（微电子学与固体电子学专业论文）新型数字电容式液位传感器.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业 大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：乡协品彦貌遁影友 委员： 以可、诊2 六表缓 磁渥 争火剐徽短 p 八钮火 石j 数旋 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金墼工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：夸一秀 签字日期：扫1 1 年4 月踢日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆工业太堂 有关保留、使用学位论文的规定， 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。 有权 本人 授权金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：务弓 签字e t 期：2 0 i l 年4 月嘶 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩龇i 伊 签字日期：加1 1 年4 - 月拶日 电话： 邮编： 新型数字电容式液位传感器 摘要 随着汽车电子技术的发展，汽车技术已经发展到了网络化综合技术时代。 以微控制器为核心的电子控制单元摆脱了传统的线束连接，以汽车电子网络的 方式实现了通信和控制的网络化管理。汽车传感器作为汽车电子的核心技术之 一，正以集成化、智能化的发展趋势逐渐替代传统的传感器。 本文在汽车传感器的发展趋势下，基于电容量随极板间介质变化的原理， 研制出用于燃油量测量的变介质式新型数字电容液位传感器的模型，并通过液 晶显示的方式得到油箱燃油量。通过对现有的液位传感技术和显示方式的比较 和分析，确定采用电容式传感器和液晶显示方式。针对电容式传感器的测量电 路进行研究比较，得出基于a 模数转换原理电容数字转换器最符合燃油测量 要求，最终选用电容数字转换器a d 7 7 4 6 进行电容信号采集。根据a d 7 7 4 6 的 测量范围和油箱的实际大小确定了电容探头的尺寸。电容探头部分两组电容的 设计使它带有自动补偿的功能，旨在消除燃油介电常数变化对测量值的影响。 电路设计部分充分利用车身通信网络的特点设计两种总线通信方式，最终实现 数字显示的目的。为了实现信号在硬件电路的传输，按照各个通信单元之间的 通信协议进行了软件设计。最后讨论了油箱的容积和液位关系的标定，消除行 驶过程中液位波动带来的读数不稳定影响。 新型数字电容式液位传感器与传统的浮子式传感器相比，其显著的优点在 于探头部分不带可动的机械部件，结构紧凑、体积较小，通过液晶显示读数的 方式得到准确的实时燃油量。同时，信号传输充分利用了车身网络的特点，符 合汽车电子网络化的发展趋势，便于读数和行驶中的其它参数集成显示。 关键词：燃油量测量；变介电常数：液位传感器；电容数字转换器a d 7 7 4 6 ； 车身网络 i i an o v e l p a c i t i v , d i g i t a ll i q u i d , n s o r o v e l c aa c i t i v ed i g i t a ll i q u is e u s o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , a u t o m o t i v et e c h n o l o g y i sd e v e l o p e dt ot h e 嗽o ft e c h n o l o g yi n t e g r a t e db yn e t w o r k t h em i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，w h i c hi s t h ec o r eo fe l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，i su s e dt oa c h i e v et h en e t w o r km a n a g e m e n to f c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o li nt h ew a yo fc a l e l e c t r o n i cn e t w o r ki n s t e a do ft r a d i t i o n a l w i r i n gh a r n e s s a u t o m o t i v es e n s o ri sac o l et e c h n o l o g yo fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s t r a d i t i o n a ls e n s o r i s g r a d u a l l yr e p l a c e db yt h ei n t e g r a t e da n di n t e l l i g e n ts e n s o r i nt h i sp a p e r , ac a p a c i t a n c el e v e ls e n s o rm o d e li sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，w h i c h w o r k so nt h ep r i n c i p l et h a tc a p a c i t a n c ec h a n g e sw i t ht h ed i e l e c t r i cb e t w e e nt h ep l a t e s t h e f u e lc u b a g ei nt h et a n ki sd i s p l a y e db yal c d t h ec a p a c i t i v es e n s o ra n dl c dd i s p l a y m o d ea r es e l e c t e da f t e rc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ee x i s t i n gl i q u i dl e v e lt e c h n o l o g ya n d d i s p l a ym a n n e r s a f t e rs t u d y i n ga n dc o m p a r i n go nt h em e a s u r i n gc i r c u i t so fc a p a c i t i v e s e n s o r , c a p a c i t a n c e - t o d i g i t a l c o n v e r t e rb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f - a a d ci sm o s t a p p r o p r i a t e s oap i e c eo fc a p a c i t a n c e - t o - d i g i t a lc o n v e r t e ra d 7 7 4 6i sa d o p t e d t h es i z eo f t h ec a p a c i t a n c ep r o b ei sd e t e r m i n e db yt h em e a s u r e m e n tr a n g eo fa d 7 7 4 6a n dt h ea c t u a l s i z eo ft h et a n k w i t ha u t o m a t i cc o m p e n s a t i o n f u n c t i o n ，t w os e t so fc a p a c i t o r sa r eu s e di n t h ec a p a c i t a n c ep r o b e , w h i c hc a l le l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo nt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sc a u s e d b yd i e l e c t r i cc o n s t a n tc h a n g eo ft h ef u e l b a s e do nt h ef u l lu s eo ft h e a u t o m o t i v eb o d y n e t w o r k ，t w ok i n d so fb u sa r eu s e df o rt r a n s m i s s i o na n dd i g i t a ld i s p l a y f o rs i g n a l t r a n s m i s s i o ni nt h eh a r d w a r ec i r c u i t s ，t h es o f t w a r ed e s i g ni sp m 啊d e db a s e do i lt h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lb e t w e e ne v e r yu n i ti t h e n ，t h em e t h o do fc a l i b