CN101246032A - 油量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种油量传感器，具有一个带有电气仓的传感器外管，其电气仓下端固联有一个由空心圆筒外管和实心圆柱芯轴组合而成的电容器检测探头，作为油量信号采样单元，电连接于设置在电气仓内的信号转换单元电路和放大输出单元电路，输出接近余弦正弦的驱动电压信号至显示单元指示器。本发明用芯轴和外管作为测量车辆燃油油量的传感器基本检测元件，通过芯轴和外管之间形成的电容C，变换芯轴的尺寸，改变电容C，让电容C的变化曲线跟随油箱的油量曲线，正比于燃油的液位高度，实现对任意形状的油箱油量进行精确的测量。摒弃了现有技术油量传感器使用的继电器，舌簧管，滑动电位器机械动作元件，成本低廉，寿命长，可靠性高，抗干扰能力强的特点。

Description

油量传感器

技术领域

本发明涉及一种主要用于测量车辆燃油油量的电子测量传感器

背景技术

现有技术中用于测量车辆油箱油量的传感器主要有以下三种类型：

一种是用滑动电位器作基本检测元件，由浮子带动电位器，再用欧姆表检测其阻值，显示油位的传感器。该传感器的不足之处是，当油垢覆盖电位器后，其阻值会发生变化，造成误差太大，甚至不能使用，从而，导致此类油量传感器成为寿命很短的易损件。

第二种类型是用电感线圈作为基本检测元件，用浮子带动电感线圈，改变震荡电路震荡频率，再通过频率计检测其频率来测定油位的油量传感器。此类油量传感器的不足之处是，结构复杂，调试麻烦，价格贵，成本高，不能被广泛使用。

第三种类型是利用磁场控制舌簧管内触点通断的原理，将被测量变化转换成输出信号，从而测出油位高度的油量传感器。由于该油量传感器易受舌簧管的机械动作寿命和外磁场的影响，而抗干扰能力差，因此，不能在特殊领域或要求高可靠性的场合使用。

上述现有技术油量传感器还有一个共有的缺陷，就是只能对比较规则的油箱油量进行测量(比如长方体，正方体，圆柱体等)，如果要对不规则的油箱(比如三角形，梯形，壶形，多边形油箱等)进行测量，则不能进行精确的测量，很难满足测量要求。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术油量传感器的不足之处，提供一种成本低，寿命长，可靠性高，抗干扰能力强，能够对任意形状的油箱油量进行精确测量的油量传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种油量传感器，具有一个带有电气仓的传感器外管，其特征在于，电气仓下端固联有一个由空心圆筒外管和实心圆柱芯轴组合而成的电容器检测探头，上述电容器检测探头作为油量信号采样单元，电连接于设置在电气仓内的信号转换单元电路和放大输出单元电路，并将输出接近余弦或正弦的驱动电压信号送至显示单元指示器。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明用芯轴和外管作为测量车辆燃油油量的传感器基本检测元件，通过芯轴和外管之间形成的电容，变换芯轴的尺寸，改变油量传感器外管和芯轴之间的电容，让电容的变化曲线跟随油箱的油量曲线，且正比于燃油的液位高度，实现对任意形状的油箱油量进行精确的测量。并配合油量指示器一起工作。油量指示器对本发明的油量传感器提供的信号进行变换，通过指针指示出当前车辆的实际燃油剩余量。由铝合金材料加工而成的外管和芯轴，可以在-40℃～+70℃温度宽范围内稳定工作。在电气仓内配置的电子电路，摒弃了现有技术油量传感器使用的继电器，舌簧管，滑动电位器等，具有机械动作的元件，因而成本低廉，寿命长，可靠性高，抗干扰能力强。。

附图说明

图1是本发明油量传感器的构造图。

图2是油量传感器信号采样单元的结构示意图，

图3是规则油箱形状的被测量状态示意图。

图4是不规则油箱形状的被测量状态示意图。

图5是不规则油箱油量与传感器的浸油高度曲线图。

图6是本发明油量控制电路框图。

图7是图6的电路原理线路示意图。

图8是图6中的信号转换单元的电路原理图。

图9是图6在中的放大输出单元的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参阅图1、图2，带有电气仓2壳体1的电气仓下端，固联有一个由空心圆筒外管10和实心圆柱芯轴11。外管10是一个空心圆筒，芯轴11是一个实心的圆柱。外管10和芯轴11可以是铝合金材料加工而成。在芯轴和外管a、b之间有绝缘介质隔离层，本实施例的绝缘介质隔离层是由空气介质14形成的。空心圆筒外管10和实心圆柱芯轴11组合成电容器检测探头。壳体1中的电气仓2内填充有非金属绝缘介质，电气仓2壳体1内填充的介质可以是硅橡胶。硅橡胶将基座8与外管10连接处密封。油量传感器17的电气仓壳体1的侧面，固联有由螺钉5固定连接的插座6。基座8内侧孔壁连接有通过沉头螺钉7固联的绝缘支座9。外管10固联在基座8内侧孔壁与绝缘支座9筒体外圆之间。印制板3固定在电气仓2底部的绝缘片4上。并通过螺钉12固定连接在外管10电容器检测探头端部的支承13上。在芯轴和外管之间形成的电容

