CN101551264A - 一种电容电子式燃油传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容电子式燃油传感器，其包括电容传感单元和电容测量单元和电容/液位转换单元，其中，所述电容传感单元，是组合管式电容元件，包括金属外管和金属内管，所述金属外管和所述金属内管构成燃油液位传感器电容器；所述电容传感单元用于将燃油液位转换为相应的电容值；所述电容传感单元的金属外管和金属内管分别通过引线连接至所述电容测量单元的输入端；所述电容测量单元，用于测量所述电容传感器单元的电容值；所述电容/液位转换单元，与所述电容测量单元电连接，用于将来自所述电容测量单元的电容值转换为液位。本发明简单并易于制造，解决了电容式燃油传感器中常见的分布参数过大，电容参数不易准确测量的问题。

Description

一种电容电子式燃油传感器

技术领域

本发明涉及一种燃油传感器，尤其涉及一种电容电子式燃油传感器。

背景技术

在汽车燃油传感器市场，燃油传感器主要有磁簧变阻式燃油传感器，滑动变阻式燃油传感器，电容式燃油传感器和压力式燃油传感器四种，国内市场占有率最高的是摆臂式和干簧管式燃油传感器。电容式燃油传感器以其精度高、温度特性好、易于制造的优点引起了广泛的关注，在电容式燃油传感器中，应用最多的是变介质型电容式传感器，目前其产品实现主要有如下难点：

1、易受分布参数影响，电容式传感器的被测量为电容值，所以产品容易受到分布参数的影响，从而造成测量的误差；

2、电容参数不易准确测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单和易于制造的电容电子式燃油传感器，解决电容式燃油传感器中常见的分布参数过大，电容参数不易准确测量的问题，并且本发明所述的电容电子式燃油传感器采用的电容测量电路及算法，能够有效降低电容值测量的误差。

为了达到上述目的，本发明提供了一种电容电子式燃油传感器，其包括电容传感单元和电容测量单元和电容/液位转换单元，其中，

所述电容传感单元，是组合管式电容元件，包括金属外管和金属内管，所述金属外管和所述金属内管构成燃油液位传感器电容器；所述电容传感单元用于将燃油液位转换为相应的电容值；

所述电容传感单元的金属外管和金属内管分别通过引线连接至所述电容测量单元的输入端；

所述电容测量单元，用于测量所述电容传感器单元的电容值；

所述电容/液位转换单元，与所述电容测量单元电连接，用于将来自所述电容测量单元的电容值转换为液位。

优选的，所述电容测量单元，包括处理模块、控制模块和电源模块，其中，

所述电源模块，分别与所述处理模块和所述控制模块电连接，为所述处理模块和电容充电提供电源；

所述处理模块与所述控制模块电连接，所述控制模块与所述电容传感单元电连接；

所述处理模块用于向所述控制模块发送驱动信号，以驱动所述控制模块控制所述电容传感单元进行充放电，所述处理模块通过测取所述电容传感单元的充电时间求得电容值。

优选的，所述处理模块以一预定周期向所述控制模块发送驱动信号，以驱动所述控制模块以等频率控制所述电容传感单元进行充放电。

优选的，本发明所述的电容电子式燃油传感器还包括通讯单元，所述通讯单元与所述电容/液位转换单元电连接，用于实现与外部设备的通讯。

优选的，所述金属外管和所述金属内管表面喷涂有聚四氟乙烯。

优选的，所述金属外管和所述金属内管表面使用阳极氧化工艺提高绝缘等级。

与现有技术相比，本发明所述的电容电子式燃油传感器，简单并易于制造，解决电容式燃油传感器中常见的分布参数过大，电容参数不易准确测量的问题，并且本发明所述的电容电子式燃油传感器采用的电容测量电路及算法，能够有效降低电容值测量的误差。