r a t i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ef u e le u b a g e i i lt h et a n ka n dl i q u i dl e v e li s 矽o p o s e da n dt h ew a yt oe l i m i n a t et h el e v e li n s t a b i l i t yi nt h ea c t u a l s i t u a t i o ni sp m v i d e d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lf l o a ts e n s o r , d i g i t a lc a p a c i t i v el e v e ls e n s o rh a sm a n y a d v a n t a g e s f o re x a m p l e ，c a p a c i t a n c ep r o b ew i t hn om o v i n gm e c h a n i c a lp a r t sh a sc o m p a c t s t r u c t u r ea n ds m a l ls i z e t h er e a l - t i m ef u e lc u b a g et a i lb ea c h i e v e db yl c da c c u r a t e l y b a s e do n t h ef u l lu s eo fa u t o m o t i v eb o d yn e t w o r k ，a n o t h e ra d v a n t a g eo ft h es e n s o ri st h a tt h er e s e ti s r e a d a b i l i t ya n dc o n v e n i e n tt oi n t e g r a t ew i t ho t h e rp a r a m e t e r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sn e t w o r ka l lo ft h o s ep a r a m e t e r sc a nb ed i s p l a y e do n o n em o n i t o r k e y w o r d s ：f u e lm e a s u r e m e n t v a r i e dd i e l e c t r i cc o n s t a n t , l i q u i dl e v e ls c i l s o r c a p a c i t a n c e - t o d i 西t a lc o n v e r t e ra d 7 7 4 6 ，a u t o m o t i v eb o d yn e t w o r k i i i 致谢 首先将最真挚的谢意献给我的导师许高斌教授。本项目的立项，研究思路 和规划，以及论文的成文都是在许老师的悉心指导下完成的。他严谨的治学态 度、深厚扎实的理论功底、丰富的实践经验、科学的工作方法和开拓创新的精 神是是我毕生学习的榜样。感谢许老师为我们创造了一个鼓励创新、合作交流 的学术氛围，成为本项目实施中强有力的支撑。同时也感谢许老师在生活上对 我的关怀与帮助、思想上对我的教导。在此向许老师表示衷心的感谢。 感谢陈兴老师的教导与关心，我还要将我的谢意送给我实验室的同窗挚友： 王鹏、汪祖民、王曦雯、徐开松，以及常永嘉、童鑫、朱华明、宋同晶、刘磊、 段宝明、皇华、韩成成、李凌宇几位师弟师妹，你们是我三年生活和学习中的 伙伴，有了你们我的研究生阶段生活更加的充实和开心。感谢安徽省m e m st 程技术研究中心全体成员。 感谢父母对我的养育之恩，他们的对我的不倦教诲和殷切期盼是我不断前 进的动力。 感谢所有帮助过我的老师、同学和朋友，感谢所有关心过和帮助过我的人， 没有他们对我的关注，就没有我今天的成绩。感谢合肥工业大学，她给了我一 个更新更高的起点，让我更加从容自信地面对未来的挑战。 向参与论文评审和答辩的老师致以深深的谢意。 i v 作者：李一方 2 0 11 年4 月 第一章 1 1 1 2 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 电容检测的方法1 3 2 4 1 调频电路1 3 2 4 2 运算放大电路1 4 2 5 3 双t 形交流电桥电路1 5 2 5 4 差动脉宽调制电路1 6 2 5 5 交流电桥电路1 7 2 5 6 基于y - , - a a d c 技术的检测方法1 8 第三章电容传感器探头设计2 1 3 1 传感器探头的模型及测量原理2 1 3 2 电容探头的尺寸确定2 3 3 3 传感器探头装配。