汽车油箱油位传感器测量系统的研究

汽车油箱油位传感器测量系统的研究

目前，我国汽车油压机的传感器电路是一个简单的“厚膜印刷电阻”电路，具有相当于柔性阻力。当阻值发生变化时，油压机的石油压力会发生变化。电刷的长期磨损直接影响到测量的精度。电容式传感器结构简单、动态响应快、非线性误差小、非接触式测量以及能有效地改善由于温度的影响所产生的误差等特点使其广泛的应用与生产与科研。1电容与油位成线性关系该油位传感器采用圆筒式结构如图1所示，外筒和内筒构成电容的两个极板，两极板间为待测液体，两个圆筒电极尺寸及相对位置确定后，电容只随两极板间的介电常数变化而改变。油箱内的总电容C为油体介质x(0≤x≤L)段电容C1和空气介质(L-x)电容C2之和。即:C=C1+C2,其中:取x=0空气电容作为参比电容C0，则随着油位x的变化，电容的变化为ΔC为：即电容的变化ΔC与油位成线性关系。设计输出电路保证电压U和电容的变化ΔC呈线性关系：U=m·△C就能保证汽车油位的线性测量。即U=Kx。2cav2的结构CAV424是德国AMG公司的一款多用途的处理各种电容式传感器信号集成电路，能够检测出一个被测电容和参考电容的差值。它可以检测10pF到2nF的电容值，被检测电容需要在参考电容值的5%到100%内变化。CAV424的结构如图2所示。图2中一个通过电容COSC频率可调的参考振荡器驱动两个构造对称的积分器，并使它们在时间和相位上同步，参考振荡器电流IOSC由外接电阻ROSC和参考电压Vm来确定并且满足：，参考振荡器的输出频率，其中ΔVOSC由内置电阻定义并固定为2.1V,C′OSC是由电容COSC输入端引入的寄生电容。两个积分器的振幅由电容Cx1和Cx2来决定，是参考电容，而Cx2是被测电容，。两个振幅的差值反映电容Cx1和Cx2的相对变化量，再通过内置的信号处理电路将Cx1和Cx2的电压相减，和参考电压Vm一起得出差分信号：,GLP是放大增益，放大倍数由第4引脚外接电阻调整控制。3油位测量系统的设计3.1cav2电路技术汽车油位测量转换电路由CAV424集成电路、PIC单片机处理电路、低通滤波电路、电压电流转换集成电路AM402组成，如图3所示。CAV424集成电路检测与油位变化成比例的电容信号并将其转换成线性范围是0～500mV的差分电压，该差分信号经集成电路AM402转换成4～20mA直流电流，同时单片机采集CAV424内部集成的温度传感器信号，并产生PWM调制信号，该调制信号经过低通滤波后转换成平稳的平均电压信号（电压大小可由PWM的占空比调节）后，实现CAV424输出电压的零点与满度的调节，从而实现温度补偿的作用。3.2电容传感器的选用从CAV424工作原理中可以得知输出差分电压可以表示为VOUT=f(Cx1,Cx2,fosc,ICx1,ICx2），其中任何一个参量的变化都会引起输出电压的改变。设计时可以固定4个变量，使得输出差分电压只随可变电容Cx2。因此，首先要确定电容传感器空载与满度时的电容值。电容传感器采用Fe-Ni合金作为电极材料，与软玻璃、陶瓷匹配密封连接，采用聚四氟乙烯做绝缘材料，在油箱内高度为150mm，外半径R=7mm，壁厚1.5mm，内半径r=4mm，壁厚1mm。空载时最小电容值Cmin≈130pF，装满93#汽油时Cmax≈260pF，故选择参考电容Cx1=Cmin,COSC=1.6Cx1≈210pF。输出差分电压设置为0～500mV。令积分器充电电流相等ICx1=ICx2=5μA，可以得出Rcx1=Rcx2=500k;ROSC选用典型值250K;CL1=CL2=1nF;Rl1=Rl2=RL3=100k;RA=RB100k;CVM=100nF;CRL=100nF。参数确定以后控制单片机没有信号输出，室温下实际测量AM402的电流输出，如果空载时电流不是4mA或者满度时不是20mA，可以调节电阻Rl1与RA的值实现零点与满度的校正。3.3cav2工作原理当温度发生变化时，传感器电路的电气特性会发生漂移，进而会影响到输出，可以利用单片机修正零点和满度从而得出正确的输出。油位最低时以5℃为间隔在不同的温度Ti下测量出传感器的最小输出电流Ii并将得到的数据以数组的形式保存进单片机。将I表示成以温度T为自变量的多项式，如公式（1）所示。由于：轿车油箱位于轿车中后部位置，且油箱外壳由塑料制成，隔热效果较好，内部温度变化不是太大，因此取少量测点即可，n首先取2，按最小二乘法进行曲线拟合，使所给定点与二次多项式X的偏差的平方和表示为：上式达到最小值时，需满足可以求出二次多项式的三个参数a0、a1、a2，从而可以得出线性化公式：CAV424内置了温度传感器，输出约8mV/K的电压信号，单片机通过采集该电压信号的大小判断当前温度Ti并将该温度值带入线性化公式（3）中计算出当前温度所产生的零点漂移电流值ΔImin，然后根据CAV424已经确定外接电阻电容参数以及本文第2节中介绍的CAV424工作原理中参考电流源与输出差分电压的函数关系，计算出调节参考电流ΔICx2的大小并通过PIC16F877的CCP1端口产生PWM脉冲，滤波后产生稳定的直流电压，该电压使参考电流源中的ICx2产生ΔICx2的变化，从而实现零点的修正。满度值的修正需要使传感器工作在最高油位时以5℃为间隔在不同的温度Ti下测量出传感器的输出电流Ii，重复零点修正的过程，满度修正脉冲由PIC16F877的CCP2端口产生，经滤波后使参考电流源中的IOSC产生ΔIOSC的变化，实现满度的修正。3.4基于线性化的cav2温度补偿系统软件由PIC16F877单片机实现，其主要作用就是采集当前温度值，利用线性化算法产生PWM信号，实现对CAV424温度补偿。实现过程如图4。4标准曲线及输出电流实验时切断PIC单片机电源，使单片机端口无信号输出，选用93#汽油作为介质，以3mm为油位间隔分别在15℃、25℃、35℃环境下测量不同液位所对应的输出电流值，结果如表1所示；接通单片机电源，使单片机采集CAV424的温度信号，并根据编写的算法实现温度补偿后重复以上实验过程，数据如表2所示。从记录的数据可以看出没有引入单片机进行温度补偿时，输出电流最大偏差为0.16mA，引入修正脉冲电压后，输出电流最大偏差为0.05mA。实验证明修正后的系统输出电流较稳定，抑制温漂的能力较强。5系统的晶体结构文中AM402