簡析汽車油箱液位測量技術

杭州永富電子儀表有限公司研發部 張建杭

一、目前我國測量汽車油箱液位的方法

最傳統的汽車油箱液位測量方法為浮子法。這種方法主要是通過浮子會隨著郵箱內的燃油量減少液位變低而降低的原理來測量的。具體測量方法為當油箱內的油量在增加或者在減少時，浮子會隨著液位變化而變化。隨著浮子的變化，浮子帶動的電阻元件也會變化。而當油箱中的燃油即將用完時，油箱中的液位將會變得很少，所以油箱內的浮子也會隨液位降低，也就帶動了浮子上的電阻，在這個時候電阻阻值將會變得很大。在電路變得很大的情況下，電流會變得很小，指針會指向油量小的一邊。而當油箱中在加油時，隨著油量的增加，液面會逐漸升高，隨著液面的提高，浮子也會提高并且帶著電阻阻值變小。在這種情況下電流會變大，而指針也會指向油量多的那一邊。

另一種傳統的測量汽車油箱液位的方法為利用導磁材料進行測量，即用霍爾元件進行測量。具體原理是當油箱內的燃油量增加或減少時，浮子會隨著液位的變化而變化，也就會帶動著浮子上的線性霍爾元件進行變化。當郵箱內的液位變得很少時，浮子就會隨著液位的變低而降低。在這個時候浮子連桿上的磁鐵將不會處在一個水平面上，在這個時候線性輸出的霍爾元件與磁鐵間的磁通量將會變大，從而引起分壓電阻的變化，使得油量表指針指向油量少的一邊。而當郵箱內注入燃油時，郵箱內的液面將會逐漸上升，所以浮子也會隨著液面的變高而變高。在這個時候浮子會帶著連桿運動到一個水平面上，在這個時候線性輸出的霍爾元件與磁鐵間的磁通量將會變少，從而引起分壓電阻的變化，在這個時候也就會使得油量表的指針會指向油量高的一邊。

另一種在國產車較為高級的一種油箱液面測量方法為光纖傳感測量油箱液面的方法。這種方法主要原理是靠光的全反射原理來測量的。在具體的測量方法上，當油箱內燃油量很少時，光源會發射出光照射到液面上，而光信號反射到接受光纖的不同位置，光纖再將光信號轉化為電信號，通過信號放大的原理傳入汽車內的油量顯示系統，在油量表上顯示油箱內油量較低的情況。而如果油箱內的燃油在增加，液面上升時，光信號會隨著液面的上升而在接收光纖上進行移動，從而讓接收光纖將這樣的光信號轉化為電信號，通過信號放大將電信號傳入汽車內的油量測量系統，在油量表上顯示燃油量在增加。

在我國汽車中采用的油箱液面測量方法中還有一種為超聲波測量。這種方法和光纖測量方法較為類似，不過是將光信號換成超聲波，光纖用超聲波探頭來替代，而且這種測量方法不是由其他信號轉化為電信號而讓汽車內的油量測量裝置計算出油量多少，而是由超聲波由發射到接收到的時間來計算的。在具體測量方法上，當油箱內的油量很少，液面變得很低時，發射探頭發射出的超聲波打到液面上在反射到接收探頭，在發射探頭發射超聲波時開始進行時間計算，而當接收探頭接收到信號時計時截止。通過這段時間可以計算出油箱內的液面高度，從而在汽車油量表上顯示燃油量很少。而當油箱內注入燃油時，隨著燃油高度的逐漸變高，發射探頭從發射超聲波到接收探頭接收到超聲波的時間會逐漸降低從而可以讓汽車內的油箱測量裝置計算出油箱內燃油量的變化情況，并且在油量表上顯示出來。

二、外國采用的汽車油箱液位測量方法

(一)目前外國較為常用的汽車油箱液位測量方法為雷達液位計測量。這種方法主要是通過雷達液位計的天線通過發射電磁波，液面反射電磁波，天線接收電磁波的方式來測量油箱頂部到達燃油液面的距離，從而得出油箱內液面的高度，也就能夠計算出油箱內的燃油體積。在具體測量的時候，如果油箱內的燃油較少，液面很低的時候，發射天線發射出電磁波，電磁波經過油箱內燃油液面的反射會達到接收天線，在這段時間內可以算出油箱內空余的體積，從而可以計算得到燃油的體積，從而在汽車油量表上顯示出來。

(二)通過對油箱底部的壓力進行測量也可以計算出油箱內的燃油體積，從而計算出油箱液位。具體測量方法為在油箱底部安裝液體壓力測量儀，當油箱內的燃油體積較少的時候，燃油對于壓力測量儀的壓力會變小，從而計算出燃油體積及油箱液位。而當郵箱內注入燃油時，壓力會逐漸升高，這時的壓力測量儀器會將此時的情況傳入汽車內的燃油測量裝置，從而將油箱內液位逐漸升高的情況反饋出來。