$C_X=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{1}h}{1n\frac{D}{d}}+\frac{2{\mathrm{\π}}_1\mathrm{\ϵ}(H-h)}{1n\frac{D}{d}}=\frac{2\mathrm{\π\ϵH}}{1n\frac{D}{d}}+\frac{2\mathrm{\πh}({\mathrm{\ϵ}}_1-\mathrm{\ϵ})}{1n\frac{D}{d}}=C_0+\frac{2\mathrm{\πh}({\mathrm{\ϵ}}_1-\mathrm{\ϵ})}{1n\frac{D}{d}}$

式中：C₀为芯轴11和外管10的初始电容。 $C_0=\frac{2\mathrm{\π\ϵH}}{1n\frac{D}{d}}$

ε为空气的介电常数。

ε₁为燃油的介电常数。

d为芯轴外径

D为外管外径

h为浸油高度

H为传感器长度

由此可见，在芯轴和外管之间形成的电容Cx正比于燃油的液位高度。

当被测量油箱是规则形状，比如长方体，正方体，圆柱体等时，油箱油量也是正比于燃油15的液位高度。这时，油量传感器可以准确的测量出油箱的燃油剩余量。

下面通过图3、图4规则和不规则被测量油箱形状来说明油箱油量正比于燃油的液位高度的情况。

如图3所示，假设油箱17是规则油箱，容积为200L，油箱高度为40mm，当燃油15液面高度为10mm时，油量指示器指示为50L。当燃油15液面高度为20mm时，油量指示器16指示为100L。当燃油液面高度为30mm时，油量指示器16指示为150L。当燃油液面高度为40mm时，油量指示器16指示为200L。因为油箱17为规则形状的油箱，油箱燃油剩余量正比于燃油液面高度，而油量传感器18的输出信号也是正比于燃油15的液位高度，所以油量指示器16可以准确的反映出油箱燃油剩余量。由此可以得出规则油箱的油量与传感器的浸油高度油量曲线是线性的。

如果被测量油箱是不规则形状的情况。

如图4所示，假设油箱17是不规则油箱，油箱容积同样为200L，油箱高度同样为40mm。油量传感器18的输出信号也是正比于燃油15的液位高度。

当燃油15液面高度为10mm时，油量指示器16指示为50L。当燃油15液面高度为20mm时，油量指示器16指示为100L。当燃油液面高度为30mm时，油量指示器16指示为150L。当燃油15液面高度为40mm时，油量指示器16指示为200L。这样油量指示器16的指示值与油箱的实际剩余油量就相差甚远了。

实际情况应该是这样的：当燃油15液面高度为10mm时，实际油量应该是68.75L，当燃油液面高度为20mm时，实际油量应该是125L。当燃油液面高度为30mm时，实际油量应该是168.75L。当燃油液面高度为40mm时，实际油量应该是200L，油量指示器也指示200L，这是因为我们假设两个油箱的总容积是一样的。由此，可以从图5看出，该不规则油箱的油量曲线，即油量与传感器的浸油高度曲线是非线性的曲线。

那么，怎样解决这个问题呢？

由于本发明的方案是通过变换油量传感器芯轴的尺寸，让油量传感器外管与芯轴之间的电容Cx的变化曲线与不规则油箱的油量曲线相一致。

根据下面公式，通过图2所示，可以知道，当油量传感器芯轴的直径d增大时，那么电容C也将增大。

$C_X=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{1}h}{1n\frac{D}{d}}+\frac{2{\mathrm{\π}}_1\mathrm{\ϵ}(H-h)}{1n\frac{D}{d}}=\frac{2\mathrm{\π\ϵH}}{1n\frac{D}{d}}+\frac{2\mathrm{\πh}({\mathrm{\ϵ}}_1-\mathrm{\ϵ})}{1n\frac{D}{d}}=C_0+\frac{2\mathrm{\πh}({\mathrm{\ϵ}}_1-\mathrm{\ϵ})}{1n\frac{D}{d}}$

通过计算，可设计出图2所示的油量传感器芯轴尺寸。从图2可以看出，d1＞d2，根据上面的公式，可以计算出油量传感器外管10与芯轴11之间的电容Cx的变化曲线与不规则的油量曲线是基本相一致的。

本发明就是这样通过变换芯轴尺寸后的油量传感器，准确测量出油箱的实际剩余油量。

在图6～图9中，电容器检测探头作为油量信号采样单元，将电容信号输送给电连接在电气仓内的信号转换单元电路。信号转换单元电路将电压信号送至放大输出单元电路进行放大，输出接近余弦或正弦的驱动电压信号至显示单元指示器。显示单元即油量指示器。油量指示器通过内部的流比计带动指针旋转实现流量的指示。