2 4 第四章测量电路设计2 6 4 1 电路的主要组成部分2 6 4 2 电路采用的芯片简介2 7 4 3 信号采集和处理电路2 8 4 4 数字显示电路2 9 4 5 软件实现通信3 0 4 5 11 2 c 通信网络3 1 4 5 2c a n 通信网络。3 3 4 5 3l i n 通信网络3 6 4 5 4 液晶显示功能实现3 8 v v i 插图清单 图1 1 浮子可变电阻式油箱液位传感器原理图_ 1 图1 2 热敏电阻式液位传感器2 图1 3 浮子霍耳元件式液位传感器原理图3 图1 4 干簧管式燃油传感器：4 图1 5 超声波测量示意图。4 图1 - 6 电容式液位传感器5 图2 1 平行极板及圆筒型电容器示意图。8 图2 2 圆筒型变面积式电容传感器结构示意图9 图2 3 变介质式平板电容传感器的结构1 0 图2 - 4 变介质式电容传感器测量液位示意图1 l 图2 5 电容式传感器等效电路图1 2 图2 6 调频电路示意图1 3 图2 7 运算放大器电路原理图1 4 图2 8 双t 形交流电桥电路1 5 图2 9 差动脉冲宽度调制电路1 6 图2 1 0 差动脉宽调制电路各点波形图。1 6 图2 1 1 交流电桥等效电路1 8 图2 1 3 电容数字转换器2 0 图3 1 电容探头结构示意图2 1 图3 2 电容探头示意图2 5 图3 3 电容探头实物图2 5 图4 1 传感器系统拓扑图2 6 图4 2 信号采集和处理电路图2 9 图4 3 数字显示电路3 0 图4 4 传感器测量电路实物图3 0 图4 51 2 c 总线的通信协议3 1 图4 61 2 c 总线的电平状态3 2 图4 71 2 c 总线起始和终止条件3 2 图4 81 2 c 子程序流程图3 3 图4 9c a n 网络在汽车电子中的应用3 4 图4 1 0c a n 总线位的电压表示3 4 图4 1 1 标准格式的数据帧示意图3 5 图4 1 2c a n 通信发送和接收程序的流程图3 6 图4 - 1 3c a n l i n 网络连接图3 6 v i i 图4 1 图4 1 图4 1 图4 1 图4 - 1 图4 1 图5 - 1 图5 - 2 图5 3 第一章绪论 1 1 项目的来源与背景 汽车工业的迅速发展，带动了其它相关产业的发展和革新，汽车配件和汽 车产品都在不断的更新换代，汽车产业向着节能、高速、经济的方向发展。在 这一发展趋势下，车身原有的金属部件被新型的塑料产品逐渐替代。上世纪六 十年代，世界上第一只汽车塑料燃油箱由德国大众( v o l k s w a g e n ) 汽车公 司、b a s f 公司和k a u t e x 公司联合研制，并成功运用于p o r s c h e 车。与传 统的钢板燃油箱相比，塑料燃油箱具有更安全、耐腐蚀和使用寿命长等优点。 它符合汽车轻量化的发展需求，满足新的汽车燃油经济性标准。基于塑料油箱 的优越性，伴随着汽车工业的发展，塑料燃油箱得到了较快的发展和广泛的应 用。 现代塑料燃油箱采用了高分子量聚乙烯材料制造，多层材料共济吹塑技术 使塑料燃油箱具有良好的抗渗透性【l 】。中空吹塑成型是制造塑料燃油箱最佳成 型方法，通过该方法塑料燃油箱经过一次吹塑即可成型。吹塑成型工艺可以制 作出不同的复杂形状，基于这一优点，可以在车身其它零部件的位置确定后， 再布置油箱的位置。因此可以充分利用剩余空间，制作异形油箱，提高燃油的 存储量，增加汽车的续驶里程。不同型号的汽车往往会采用不同形状的油箱设 计，因此异形塑料燃油箱虽然能够增加汽车的燃油存储量，但由于它不规则的 形状，增加了燃油量测量的难度。通常油箱形状确定后，油箱高度上各点液位 和容积一一对应的关系便不会改变，获取实时的燃油液位即可以得到与此液位 对应的燃油量。因此在对燃油量进行测量时，可以采用测量液位得到燃油量的 方法。 图1 1 浮子可变电阻式油箱液位传感器原理图 目前大多数汽车油箱使用的燃油计为浮子式燃油计，通过在燃油中投放浮 子，感知液位的变化。传统的浮子可变电阻式液位计如图1 1 所示【2 1 。它是由 浮子、可变电阻以及连接这两者的滑动臂构成，当油量增多或减少时浮子可随 液位上、下移动，同时滑动臂带动可变电阻使其接入电路的阻值变小、变大， 利用阻值变化可以控制回路中电流的大小。当油箱内装满汽油时，浮子升到最 高位置，此时可变电阻接入的阻值最小，通过回路中的电流最大，仪表部分的 双金属片弯曲得较厉害，指针指示f 侧表示油箱已满。当油箱内的汽油量减少 时，浮子位置下降，可变电阻接入的阻值最大，通过回路中的电流减小，双金 属片弯曲度减小，指针指示向e 一侧偏转。 这类传感器的缺点是不能准确指示实际的剩余燃油量，只能显示大概所占 油箱容积的比例。使用浮子感应液位变化，在颠簸的路面行驶时指针随着液位 起伏发生左右偏转，造成读数不稳定。可变电阻长期暴露在燃油中，当燃油中 的杂质在电阻上沉积到一定程度时，电阻的返回值与实际液位值不符，产生误 差，甚至缩短其使用寿命。