(三)在外國另一種測量油箱液位的方法為采用壓阻式傳感器測量，即在油箱內部生成惠斯通電路。這種方法需要在油箱內放置單晶硅片，通過油箱內部燃油液位的變化來引起硅片受力的改變，從而讓電阻發生變化，測量出油箱內液位的改變。在油箱內液位較低時硅片受力較少，電阻的阻值會變得很小，在這樣的電流下汽車內的油箱液位測量裝置會計算出液位數據，在油量表中顯示出來。

(四)另一種在國外較為流行的傳感器測量方法為電容傳感器測量。這種方法是在油箱內部放置上下電極。當油箱內液位升高時，對電機的壓力較大，使得電極上層會向中間靠攏，這樣會讓電容發生改變。在不同的電容下油箱內的液位測量儀器會計算出油箱內部液位的變化，從而反饋給油量表。

三、各種液位測量方法的特點

(一)浮子法測量液位構造簡單，成本不高，適用于便宜的家用車和貨車。但是在實際的應用中，用浮子法測量的油箱液位常常不準確，精度也較低，只能讀出大概的燃油液位。而且浮子法是通過浮子帶動電阻變化而計算出液位變化的，所以在顛簸的路面上燃油的晃動會導致浮子的起伏，從而引起讀數的改變，這對司機來說將會造成很大的影響。而且電阻長期浸泡在燃油中會造成阻值的改變，也會引起讀書的不穩定，準確度降低。

(二)如果采取霍爾元件測量油箱液位，通過元件特性可以得到線性數據。但是這種測量方法需要浮子帶動連桿轉動，從一方面來說也會出現浮子法在路況不好時的讀數不穩定現象，而且磁鐵長期在燃油中也會逐漸消退磁性，這需要駕駛員經常更換測量元件，較為麻煩。

(三)光纖傳感器的測量方式也具有成本低廉，構造簡單的特點。而且光纖傳感器的響應非常迅速。但是光線傳感器是需要光信號反射到接收光纖上才能夠進行信號的轉換。這也就造成了只能在一定的范圍內測量油箱的液面數據。而且目前的光感應技術還不是很成熟，所以用光纖傳感器測量出的數據精度普遍不高，而且在油箱內部會有雜質擋住光源，在長期行駛的過程中會出現數據歸零等故障，對駕駛員的操作造成一定的困難。

(四)超聲波測量的方法不會出現浸泡在燃油中使傳感器產生故障的情況發生，但是超聲波在介質中很容易被雜質等微小物體反射，對測量數據的準確程度造成一定的影響。而且超聲波傳輸的速度較慢，在不同的環境下速度也不同，這也會對數據的測量造成影響。而且超聲波元件價格偏貴，容易損耗，不適用于經濟型車輛的使用。

(五)導波雷達傳感器不僅可以穿透各種物體，使得受干擾程度降到最低，而且在安裝過程中不需要在油箱壁上進行打孔，從而讓駕駛過程更加安全。但是這種傳感器對波的分析需要復雜的分析電路，對于芯片要求也很高。這就造成了導波雷達液位計的造價十分昂貴，無法在所有車輛上進行普及。

(六)液體壓力傳感器對油箱內部構造沒有要求，可以安裝在任何油箱底部，而且不需要進行信號的傳輸，計算速度十分快速。在路況不好，油箱液面起伏較大時也對傳感器沒有影響，造價也較為低廉，很容易普及。但是這種傳感器的安裝需要在油箱底部打孔，對汽車造成安全隱患。

(七)壓阻式傳感器采用了硅晶片作為介質傳輸數據，保證了數據的穩定性，而且惠斯通電路可以測量線性變化，對于油箱液位的測量會更加準確。而且硅加工工藝已經十分成熟，傳感器質量難以出現問題，制造成本也較低。對于普及應用來說十分方便。但是硅體受溫度影響較大，在氣溫變化較大時測量會出現誤差，數據也會出現不穩定的情況。

(八)電容式傳感器也具用響應迅速的特點，而且制造工藝十分簡單，不需要在油箱內部打孔，保證了行駛安全。而且電容傳感器內部電路簡單，不容易受到外部影響，在各種條件下的數據都較為穩定。但是這種傳感器采用的輸出不是線性輸出，而且電容長期浸泡在燃油中容易損壞。

四、國內外傳感器的比較

通過各種傳感器的比較我們可以看出國內所采用的傳感器多數是機械測量，不需要電路接入的。這些傳感器雖然成本低廉，但是數據的準確性不高，而且極易受到外部影響。而國外傳感器基本上是需要信號轉換，電路計算的。這樣的數據雖然準確，穩定性好，但是需要在油箱內部打孔，對行車安全造成隱患，而且電路容易損壞。

五、結語

目前汽車油箱液位測量技術很多，但是都不完美。在油箱液位測量方面我們需要精度高，穩定性好，安全耐用且價格便宜的傳感器。這就需要對傳感器材料和工藝的不斷研究。我國的液位測量技術還處于較低的階段，所以就需要我國科研人員在油箱液位測量方面進行更加深入的研究，在液位測量的智能化，自動化方面進行突破，為我國汽車工業，航空工業做出貢獻。

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