附图说明

图1是本发明所述的电容电子式燃油传感器的结构框图；

图2是本发明所述的电容电子式燃油传感器的一种具体实施的结构图；

图3是本发明所述的电容电子式燃油传感器的一种具体实施的电容器充电电路图；

图4是本发明所述的电容电子式燃油传感器的一种具体实施的电容测量单元的电路图；

图5是本发明所述的电容电子式燃油传感器的通讯单元的一种具体实施的电路图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种电容电子式燃油传感器，其包括电容传感单元11和电容测量单元12、电容/液位转换单元13和通讯单元14，其中，

所述电容传感单元11，是组合管式电容元件，包括金属外管和金属内管，所述金属外管和所述金属内管构成燃油液位传感器电容器；所述电容传感单元11用于将燃油液位转换为相应的电容值；

所述电容传感单元11的金属外管和金属内管分别通过引线连接至所述电容测量单元12的输入端；

所述电容测量单元12，用于测量所述电容传感器单元11的电容值；

所述电容/液位转换单元13，与所述电容测量单元11电连接，用于将来自所述电容测量单元11的电容值转换为液位；

所述通讯单元14，与所述电容/液位转换单元电连接，用于实现与外部设备的通讯。

优选的，所述电容测量单元12，包括处理模块、控制模块和电源模块，其中，

所述电源模块，分别与所述处理模块和所述电源模块电连接，为所述处理模块和电容充电提供电源；

所述处理模块与所述控制模块电连接，所述控制模块与所述电容传感单元电连接；

所述处理模块用于向所述控制模块发送驱动信号，以驱动所述控制模块控制所述电容传感单元进行充放电，所述处理模块通过测取所述电容传感单元的充电时间求得电容值。

优选的，所述处理模块以一预定周期向所述控制模块发送驱动信号，以驱动所述控制模块以等频率控制所述电容传感单元进行充放电。

如图2所示，本发明的电容传感单元11采用两只同心铝管分别作为电容器的两只极板，当油箱中的燃油液位低于铝管底部时两极板中的填充介质为空气，此时由两极板构成的电容器的等效电容值最小，当液位升高后，液位覆盖部分长度增加，相应部分的等效电容增加。由电容计算公式可得：

C＝C1+C2；

其中，C为总电容，C1为未填充介质部分电容，C2为填充介质部分电容；

C1＝ξ₁S₁/d，C2＝ξ₂S₂/d；

S₁＝未填充燃油部分等效电容极板面积；

S₂＝填充燃油部分等效电容极板面积；

ξ₁＝空气介质介电常数；ξ₂＝燃油介质介电常数；

由上述可知，C＝ξ₁S/d+(ξ₂-ξ₁)S₂/d，其中，S＝S₁+S₂；

随着燃油液位高度的增加，等效电容呈线性增长，从而可以实现液位/电容信号的变换。

在实际操作时，也可以使用其他形状和材质的极板作为电容器的极板，如不锈钢，铜等金属材料，需在电容极板表面使用阳极氧化工艺提高绝缘等级或喷涂PTFE(聚四氟乙烯)提高产品耐腐蚀能力和稳定性。

当内外筒形极板将液位信号转换为电容值后，电容两极板通过引线连接到信号变换线路板的输入端，通过充放电电路以等频率对电容器进行充放电，电容两端电压通过后级的比较器电路实现电容两端电压达到预置电压时刻的翻转，从而产生外部中断信号，通过测量电容器充电时间测量电容值。

电容充电电路采用恒流源电路，电路原理如图3所示，当放电电路与电容器断开时，电容器进入充电状态，图3所示电路是一个Source型电流源，其充电电流大小由同相端预置电压和反馈电阻决定，恒流源输出电流I＝U1/R2，由于恒流源的作用，电容器充电过程为恒流充电，充电时间与电容器两端电压成正比，满足：

$t_c=\frac{U_{c}C}{I}$

从而可以通过测取电容器充电时间求得电容值。

在实际操作时，也可以采用如万用表中常用的施加交流激励的方式测量电容极板两端交流电压值的方式测量电容值。但是以目前经验来看，测量充电时间的方式在相同规模和成本条件下更加精确。