同时浮子和电阻之间需要借助多个机械部件连接， 复杂的机械部件在使用中容易出现各种问题，影响其使用寿命。 1 2 液位测量技术 针对汽车油箱的特点，下面分别对现有的液位测量技术进行比较研究，目 的是为提出能够适应汽车电子技术发展的油箱液位测量传感器做理论准备。 1 2 1 热敏电阻式液位传感器 热敏电阻式液位传感器可以用来检测某一特定液位情况，当液位低于某个 特定的高度时发出警报，其敏感元件为热敏电阻。热敏电阻的阻值可以随着温 度的变化而变化，n t c ( 负特性) 热敏电阻的阻值随着温度的上升而减少，该传 感器采用的就是n t c 热敏电阻。如图1 2 所示，将热敏电阻式液位传感器装入 燃油箱中，使最低液位正好淹没热敏电阻部分。 点火开关 图1 - 2 热敏电阻式液位传感器 当热敏电阻上有电流通过时，电阻自身会产生热量，如果液位在电阻上方， 液体可以很好的传导电阻产生的热量，热敏电路的阻值就不会因为温度升高而 2 降低；当汽车行 生的热量难易散 发出报警，点亮 此类传感器 报，不能用于测 1 2 2 浮子霍耳元 此类传感器 可变电阻引起测 固定在磁铁上方 着销钉作轴向运 该磁场作用下的 量电路转化可以 图1 - 3 浮子霍耳元件式液位传感器原理图 浮子霍耳元件式传感器与浮子电阻式传感器相比，可以较精确的测量液位 的连续变化。但是同样通过浮子感知液位变化，带有可动的机械部件，具有浮 子式传感器的普遍缺点。 1 2 3 干簧管式燃油传感器 干簧管式燃油传感器测量原理如图1 4 ( a ) 所示，外观上是一个圆柱型直筒， 圆柱的下底面都开孔，便于燃油进入筒内，直筒内部有一跟导管，导管内部在 待测点装有干簧管，外部套着可以随油位上下移动的浮子，浮子内置磁钢【4 j 。 基于干簧管的工作原理：当液位发生变化时，浮子上下移动，在磁场的作用下， 距离浮子最近的干簧管闭合导通，使接入电路的电阻发生变化，当液位再次改 变，离开磁场的作用，该干簧管弹开断路，相应的电路断开，其等效电路如图 1 4 ( b ) 所示。 3 浮千 袖位 f - _ - _ _ 1l j z c a ) 千簧管式燃油传感器结构图( b ) 干簧管式燃油传感器工作原理 图1 4 干簧管式燃油传感器 该传感器采用直筒式的结构，便于安装在油箱内，同时能够解决指针随液 位波动的问题，但是只能显示待测点的液位，不能得到连续的液位值。 1 2 4 超声波式液位传感器 超声波是机械波，在传播时，方向性好，介面反射性强，能量易于集中， 因此我们可以用它来测量油箱中液位的高度。一般超声波传感器的探头由压电 晶片组成，分为发射探头和接收探头，可以通过逆压电效应发射和正压电效应 接收超声波，如图1 5 所示【5 1 。液位h 的值可表示为 | j l ：h 一一v t 1 1 2 式中日是探头距容器底的距离，是超声波在空气中的传播速度，t 是超声 波传播的时间。 l l 百 图l - 5 超声波测量示意图 超声波式传感器装在液面上方，具有非接触测量的优点，可适应腐蚀性环 境，适用于化工企业。但是利用超声波测近距时，发射信号与回程信号难以区 分，导致盲区的产生，影响测量的范围。工作时需避开强电流、强电磁、高电 压的干扰，且不适用于强振动工作环境。 4 o 1 2 5 电容式液位传感器 电容值的大小与极板的正对面积，间距和极板间介质的介电常数有关，当保 持其中两个量不变，改变第三个量时，电容值随之变化。基于这一原理，用于 油箱液位的测量传感器如图1 6 ( a ) 所示【6 1 。图中的两个直径不等的金属套筒组 成一个电容器，内外套筒分别是电容的两极。将电容器插入油箱，如图1 - 6 ( b ) 所示。此时，两极板之间的介质变成空气和燃油，液位发生变化即两种介质在 极板间所占比例发生变化，将导致电容发生变化，高度和电容值呈一一对应关 系，测量电路对变化的电容值进行分析比较就可以得到此时的液位。 ( a ) 电容探头示意图( b ) 传感器整体组成示意图 图1 - 6 电容式液位传感器 电容式液位传感器取消了机械传动结构，体积较小，结构简单，安装方便， 成本较低。且通过检测电容变化能够得到连续的液位值。 从测量精度、产品成本和使用环境等角度着眼，通过对几种液位测量手段 的比较，电容式液位传感器结构简单，安装方便，测量结果连续变化，得出运 用电容的变化来感知液位是一项可行的方案。下面进一步介绍燃油显示技术的 发展过程，依据燃油显示技术的发展趋势，确定燃油量的显示方法。 1 3 燃油显示技术 燃油显示技术依赖于汽车仪表技术的发展，随着电子技术的发展和计算机 技术在仪表中的应用，汽车仪表正向数字化和智能化方向发展7 1 。随着汽车仪 表的发展过程，用于燃油的显示仪表可大致分为三种。 1 3 1 机械式仪表 传统的机械式仪表由罗盘和指针组成，从中只能看到大概的油量，显示不 精确。从图1 1 看出和指针直接相连的是双金属片，双金属片通常由两层热膨胀 系数不同的合金叠合而成，当温度发生变化时，双金属片的整体就会向膨胀系 数小的金属一侧弯曲，产生形变。