现代测控技术容式液位传感器在汽车油箱中的应用.doc

电容式液位传感器在汽车油箱中的应用现 代 测 控 技 术 及 系 统结 业 论 文题 目： 电容式液位传感器在汽车油箱中的应用姓 名： 学 号： 专 业： 年 级： 硕2012级 指导教师： 日 期： 2013年1月1日 目录摘要2一、概述3二、总体方案与理论研究42.1 电容式液位传感器的工作原理42.2 汽车油箱油量测量装置5三、检测方法9四，总结11参考文献12摘要随着我国经济的飞速发展，汽车已经成为必备的日常交通工具。汽车诞生100 多年来，随着需求的不断增大，汽车产业的迅速发展同时也带动了汽车各项技术的发展。汽车电子化进程的加快逐渐取代了之前的各种机械式部件。早期的油箱液位测量多采用机械原理，而现在采用基于液位两侧介质物理性质差异或者液位改变引起电量或者非电量的物理参数变化来实现，如电容、电阻、电感以及声速和光速等。目前国内液位测量采用的技术和产品很多，但存在较多问题和弊端，或测量精度不高，或价格昂贵。基于电容式传感器的燃油量液位测量方法，根据燃油液位与电容传感器的电容值成良好的线性关系测量液位。实验室测量结果表明，采用该方法燃油液位和传感器电容具有较好的线性度，测量误差小于 5%，耗电量低，使用寿命长。关键词：电容式传感器;液位;传感器一、概述电容式液位传感器是利用电容器原理工作的, 由于平板电容器所占空间较大, 通常采用双筒形可变电容器作为电容式液位传感器, 它结构简单, 而且, 便于加工制造。用金属管作圆柱形可变电容器的一个内电极, 其直径为d, 外套管作为电容器另一个电极, 其直径为D, 被测液体为两个电极之间的绝缘介质。随着液位的上升, 两个电极间的介质覆盖面积增大, 可变电容传感器的电容量就会随着液位的升高成比例地增加, 反之, 电容量就会减小。 汽车油箱的油量多少关系到可持续行车的里程，是驾驶员需要知道的重要参数，我们可以从汽车仪表盘的油量只是表上读出油箱油量，汽车燃油量的测量实际是燃油液位的测量，目前测量油箱内燃油液位主要采用3 种方式:（1） 即油箱内燃油量传感器由可滑动的浮子连接一根金属杆，金属杆的尾部经由可移动的接点连接到一个可变电阻。可变电阻一端接地，另一端连接到仪表盘的油量表上。燃油液位的变化带动浮子引起可变电阻阻值的变化。油量表为十字线圈式仪表，传感器电阻的变化引起线圈内电流变化驱动指针指示，这种燃油量测量方法精度较低，在路面颠簸状态下会出现油表指针抖动现象。同时这种仪表的工作电流较大，仅通过可变电阻的电流就达到30 80 mA。(2)用单片机采集上述可变电阻阻值计算燃油液位，精度同样难以提高;(3) 测量容器底部的压，这种方式在温度变化时误差较大;(4)采用磁敏油位传感器测，这种方法线性度较差，测量时需要分段线性化处理；（5）基于电容式传感器的燃油液位测量系统，根据燃油液位与电容传感器的电容值成良好的线性关系测量液位，具有精度高、成本低且电路处理简单的特点。 电容式传感器结构简单、价格便宜、灵敏度高、过载能力强、动态响应特性好、对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。因此得到广泛应用。 二、总体方案与理论研究2.1 电容式液位传感器的工作原理电容式液位传感器是利用北侧介质面的变化的一种变介质电容传感器，其外形如图1所示。如图2所示为用于检测非导电介质的电容式液位传感器。当被测液面高度变化时，两同轴电极间的介电常数将随之发生变化，从而引起电容量的图1 电容式液位传感器 图2 电容式液位传感器原理图变化。假设被测介质的介电常数为，液位以上部分介质的介电常数为，其他电容量为C=+式中 H传感器插入液面深度； L两电极相互覆盖部分的长度； D，d外电极的内径和内电极的外径。设为液面深度H=0时的电容，则液面深度将增至H时电容的变化为 =C-= 由上式可见，如果测量出电容变化量，就可以测出液面高度H。两种介质介电常数差越大，极径D与d相差越小，传感器灵敏度就越高。 上述原理也可用于导电介质液位的测量。这时，传感器的两个极板与被测介质绝缘。2.2 汽车油箱油量测量装置油箱油量测量系统如图3所示，它由电容式液位传感器，电阻电容电桥，放大器，两相电动机，减速器及显示装置等组成。电容式液位传感器座位电桥的一个臂，为标准电容器，和为标注电阻，为调整电桥平衡的电位器，它的转轴与显示装置同轴连接并经减速器由电动机带动。图3 油箱油量测量系统图 当油箱中无油时，传感器有出事电容量，即=,令=，电位器的触点位于零点，的阻值为零，显示装置的指针在零位置，由电桥的平衡条件可得=此时，电桥输出端无电压输出，电动机不转动，系统处于平衡状态。当油箱注入油且液面升高到h时，=+，电桥失去平衡，于是电桥输出端有电压信号输出。该信号经放大器放大后，驱动两相电动机转动，经减速器同时带动电位器转轴（实际上是改变触点的位置）和显示装置上的指针转动。当电位器转轴转动的某个位置时，可使电桥处于一个新的平衡条件，于是电桥输出端电压又变为零，电动机停转，显示装置上的指针停止在受电桥输出电压大小控制的某一响应的指示角上。电桥所处的新的平衡条件为 =式中 传感器电位变化量； R电位器转动引起的阻值变化。由于 = =h又因为 =所以 = 式中 比列系数。 从上式可以看出，显示装置指针偏转角与油箱油量的液面高度成比列，知道了指针偏转角度，也就得到了油量值。三、检测方法传感器的测量实际上是对电容的测量，可以用测量频率的方式测量电容5，也可以测量电容的充电时间。可以测量充电时间来计算电容值的大小，然后计算液位的高度，测量原理如图4 所示。图4传感器测量原理示意图如果初始条件t = 0 时，电容两端电压VC = 0。电容的电压与充电时间的关系为:VC = E(1 ) 可以推出:t = Cln(1 VC /E)式中E 是充电电压，t 为电容的充电时间。设充电过程中t1,时刻电压为VC1，时刻电压为VC2，两者时间差为:t = t2 t1 = R1C ln()测量的流程如图5所示。测试结果如图6所示，从图中可以看出，单片机的计数时间和液位的变化具有比较理想的线性度，通过途中测试的充电时间计算的液位与实际液位误差小于 5%。正常工作时电路的工作电流小于5 mA，能耗较低。 图5 测量程序流程图 图6 液位与单片机计数时间线性关系四，总结基于电容式的汽车燃油量测量原理简单，测量精度高，成本低，且电容式传感器比电位器式传感器使用寿命长。电容式燃油量传感器属于接触式测量，传感器要选择耐腐蚀材。目前的测试没有考虑温度对测量精度的影响，汽车行驶过程中燃油温度升高，不仅会改变介质的介电常数，还会引起传感器的几何尺寸发生变化，这些都会影响传感器的测量精，因此下一步必须考虑对温度进行补偿，消除温度变化带来的测量误差参考文献1杨希 一种基于单片机系统的汽车燃油量测量系统设计J 汽车技术，2007(11):29 312