CN115200670A - 一种车用液位传感器及液位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车用液位传感器及液位检测方法，车用液位传感器包括：连接器外壳、3Pin公端子组件、O型圈、电路板组件、探头外壳、液位检测电极和弹簧；液位检测电极和弹簧均插入探头外壳的中心孔内，电路板组件位于探头外壳中，电路板组件与液位检测电极通过弹簧连接；3Pin公端子组件的一端焊接在电路板组件上，3Pin公端子组件的另一端插入连接器外壳对应的孔中；O型圈安装在连接器外壳的沟槽中；探头外壳为一体化设计。本申请解决了因液体通过传感器自身结构的缝隙进入传感器，使传感器内部电路短路而造成的误测量、误报警、以及其它连带的电路损毁的问题。

Description

一种车用液位传感器及液位检测方法

技术领域

本发明属于汽车电子领域，应用于乘用车、商用车、工程机械等车辆的冷却液、机油、燃油、尿素液等液体的液位检测，具体而言，涉及一种车用液位传感器及液位检测方法。

背景技术

在乘用车、商用车、工程机械等领域，都需要使用液位传感器对冷却液、机油、燃油、尿素液等各种液体进行液位的测量。液位传感器属于电子类零配件，并且探头部位会长期浸泡于被测介质，一旦发生漏液，则会造成电路短路。电路短路轻则会发生误测量、误报警，重则会造成与其相关联的电路损毁，发生安全事故和经济损失。

在乘用车、商用车、工程机械等应用领域中，发动机运行时，发动机本身及周边的温度会高达125℃左右。而机器停止时，温度会接近大气的环境温度，在北方，大气的环境温度会低至零下40℃左右。而温度的变化，也会使存储被测介质容器内的压力因热胀冷缩而变化。

因温度和压力的大幅度变化，现有的技术存在以下缺点：

1、采用环氧树脂灌封胶密封的液位传感器，会因温度和压力的大幅度变化，使传感器探头各零件连接处的环氧树脂灌封胶与相邻材料因热膨胀系数的不同而产生缝隙，造成漏液。而且环氧树脂材料还有自身的污染源多、资源浪费大、生产效率低、成本高等缺点。不符合国家可持续发展的战略方针。

2、采用O型圈或者其它橡胶类零件密封的液位传感器，温度频繁大幅度的骤升和骤降，会加速O型圈等橡胶类的密封零件老化、损坏而造成漏液。

3、以磁浮子+干簧管为检测方法的液位传感器，因干簧管的管体是玻璃制成，且干簧管的簧片具有弹性的特征，在车辆的颠簸和震动下，玻璃管体易碎，且簧片可能会误接触。同时会叠加磁浮子因车辆的颠簸和震动而产生位移，发生误测量、误报警。

4、以被测介质为导体的检测方法为主要手段的液位传感器，必须要有不少于2个金属电极作为传感器的测量端，此类传感器除了上述的密封问题外，还存在金属电极会被电解、腐蚀而造成的易损坏、寿命短等严重问题。同时也会因不同厂家、不同批次、不同配方的被测介质导电率的差别，而发生误测量、误报警的现象。

5、电容式液位传感器，也会因温度的变化而影响检测的准确性。环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下两个方面。

(1)温度对结构尺寸的影响：电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件料线膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙相对变化，从而产生很大的温度误差。

(2)温度对介质的影响：温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气温度系数看似为零，页岩某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如，煤油的介电常数的温度可达0.07％/℃；若环境温度变化加减50℃，则将带来7％的温度的误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。

发明内容

本发明的目的：为车用市场提供一种性能可靠性高、成本低、寿命长的液位传感器产品。

第一方面，本申请实施例提供了一种车用液位传感器，包括：

连接器外壳、3Pin公端子组件、O型圈、电路板组件、探头外壳、液位检测电极和弹簧；所述液位检测电极和弹簧均插入探头外壳的中心孔内，所述电路板组件位于探头外壳中，所述电路板组件与液位检测电极通过弹簧连接；所述3Pin公端子组件的一端焊接在电路板组件上，所述3Pin公端子组件的另一端插入连接器外壳对应的孔中；所述O型圈安装在连接器外壳的沟槽中，所述连接器外壳与探头外壳连接，所述O型圈位于所述连接器外壳与探头外壳之间；所述探头外壳为一体化设计。

其中，所述电路板组件包括双通道检测电路、输出电路、MCU电路、电源电路；所述双通道检测电路包括液位测量检测通道和参考测量检测通道，所述液位测量检测通道用于检测液位，所述参考测量检测通道作为参考检测，两个通道所使用的电子元器件的型号完全相同。