因此，当液位改变时，浮子臂带动滑动变阻 器接入电路的阻值变化同时引起回路中电流变化，双金属片因电流变化带来的 温度变化产生形变，带动指针偏转。在车辆行驶过程中油箱发生液位波动时， 5 指针也会随之晃动，导致读数不稳定。目前，这种显示方式已基本不用。 1 3 2 模拟电子式仪表 现在汽车上也用指针和罗盘指示，但是显示原理与传统的机械传动的有着 本质的区别。从它的发展过程来看，已经历了动圈式和动磁式指示仪表的阶段。 动圈式仪表的核心部分是处于磁场中的可动线圈，线圈与指针相连，它是利用 通电线圈在磁场中受力矩作用产生角位移这一原理工作的。通电线圈产生的磁 场在固定磁场中相互作用，线圈受力矩作用产生角位移，仪表中的游丝产生一 个与角位移成正比的反力矩。当两力矩相等时，线圈停止转动。动磁式仪表是 将指针和磁钢相连，在通电线圈的磁场作用下发生转动。这两类仪表都属于模 拟电子式仪表，因此具有线性度差、精度低、重复性低、响应速度慢的缺点。 1 3 3 数字式仪表 现代仪表显示已进入数字显示阶段，当前的油量，温度等数值可以直接通 过l e d 或l c d 显示读数，也可以通过光点和光条的方式模仿表盘显示。但是受 到成本的制约，现在很多中高档汽车采用“e c u 控制步进电动机式汽车仪表 ， e c u 可以对被物理量进行数据采集，经过换算后发出控制信号给步迸电机，由 步进电机驱动指针运转。虽然外观上看仍然是指针指示，但是由于显示原理和 模拟电子仪表完全不同，它具有精度高、响应速度快、重复性好、表盘读数分 布均匀、响应速度快、可靠性高等优点。因此“e c u 控制步进电动机式汽车仪 表将逐渐代替老式的模拟电子式仪表。 随着车载电脑使用的普及，未来汽车将朝着机电一体化的方向发展，人机 通信更加方便。车身网络将汽车各方面的信息传给中央控制单元，使得汽车行 驶过程中的参数能够显示在同个液晶屏上，通过信息的交流可实现汽车的智能 化控制。在汽车电子智能化的发展趋势下，选用液晶显示的方式显示燃油量读 数，不但可以在显示屏上读出实时的剩余燃油量，并且在传感器发生故障时能 显示故障原因，实现燃油测量的“智能化 【s 】。 1 4 本文主要工作 上个世纪7 0 年代，微控制在汽车上的应用给汽车工业带来了划时代的变 革。随着汽车电子技术的不断发展与革新，汽车技术已进入网络化综合技术时 代。以微控制器为核心的汽车电子控制单元通过汽车电子网络系统互连，实现 了通信与控制的网络化管理。为了适应这一发展趋势，对油箱燃油量的测量和 显示也有了更新的要求。本文在汽车网络化的趋势下，基于电容量随极板间介 质变化的原理，设计了电容式传感器探头，并在设计中引入了补偿电容的设计， 以消除燃油介电常数变化给测量带来的不利影响。 6 飞速发展的微电子技术为电容到数字转换在同一芯片内实现提供了条件， 目前已经能够通过单颗电容数字转换芯片对电容量精确测量，在节约了成本的 同时，减少了电路设计部分的工作。因此本文在测量电路中采用该方式采集电 容信号。为了利用车身网络实现通信，信号采用c a n 总线或者l i n 总线进行 传输。液晶显示方式用于显示油箱燃油量，且便于集成显示和智能故障分析。 本文研究数字式电容传感器的路线是：以电容为作为敏感元件，测量异形 油箱中燃油液位和进行容积和液位的关系标定，通过硬件电路和软件配置实现 信号的传输，最终通过字符型液晶显示器显示油箱剩余燃油量。 论文共分为六章，其内容如下： 第一章绪论。主要介绍了液位传感技术和燃油显示技术，在汽车电子技 术的发展背景下提出数字电容式液位传感器的方案。 第二章电容传感器。本章通过比较分析不同的电容式传感器的测量原理 和测量电路，得出适用于油箱液位测量的电容测量原理和测量电路。 第三章电容传感器探头设计。本章在选定的测量原理基础上对探头进行 设计，并加入补偿电容的设计，在原理上推导出液位和电容的变化关系。从实 际油箱的容积和高度出发，确定了电容探头的各项参数，并提出了探头的整体 结构。 第四章测量电路设计。本章提出了实现信号传输的整体方案，包括硬件 电路的设计和软件设计流程，并介绍了目前车身网络系统的主要组成。 第五章标定和改进措施。在数字电容式液位传感器实现通信的基础上对 油箱容积和液位进行标定，并且给出在行驶过程中去除液位波动影响的方法。 从保护电极的角度出发给探头加上保护层，并说明涂层对测量结果的影响，给 出消除影响的方法。 第六章总结和展望。对本文工作做出总结，给出本文的研究结论，同时 提出需继续研究的工作内容。 本项目是对电容式液位传感器在汽车油箱液位测量领域的应用研究，结合 了理论模型的推导、机械加工装配、电子信号处理和车身网络通信等多方面的 知识，目的是在汽车电子技术革新的过程中，改进传统液位测量技术，使汽车 电子产品集成化、智能的方向发展。 7 第二章电容传感器 2 1 电容传感器的发展和分类 电容传感器是指将被测的力学量( 如位移、力、速度等) 转换成电容变化 的传感器。