参阅图8，NE555芯片U1脚7的并联电阻R1，R2和通过NE555芯片U1脚1、5的接地并联电容C1组成的震荡器，将NE555芯片U1的脚3输出频率为f的方波信号，经由电容C2，电阻R3组成的微分电路，再经过二极管D1限幅后，产生A点的波形，再经由串联二极管D2、电阻R4和并联接地电阻R5、电容C3组成的整流、衰减和滤波电路处理，从B点输出微弱的直流信号。电容Cx的容量增大时，频率f下降，B点的电压下降；反之，当电容CX的容量减小时，频率f上升，B点的电压也上升。

参阅图9，通过可变电阻R6反向串联的运算放大器U1 1/4，U1 2/4，经并联电阻R7，R8正向连接算放大器U1 2/4，和跨接于算放大器U1 1/4输入端与输出端之间的电阻R9组成的比例运算放大电路，将输入信号进行比例放大后从脚8输出，一路经过算放大器U13/4接成射极跟随器，驱动三极管Q1，输出接近正弦的驱动电压。另一路经由运算放大器U1 4/4，电阻R10，R11，R12，R13组成的反向器，驱动连接运算放大器U4/4输出端的三极管Q2，通过三极管Q2发射极连接的电阻R15，输出接近余弦的驱动电压。

Claims (7)

1.一种油量传感器，具有一个带有电气仓的传感器外管，其特征在于，电气仓下端固联有一个由空心圆筒外管和实心圆柱芯轴组合而成的电容器检测探头，上述电容器检测探头作为油量信号采样单元，电连接于设置在电气仓内的信号转换单元电路和放大输出单元电路，并将输出接近余弦或正弦的驱动电压信号送至显示单元指示器。

2.按权利要求1所述的油量传感器，其特征在于，芯轴和外管之间形成的电容

$C_X=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{1}h}{1n\frac{D}{d}}+\frac{2{\mathrm{\π}}_1\mathrm{\ϵ}(H-h)}{1n\frac{D}{d}}=\frac{2\mathrm{\π\ϵH}}{1n\frac{D}{d}}+\frac{2\mathrm{\πh}({\mathrm{\ϵ}}_1-\mathrm{\ϵ})}{1n\frac{D}{d}}=C_0+\frac{2\mathrm{\πh}({\mathrm{\ϵ}}_1-\mathrm{\ϵ})}{1n\frac{D}{d}}$

式中：C₀为芯轴(11)和外管(10)的初始电容。 $C_0=\frac{2\mathrm{\π\ϵH}}{1n\frac{D}{d}}$

ε为空气的介电常数。

ε₁为燃油的介电常数。

芯轴和外管之间形成的电容Cx正比于燃油的液位高度。

3.按权利要求1所述的油量传感器，其特征在于，油量传感器外管(10)与芯轴(11)之间的电容Cx随所述芯轴直径的改变而变化，油量传感器外管与芯轴之间的电容Cx的变化曲线与不规则油箱的油量曲线相一致。

4.按权利要求1所述的油量传感器，其特征在于，外管(10)和芯轴(11)是由铝质材料制成的空心圆筒和实心圆柱。

5.按权利要求1所述的油量传感器，其特征在于，由外管和芯轴组合而成的电容器检测探头作为油量信号采样单元，将电容信号输送给电连接在电气仓内的信号转换单元电路，并将电压信号送至放大输出单元电路进行放大，输出接近余弦正弦的驱动电压信号至显示单元指示器。

6.按权利要求1所述的油量传感器，其特征在于，所述的信号转换单元电路由NE555芯片(U1)脚(7)的并联电阻(R1，R2)和通过NE555芯片(U1)脚(1、5)的接地并联电容(C1)组成的震荡器，将NE555芯片(U1)的脚(3)输出频率方波信号，经由电容(C2)，电阻(R3)组成的微分电路，再经过二极管(D1)限幅后，产生A点的波形，再经由串联二极管(D2)、电阻(R4)和并联接地电阻(R5)、电容(C3)组成的整流、衰减和滤波电路处理，从B点输出微弱的直流信号。

7.按权利要求1所述的油量传感器，其特征在于，所述的放大输出单元电路，通过可变电阻(R6)反向串联的运算放大器(U1 1/4，U1 2/4)，经并联电阻(R7，R8)正向连接算放大器(U1 2/4)，和跨接于算放大器(U1 1/4)输入端与输出端之间的电阻(R9)组成的比例运算放大电路，将输入信号进行比例放大后从脚(8)输出，一路经过算放大器(U1 3/4)接成射极跟随器，驱动三极管(Q1)，输出接近正弦的驱动电压，另一路经由算放大器(U1 4/4)，电阻(R10，R11，R12，R13)组成的反向器，驱动连接算放大器(U4/4)输出端的三极管(Q2)，通过三极管(Q2)发射极连接的电阻(R15)，输出接近余弦的驱动电压。

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