其中，所述液位测量检测通道包括：电容C9的一端与所述MCU电路的单片机引脚2连接，用于接收脉冲信号，电容C9的另一端与液位检测电极、电阻R5的一端、二极管D3的阴极连接，二极管D3的阳极、电阻R6的一端、电容C10的一端接地，电阻R5的另一端、电阻R6的另一端、电容C10的另一端均与所述MCU电路的单片机引脚16连接。

其中，所述参考测量检测通道包括：电容C11的一端与所述MCU电路的单片机引脚2连接，用于接收脉冲信号，电容C11的另一端与参考检测电极、电阻R11的一端、二极管D4的阴极连接，二极管D4的阳极、电阻R9的一端、电容C12的一端接地，电阻R11的另一端、电阻R9的另一端、电容C12的另一端均与MCU电路的单片机引脚1连接。

其中，电路板组件上布置有参考检测电极。

其中，所述探头外壳的材质为含有20％玻璃纤维的增强型聚苯醚。

第二方面，本申请提供了一种液位检测方法，使用上述任一项所述的车用液位传感器，包括：

获取参考检测通道的数据；

获取液位检测通道的数据；

计算参考检测通道与液位检测通道的数据差；

根据两个通道的数据差，判定液位传感器是否处于被测介质中，若是，则输出不缺液信号，然后返回第一步；若否，则输出缺液信号，然后返回第一步。

其中，根据两个通道的数据差，判定液位传感器是否处于被测介质中，包括：

当参考检测通道与液位检测通道的数据差不变时，则液位传感器不在被测介质中；当参考检测通道与液位检测通道的数据差变化时，则液位传感器处于被测介质中。

其中，第一步之前还包括：MCU电路进行初始化；初始化后，不管后面的检测结果如何，都按照不缺液输出信号。

第三方面，本申请提供了一种车辆，包括上述任一项所述的车用液位传感器。

本申请实施车用液位传感器及液位检测方法具有如下有益效果：

与现有的技术相比，本发明的优点是多方面的：

1、探头部分一体化、防泄漏的外壳结构设计，不需要使用灌封胶，也不需要使用O型圈等橡胶类的密封材料，彻底地、永久性地解决了传感器自身的密封问题。在提高产品性能、避免误报警、延长产品寿命的同时，还可以减少零件及生产材料的使用数量、压缩生产工序、提高生产效率、降低产品成本、减少环境污染。

2、本发明采用了双通道检测的电路设计，其中一个通道检测液位，另一个通道作为参考通道检测传感器所处的环境。

3、本发明在双通道电路设计的基础上，采取了以双通道间差值为判断依据的检测方法。当环境温度、湿度、压力发生变化而使液位检测的数据发生变话时，参考通道也同样会受到与液位检测通道同样的影响，进而参考通道会产生与液位检测通道等量的变化，但是两个通道间的差值不会变化。所以，利用两个通道间的差值作为判断液位的依据，可以消除工作环境对液位传感器的影响，可以提高液位传感器的可靠性、避免误报警。

附图说明

图1为本申请实施车用液位传感器结构示意图；

图2为图1中车用液位传感器沿A-A方向剖面图；

图3为本申请实施车用液位传感器应用示意图；

图4为本申请中双通道检测电路的结构示意图；

图5为本申请中输出部分的电路结构示意图；

图6为本申请中MCU部分的电路结构示意图；

图7为本申请中电源部分的电路结构示意图；

图8为本申请实施液位检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请进行进一步的介绍。

在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本发明的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本申请内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。

在乘用车、商用车、工程机械等领域，都需要使用液位传感器对冷却液、机油、燃油、尿素液等各种液体进行液位的测量。液位传感器属于电子类零配件，并且探头部位会长期浸泡于被测介质，一旦发生漏液，则会造成电路短路。电路短路轻则会发生误测量、误报警，重则会造成与其相关联的电路损毁，发生安全事故和经济损失。

为了避免以上问题，有必要发明一种即可以解决液位传感器自身的密封问题，又可以保证检测准确度的液位传感器。

如图1-3所示，本申请车用液位传感器10包括：连接器外壳1、3Pin公端子组件2、O型圈3、电路板组件4、探头外壳5、液位检测电极6和弹簧7。探头外壳5包括本体部8和延伸部9，延伸部9上设置有自密封螺纹，用于与容器11连接，容器11中有被测介质12，被测介质12例如为冷却液、机油、燃油等。本体部8设置有凹槽，电路板组件4位于凹槽中，延伸部9中设置有中心孔，液位检测电极6和弹簧7均插入该中心孔内。