电容式传感器的优点包括：结构简单，易于制造，测量精度高，可 用于测量微小的变化量；固有频率高，动态相应好，可用于测量瞬时变化的量； 能实现非接触测量，具有平均效应；可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期 工作。但同时电容式传感器输出阻抗高，负载能力差，寄生电容影响大，易受 外界环境影响，这些不利影响制约了电容式传感器的发展。随着电子技术的发 展，特别是测量电路及半导体集成技术等方面的不断进步与完善，使得寄生电 容的影响得到较好地解决，电容式传感器的优点得以充分发挥。目前，电容式 传感器可用于压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等物 理量的测量。 一般电容传感器采用平板结构或圆板和圆筒结构，其结构示意图如图2 一l 所示。 圆 平行极板电容器示意图圆筒型电容器不葸图 图2 1 平行极板及圆筒型电容器示意图 两个平行极板组成理想电容器的电容量c 可以表示为 c = 竺= 6 r 占o s 2 1 dd 式中是电容极板间介质的介电常数，8 0 是真空介电常数，毋是极板间介 质相对介电常数，8 = s o “，j 是两平行极板的正对面积，d 是两平行板之间的距 离。 从表达式2 1 可以看出电容量的变化由两极板间介质的介电常数，极板的 正对面积和极板间的距离共同决定，当保持其中的两个参数不变，其余的量时， 电容量也随之改变。基于这一原理电容式传感器可分为三种基本类型：变间距 式、变面积式和变介质式电容传感器。间距或面积的变化可以反映线位移或角 位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；介电常数的变化则可反 映液面高度、材料厚度等的变化。下面分别对三种形式的电容式传感器在位移 的测量领域的应用做出介绍和比较。 8 2 1 1 变间距式电容传感器 基于公式2 1 ，当一块极板固定，另一块极板上下移动时，极板间距发生 改变，当间距的相对变化量远小于初始间距时，变化后的电容量c 可表示为 j c = c n + c n 竺 2 2 ” 。d o 式中g 是初始电容量，d 是初始极板间距，ad 指极板的相对位移，当两 极板靠近时，孑为负值，电容量增大，当两极板远离时，孑为正值，电容量 减小。 。 通常变极板间距离电容式传感器的起始电容在2 0 至3 0 p f 之间，极板间距 在2 5 至2 0 0 p , m 之间，相对位移的最大值为初始间距的十分之一，因此可广泛 应用于微位移测量。在实际应用时，经常采用差动方式消除电源电压、温度等 环境因素带来的影响。差动方式的设计是两个平板电容器共用同一个极板，当 共用极板上下移动时，其中一个电容器的电容量增大，另外一个电容器的电容 量减小。采用差动方式的设计可以改善变间距式电容传感器的非线性问题，并 且提高它的灵敏度。 2 1 2 变面积式电容传感器 对于变面积式电容传感器，平板型结构对极板间距变化十分敏感，测量精 度易受到影响，而圆筒型结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采 用的结构。圆筒型变面积式传感器的探头由轴向重合的两个直径不等的圆筒组 成，其结构形式如图2 2 所示， 眩二广。1 弋 2 尺 j _ 型 图2 - 2 圆筒型变面积式电容传感器结构示意图 当传感器进行位移测量时，固定其中一个极板，另外一个极板与待测量物 体相连，若内外圆筒未发生相对位移，其电容量c o 可表示为 c=旦o2co = l n ( r r ) 2 3 若内外圆筒发生了相对位移时，两个圆筒的重合面积发生改变，此时，改 变后电容量c 可表示为 c = 揣= c o + c o 孚 2 4 乙= 一= 十乙 一 厶q l l l ( r ，) ”， 式中岛为内外圆筒未发生相对位移时的电容量，为内外圆筒重合部分的 长度，尺为圆筒外筒内半径，为圆筒内筒外半径，为两圆筒的相对位移量。 这类传感器具有良好的线性度，可以用来检测位移等参数。 2 1 3 变介质式电容传感器 平行极板变介质式电容传感器的结构可用图2 3 来表示。在两极板间插入 介质，引起电容量的改变。 卜一4 _ 1 图2 3 变介质式平板电容传感器的结构 当电容器极板间介质的介电常数发生变化时，可以得到变化后的电容量c 为 1 一鱼 + c = c o + c o 等了 2 5 兰一旦一1 畋， 式中c o 是介质未发生变化时电容量，d 是极板的间距，8 0 是初始的介电常 数，8 ，是发生改变的介电常数，a 是介电常数发生改变的长度，如是介质变化 的间距，是极板的长度。从上式可以看出，如果变化前后两种介电常数确定， 且d 和如的值已知，则电容c 和介电常数发生变化的改变口成线性关系。 在实际应用中，多用改变平行极板间距的方法制作位移传感器，此法所得 的电容器比改变其它参数的方法具有更高的灵敏度，可以用来测量微米级变化 的位移。圆筒型极板变面积方式制作电容器可用于测量厘米级变化的位移。