下面结合图4、图5对电容的测量原理作进一步解释：

1、电源部分：

电源部分采用稳压集成电路进行电压变换，为MCU提供稳定的供电电压。传感器电容充放电电路如图4所示，采用运算放大器构成的Source型电流源作为恒流源，通过MCU产生驱动信号驱动三极管V4控制被测电容器充放电。

2、RS232串口输出电路

RS232串口输出电路如图5所示，采用V6和V7构成两极放大电路，实现电平转换和电隔离。

电容器的电容值被通过计算程序转换为剩余油量值以后，通过通讯程序，由MCU内置的异步/同步串行通讯口经过电平转换电路由油量传感器的信号端发送到仪表或者总线模块中，实现燃油信号的采集和发送。

电容电子式燃油传感器具有结构简单、精度高、燃油变化测量准确和成本低的优点，以一长方体300L容积，600毫米高的油箱为例，当使用摆臂式燃油传感器或干簧管式燃油传感器时，精度只能达到±10L～±20L，而使用电容电子式燃油传感器的精度可以达到±0.5L以内，便于驾驶者和管理者掌握更加精确的燃油消耗信息。电容电子式燃油传感器结构简单，成本低，相比于具有相同精度的干簧管式燃油传感器，其成本仅为后者的30％～50％，是一种具有实用价值的燃油传感器。

本发明通过对电容器进行的多项防水和耐腐蚀处理，保证了传感器具有长期连续工作的能力，同时产品具有量程标定功能，产品在安装前可以通过线路板实现参数的标定，消除了不同稳压集成电路输出电压误差和电阻元件阻值误差引起的精度下降，保证了批量生产中不同传感器具有相等的测量精度。

本发明在产品安装设计中选用具有低介电常数和介电常数温度系数的聚四氟乙烯材料作为绝缘材料，消除了普通绝缘材料带来的高分布电容及其分布电容随温度、湿度和老化等环境因素造成的电容值变化带来的测量误差。

本产品部分参数如下：

测量精度：＜0.5％F.S.；

工作电压：20-30VDC；

工作温度：-20℃～80℃。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离本发明权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1、一种电容电子式燃油传感器，其特征在于，其包括电容传感单元和电容测量单元和电容/液位转换单元，其中，

所述电容传感单元，是组合管式电容元件，包括金属外管和金属内管，所述金属外管和所述金属内管构成燃油液位传感器电容器；所述电容传感单元用于将燃油液位转换为相应的电容值；

所述电容传感单元的金属外管和金属内管分别通过引线连接至所述电容测量单元的输入端；

所述电容测量单元，用于测量所述电容传感器单元的电容值；

所述电容/液位转换单元，与所述电容测量单元电连接，用于将来自所述电容测量单元的电容值转换为液位。

2、如权利要求1所述的电容电子式燃油传感器，其特征在于，

所述电容测量单元，包括处理模块、控制模块和电源模块，其中，

所述电源模块，分别与所述处理模块和所述控制模块电连接，为所述处理模块和电容充电提供电源；

所述处理模块与所述控制模块电连接，所述控制模块与所述电容传感单元电连接；

所述处理模块用于向所述控制模块发送驱动信号，以驱动所述控制模块控制所述电容传感单元进行充放电，所述处理模块通过测取所述电容传感单元的充电时间求得电容值。

3、如权利要求2所述的电容电子式燃油传感器，其特征在于，所述处理模块以一预定周期向所述控制模块发送驱动信号，以驱动所述控制模块以等频率控制所述电容传感单元进行充放电。

4、如权利要求3所述的电容电子式燃油传感器，其特征在于，其还包括通讯单元，所述通讯单元与所述电容/液位转换单元电连接，用于实现与外部设备的通讯。

5、如权利要求4所述的电容电子式燃油传感器，其特征在于，所述金属外管和所述金属内管表面喷涂有聚四氟乙烯。

6、如权利要求4所述的电容电子式燃油传感器，其特征在于，所述金属外管和所述金属内管表面使用阳极氧化工艺提高绝缘等级。

Images