一种可自动标定数字式油位传感器设计

新乡北方车辆仪表有限公司 河南 新乡 453000

1 引言

油位传感器用于测量车辆行驶过程中的剩余燃油，保证车辆的正常行驶。在我国北方由于冬夏温差较大，夏季气温一般在30℃～40℃，冬季气温一般在-20℃～-30℃，因此柴油车辆一般夏季使用0号柴油，冬季使用-35号柴油。两种柴油的介电常数不同，使传感器输出值不同，造成测量的偏差。为了保证测量精度，需对传感器进行标定。

现有的油位传感器主要有电位器式、干簧管式、电容式等。电位器式油位传感器通过机械方式改变电阻值，容易导致接触不良甚至磨损，进而影响测量准确性。干簧管式油位传感器由于干簧管安装数量有限，使输出阻值不连续，产生跳变，测量精度不高。而电容式油位传感器一般由两个电极组成，油面变化时两电极间的油液面积发生改变，进而使两电极间的电容发生改变，通过测量电容的变化即可实现油位的测量。

电容式油位传感器结构简单、无运动部件，可靠性高、测量精度高被广泛应用，但是该测量方法与被测介质的介电常数息息相关，为保证测量精度需对被测介质的介电常数进行标定。本油位传感器采用多电极电容式原理设计，不需要拆卸传感器即可实现油位的自动标定。

2 传感器方案设计

本油位传感器测杆结构示意图如图1所示，测杆安装在油箱内部且垂直于油液液面。

图1 测杆结构示意图

传感器测杆由外电极、内电极、绝缘螺钉组成，外电极、内电极为圆柱形铝管，外电极与内电极同轴安装，且外电极与内电极之间存在间隙，油液填充在内外电极之间。内电极被等分为3份，内电极之间通过绝缘螺钉进行绝缘连接。3个内电极与外电极组成3个电极组，形成3个电容器C1、C2、C3，随着油位的变化，3个电容器的电容值发生改变，通过测量C1、C2、C3的电容值即可实现油位的测量。

由图1可知，当被测量油位H=0时，外电极与内电极构成的金属圆柱形电容器之间充满空气介质，此时3个电容器的电容值相等，用C0表示油位为零时C1、C2、C3的电容值，则：

式中，C0为电容量，单位F；ε0为电容器内气体等效介电常数，单位F/m，L为3个内电极高度，L=L1=L2=L3，R1为外电极内径半径，R0为内电极外径半径，单位m。当内电极和外电极之间充满被测油液时，C1、C2、C3的电容值也相等，用C满表示油位为满位时C1、C2、C3的电容值，则：

根据测量出的C满及公式(3)计算出油箱内油液的等效介电常数ε，并将该常数进行存储。

3个内电极是完全独立的，可单独进行测量计算，以每个内电极最底面为零位，假设油位距离内电极零位的高度为h，此时C1、C2、C3的电容值用Ch表示，Ch为油面上部气体介质形成的电容加油液介质形成的电容，则：

式中，ε为电容器内油液的等效介电常数，单位F/m。

传感器自动标定的原理是当测量出C1、C2、C3电容值相等且远大于C0时，给出油位已满的判定，传感器自动记录满油位时的电容值C满，当C满已知时，由公式(2)可得：

由公式(4)可知，参数ε0、R1、R0、L都是定值，ε已通过公式(3)计算出来，由此，只要测出电容值便能计算出油位距内电极零位的高度h。

当油位为H时，根据C1、C2、C3与C满、C0的关系，判断此时油位所在位置。当测量出C1≤C满，C2=C0，C3=C0时，判断出油位H在L1处，则H=h；当C1=C满，C2≤C满，C3=C0时，判断出油位 H在L2处，则 H=L+h；当C1=C满，C2=C满，C3≤C满时，判断出油位 H在L3处，则 H=2L+h。

更换油液时，只需使油箱充满油液，传感器根据C1、C2、C3的测量值自动计算油液的介电常数，进而实现油位的自动标定。

本传感器系统框图如图2，主要由电容信号采集模块、单片机处理模块、CAN总线通信模块、电源处理模块组成。电源处理模块将车载28V电源转换为其他模块需要的3.3V工作电压，电容信号采集模块采集各电极组的电容值，将电容值转换为数字信号传输给单片机处理模块，单片机处理模块根据油位和电容值的关系，通过计算得出当前油位值，并将其转换为数字信号，通过CAN总线通信模块发送。

图2 系统框图

3 传感器硬件设计

3.1 电源处理模块设计 电源处理模块通过超小型DC/DC电源模块将28V电源转换为3.3V电源，为了消除车载电源浪涌、尖峰的影响，保证传感器的可靠工作，在电源输入端设置了瞬态电压抑制二极管、滤波电容等器件。

3.2 电容信号采集模块设计 电容信号采集模块采用Pcap01芯片进行电容的采集。Pcap01为一款带有单片机处理单元的电容测量数字转换芯片，其通过测量电容充放电的时间来实现电容值的测量。Pcap01测量范围覆盖了从几pF到几百nF。Pcap01具有接地和漂移两种电容连接方式，漂移模式具有更好的抗干扰能力，本传感器采用漂移模式进行电容测量。PC2～PC7分别接内电极与外电极形成的3个电容器，PC0、PC1接47pF参考电容。本传感器采用SPI接口与单片机进行通信。

3.3 单片机处理模块设计 单片机处理模块采用PIC18F2480芯片，该芯片内部集成有A/D转换器、I2C接口、SPI接口、UART接口、CAN控制器接口，方便与外围电路的连接通信；同时该单片机工作频率最高可达40MHz，具有较高的运算性能，能够满足设计的使用要求。

3.4 CAN总线通信模块设计 随着CAN总线的广泛应用，越来越多的车辆上开始搭载CAN总线，其具有高可靠性，高实时性的特点。单条总线同时最多可接110个节点，方便节点的扩充；多主结构，各节点地位平等，方便区域组网，总线利用率高。本传感器CAN总线通信模块采用SN65HVD232D芯片，其耐压更高，抗干扰能力更强。

4 结语

本传感器利用电容数字转换芯片，结合单片机对电容进行数据的处理，采用多电极组设计，无需人工操作即可实现油位测量的自动标定，解决了我国北方柴油车辆冬夏换油造成的油量测量不准难题。