一種新型電容式燃油傳感器

邱淑賢, 高 旭

(1.四平職業大學電子信息系,吉林四平 136002;2.吉林大學通信工程學院,吉林長春 130012)

0 引 言

汽車用燃油傳感器的主要作用是動態測量燃油余量。目前多采用擺桿式浮子結構[1],隨燃油液位的變化而在厚膜電阻器上切換不同的阻值輸出,實現剩余燃油的采樣測量。由于這種結構的傳感器輸出信號主要是通過滑動接觸片的位移切換不同位置對應的電阻值,就形成了輸出電阻的階躍性變化。同時,由于厚膜電阻器需長時間浸泡在燃油介質中,這會導致其表面切換的滑動接觸部分接觸電阻值逐漸增大,致使采樣信號嚴重偏離實際值,油量表指示失準。正是現有的產品結構存在這種固有的缺陷會引起測量誤差,并直接影響使用壽命,使得該器件已成為汽車中高故障零件。

基于這樣的市場應用背景,文中提出了一種基于燃油作為電容介質的變介電常數的電容式傳感器,充分利用電容式傳感器測量精度高、響應速度快的優點,利用燃油介質液面的變化,改變電容傳感器的電容量,從而實現間接測量燃油液面高度的測量方法。

1 基本原理

電容傳感器的基本工作原理是基于被測物理量的變化可以轉換為電容量變化的特點[2],由物理學可知,電容器的電容量是構成電容器的兩極片形狀、大小、相互位置及電介質介電常數的函數。以平行板電容器為例,如果不考慮邊緣效應,其電容量為[3]:

式中 :ε——電容傳感器介質的介電常數,F/m;

S——極板的面積,m2;

δ——極板間的距離,m。

如果保持δ,S或ε中兩個參數不變,而僅改變另一個參數,就可把該參數的變化變換為單一電容量的變化,再通過配套測量電路,將電容量的變化轉化為電信號輸出,這就是電容式傳感器的基本工作原理。

文中選用的是變介電常數的電容式液位傳感器,其基本結構如圖1所示。

圖1 變介電常數燃油傳感器結構

變介電常數燃油傳感器為筒式結構的電容器,主要由兩個直徑分別為D和d的圓筒構成,內筒的外側和外筒的內側均適當進行絕緣處理。當其浸入被測量的燃油液體中時,兩圓筒構成了電容的兩極板,其間的介質主要是由空氣和燃油液體構成。由于燃油液體將發生變化,從而導致電容器的電容量也將發生變化。

在空載狀態下,電容量將主要由空氣介質構成,此刻電容量最小為:

在滿載狀態下,電容量將主要由燃油介質構成,此刻電容量最大為:

當燃油介于空載和滿載之間時,電容量如下:

ε1空氣介質的介電常數;

ε2被測量的燃油介質的介電常數。

當傳感器的外形尺寸和被測量的燃油介質確定后 ,則 D,d,L,ε1,ε2 均為常數量,由電容量 C的公式可知,傳感器輸出的電容量C與液面高度H成線性比例關系[4]。

2 變介電常數電容式燃油傳感器在汽車燃油測量中的應用

汽車燃油傳感器的主要作用是動態測量燃油余量。目前多采用擺桿式浮子結構[1],隨燃油液位的變化而在厚膜電阻器上切換不同的阻值輸出,實現剩余燃油的采樣測量。由于厚膜電阻器的輸出為不連續的分段式輸出,信號采樣的不連續性決定了汽車燃油的測量是階躍式輸出。正是現有的厚膜電阻結構存在這種固有的缺陷總是會引起測量誤差。同時,由于厚膜電阻器需長時間浸泡在燃油介質中,這會導致其表面切換的滑動接觸部分接觸電阻值逐漸增大,致使采樣信號嚴重偏離實際值,油量表指示失準。

電容式燃油傳感器的測量可同時解決傳統產品的缺陷,既可提高產品的測量精度,同時也可解決長時間使用后的采樣失準問題。

測量主要是利用汽車燃油液面的高度變化來改變變介電常數電容式燃油傳感器的電容值,利用C-V變換電路將電容的變化信號轉換為電壓信號輸出,再通過汽車儀表采樣電路A/D轉換[5],實現模擬信號轉為數字信號,作為儀表指示電路的采樣數字信號輸入,實現對燃油油量的測量[6]。

主要測量工作原理框圖如圖2所示。

圖2 測量系統工作原理框圖

3 實驗測試數據

利用圖1變介電常數燃油傳感器結構,內棒采用不銹鋼棒直徑,d=5 mm,外筒采用耐油絕緣的聚四氟乙烯制成的注塑件外徑,D=10 mm,電容器電極高度L=1 m,被測量的液體汽油的介電常數 ε1=1.9,空氣的介電常數 ε2=1.000585,C/V轉換器選用CAV424電容式信號轉換比例電壓輸出接口集成電路,其輸出電壓可作為傳感器的采樣輸入電壓,直接輸入給汽車儀表驅動指示。

根據圖2測試原理,通過對檢測電路調零、校準后,在加注煤油的條件下,測試不同液位,對應的采樣輸出電壓值Vout見表1。

表1 不同液位時的輸出電壓值

從表1可以看出,最大測量誤差為1.16%,完全滿足產品±2%的設計要求。

4 結 語

文中研究的電容式液位測量傳感器與傳統的產品相比,具有結構簡單、成本低[7]、漂移小、性能穩定等特點。實驗產品已通過客戶的鑒定,其在各種車載環境下,均能可靠工作。同時,通過采用外筒上限流孔及后續電路的處理等技術措施,提高了測量的抗干擾能力,可適應于各類汽車燃油油量的測量,作為汽車控制系統的燃油采樣傳感器,可完全滿足汽車行業標準的要求。

本產品的技術創新點在于:

1)與傳統結構的燃油傳感器相比,文中研究的產品在采樣方式上改變了傳統的分段采樣,線性模擬[8]方式具有測試信號連續線性采樣,測試精度高等優點。

2)在采樣介質的變化上,通過采用外筒限流孔的技術,有效減緩了由于車載狀態急劇變化帶來的燃油信號波動對采樣信號的影響。

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