感器逐渐浸没于容器1中时(相当于进入传感器的液位由空油逐渐达到满油位)，两个传感器排开的油液溢出至容器2内，容器1中的油位还是维持不变，这就消除了传感器和浮子进入油液中使得液位上升这一情况;最后，反方向摇动摇杆，两传感器逐渐从容器1中抬出(相当于进入传感器的液位由满油位逐渐达到空油位)，此时需要给容器1进行补液，维持其液位不变。在补液的过程中，应尽量避免液位晃动而使得浮子随之晃动。计算机控制数据采集卡采集两个传感器的输出，处理并显示当前液位。

图7 油位传感器测量系统示意图

3.2 实验结果与分析

因实验室条件限制以及考虑到制作成本和复杂度等因素，仅对极板进行了9分段。实验时，电容极板有效测量长度H=125 mm，分段数n=9，待测油品为汽油和乙醇。

采用同一支传感器分别在汽油和乙醇中等精度重复测量10次。表1为汽油中的测量结果，表2为乙醇中测量结果。

根据误差理论和数据处理方法可以得出汽油中的测量数据最小标准差在第1个测量点，σ1=0.242 mm，用3σ准则判别出测量数据不存在粗大误差，传感器最大相对误差为2.39%。

表1 汽油中实验数据mm

表2 乙醇中实验数据 mm

同样，根据误差理论和数据处理方法可以得出乙醇中的测量数据最小标准差在第5个测量点，σ5=0.211 mm，用3σ准则判别出测量数据不存在粗大误差。

汽油的介电常数远小于乙醇，因此每段内汽油需要采用比乙醇更高的油位高度实现电容比较，实验结果也与此相符，如图8所示。

传感器满量程下的重复性误差为0.82%，迟滞误差为1.23%。

通过对同一批次多支传感器进行性能测试，传感器各项性能指标与上述结果相近，一致性较好。

图8 汽油、乙醇测量结果对比

4 结束语

本文研究了一种分段电容式油位传感器，通过在平行平板上等间距地构造多个微小电容作为测量敏感元件，再结合后端处理电路进行处理。传感器无机械可动部件，且能适应多种油品实现测量。传感器采用9分段，在汽油和乙醇2种汽车油品中分别进行实验，实验结果与理论相符合。传感器满量程下最大相对误差为2.39%，重复性误差为0.82%，迟滞误差为1.23%。如若增加分段数，传感器测量精度能达到更高，当然，传感器的制作成本以及复杂度也越高。该传感器已经在实车上进行了超过2年的实验，效果良好，为车用油品油位测量提供了一种新思路。

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