变 介质式电容传感器可测量液体和固体的物位，还可根据极间介质的介电常数随 温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。为了提高灵敏度，扩 大测量范围，增加稳定性，通常可以采用差动方式组成传感器。利用多片极板 叠加作一极可以在扩大测量范围的同时减小单片极板的面积。因此，根据不同 类型电容传感器的适用范围，在进行燃油液位测量时选用变介质式电容传感器。 2 2 变介质式电容传感器的应用 河流、水库或者容器中液体的液位可以通过监测浸在液体中的两极板之间 的电容量得到【9 1 。因此，容器中液体的液位可以通过变介质式电容传感器测量， 1 0 具体的测量结构可以按照容器和液体的材质分类。 1 、测量导电容器绝缘液体液位。当利用变介质式电容传感器测量金属容器 中绝缘液体的液位，且容器为一桶状结构时，基于容器本身是的导电性，把它 作为电容器的一个极板，在容器轴心位置插入一根金属电极作为电容器的另一 个极板，共同组成电容传感器 2 、测量绝缘容器非导电液体液位。用于测量非导电液体液位的电容传感器 结构如图2 - 4 ( a ) 所示。电容探头由两个轴心重合的金属圆筒组成。电容c 和液 位的变化关系为 c = 丽2 z e o l + 掣= c o + c o e o ( e , - 1 ) 争 2 6 l n ( 尺r )l n ( 尺，) 、 7 ， 式中8 ，是被测液体的相对介电常数，g o 是气相介质的介电常数，j i l 是液体的 液位，j 是电容传感器两极板的重合长度，是内极板圆柱底面半径，r 是外极板 圆柱底面半径。由于八，、月等都是已知量，只要代入岛、8 0 、c 的值就能计算出 液位h 。 第二种结构是在液体中竖直插入两片相同平行金属极板，组成平行极板电 容器，如图2 - 4 ( b ) 所示。电容c 和液位的变化关系可表示为 c ：e o a ( 1 - h ) + 6 ，6 o a h ：c o + c o s o ( 一1 ) 导 27d d 、7 7 ， 式中矗是被测液体的相对介电常数，e o 是气相介质的介电常数， 是液体的 液位， ，是电容极板的长度，口是电容极板的水平宽度。当，、a 已知时，只要代 入8 ，、e o 、c ，就能计算出液位h 。 二j 、- 2 r 、- 一一 厂、 l一 一_ ， 一 ，r、 7 、 、- h ( a ) 圆筒型液位传感器原理图 ( b ) 平板型液位传感器原理图 图2 4 变介质式电容传感器测量液位示意图 3 、测量绝缘容器导电液体的液位。当测量导电液体的液位时，可以将导电 液体自身看作电容器的个电极，另外在液体中插入一根包有绝缘管套的金属 电极组成电容器。 汽车油箱采用聚乙烯材料制作，具有良好的绝缘特性，燃油本身也是一种 l l 1 ，丑 丁h 且 绝缘的液体，所以可以采用第二种方案制作电容式传感器，用于测量油箱中燃 油的液位值。 2 3 电容传感器的等效电路 通常情况下，电容式传感器都是被当作一个纯电容来考虑的，但实际上， 电容式传感器并不是单一的电容。其完整的等效电路如图2 5 ( a ) 所示 l ( a ) 完整等效电路图( b ) 低频等效电路图( c ) 高频等效电路图 图2 - 5 电容式传感器等效电路图 图中，是包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感，尺是由引线电阻、 极板电阻和金属支架电阻共同组成，c 是传感器本身的电容，g 是引线电缆、 所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容，也是极间等效漏电阻，它包 括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在 制造工艺上和材料选取上应保证足够大。 在低频工作时，等效电路如图2 - 5 ( b ) 所示，传感器电容的阻抗非常大，因 此三和尺的影响可以忽略，其中等效电容c , = c o + c p ，等效电阻r 。如。在高频 工作时，传感器电容的阻抗变小，因此三和r 的影响不可忽略，而漏电的影响 可忽略。其等效电路简化为图2 - 5 ( c ) 。其中g = c o + q ，而r 。r 。 传感器的有效电容量c 为 c ：上2 8 l 一矿c c , 电容的相对变化量a c 为 等专c 壶l ， 2 9 一= = 二- i 一- 2v c c 。、1 一国2c 。 从等效电路可知，传感器本身有一个谐振频率，通常情况下为几十兆赫。 当工作频率接近谐振频率时，传感器不能正常工作。因此，为了使电容器正常 工作，工作频率应该低于它的谐振频率。等效灵敏度的变化随激励频率改变， 因此实际测量和标定时应该使用相同的频率的电源电压激励。 传感器除了极板间电容外，极板与周围物体( 各种元件甚至人体) 也产生 电容联系，另外导线之间、线圈与机壳之间以及某些元件之间也有分布电容， 1 2 这些电容称为寄生电容。它不但改变了电容传感器的