电路板组件4位于探头外壳5中，电路板组件4与液位检测电极6通过弹簧7连接；3Pin公端子组件2的一端焊接在电路板组件4上，3Pin公端子组件2的另一端插入连接器外壳1对应的孔中；O型圈3安装在连接器外壳1的沟槽中，连接器外壳1与探头外壳5连接，O型圈3位于连接器外壳1与探头外壳5之间。探头外壳5为一体化设计，也就是探头外壳5是一个整体的。

如图4-7所示，本申请车用液位传感器的电路板组件4包括双通道检测电路、输出电路、MCU电路、电源电路；双通道检测电路包括液位测量检测通道和参考测量检测通道，液位测量检测通道用于检测液位，参考测量检测通道作为参考检测，两个通道所使用的电子元器件的型号完全相同。

本申请车用液位传感器的探头外壳一体化设计以及双通道电容检测电路，辅以双通道间差值的检测方法，解决了因液体通过传感器自身结构的缝隙进入传感器，使传感器内部电路短路而造成的误测量、误报警、以及其它连带的电路损毁，杜绝因此而造成的安全事故和经济损失。本申请中，探头外壳5为一体化设计，减少了零配件的数量，缩减了生产工序，提高了生产效率、降低了产品成本。能够大幅度提高此类产品的使用寿命，继而降低了用户的售后成本。

图3为车用液位传感器应用示意图，如图3所示，本发明的车用液位传感器10浸入被测介质12的部分是一体化设计，被测介质12没有任何缝隙可以进入液位传感器内部，彻底地解决了传感器自身的密封问题。

图4为本发明的电路原理图中双通道检测电路的部分，如图4所示，两个检测通道，其中一个通道检测液位，一个通道作为参考检测，两个通道所使用的电阻、电容、二极管等电子元器件的型号完全相同。只要保证两个通道所使用的电阻、电容、二极管等电子元器件的品牌、型号、精度、批次相同，当液位传感器的工作温度等环境因素发生变化时，两个检测通道受影响的程度是一样的，因此而产生的漂移、变化的程度在理论上也是一样的。在此基础上，利用两个通道的差值作为判断检测结果的依据，就能够抵消工作温度等环境因素对液位传感器准确度的影响，保证了液位传感器的可靠性，避免了因工作温度等环境因素影响而产生的误报警。

本申请中，探头外壳5采用一体化设计，没有任何缝隙，车用液位传感器10浸入被测介质12中时，被测介质12不能够渗入传感器中，解决了传感器自身的密封问题。但是随之而来是另一个问题，此时的液位传感器易受温度影响，产生温漂，影响车用液位传感器检测的准确度，产生误报警，本申请中利用两个通道的差值作为判断检测结果的依据，能够抵消工作温度等环境因素对液位传感器准确度的影响，提高了车用液位传感器的检测准确度。

本申请中，参考检测电极是直接布置在电路板上的一个圆形焊盘，不向外引出。液位检测电极则需要通过弹簧7和液位检测电极6引出到探头外壳5的下端。参考检测电极可以比喻为“路边的树”，即“参照物”。液位检测电极可以比喻为“一辆车”，通过计算车与树的距离，即可得知车是否有移动过。

如图4-7所示，本申请车用液位传感器的液位测量检测通道包括：电容C9的一端与MCU电路的单片机引脚2连接，用于接收脉冲信号，电容C9的另一端与液位检测电极、电阻R5的一端、二极管D3的阴极连接，二极管D3的阳极、电阻R6的一端、电容C10的一端接地，电阻R5的另一端、电阻R6的另一端、电容C10的另一端均与MCU电路的单片机引脚16连接。

参考测量检测通道包括：电容C11的一端与MCU电路的单片机引脚2连接，用于接收脉冲信号，电容C11的另一端与参考检测电极、电阻R11的一端、二极管D4的阴极连接，二极管D4的阳极、电阻R9的一端、电容C12的一端接地，电阻R11的另一端、电阻R9的另一端、电容C12的另一端均与MCU电路的单片机引脚1连接。

在图4中可以看到，同时向ADC0-液位测量电路中的电容C9和ADC5-参考测量电路中的电容C11施加了300KHz的脉冲信号，电容C9和C11在电路中的作用是阻隔直流电，让交流电通过。二极管D3和二极管D4的作用是将交流电变为直流电，电阻R5和R11作用是限制充电电流，电阻R6和R9的作用是放电，电容C10和C12的作用是储能，脉冲信号经过了储能电容后，即可得到一个平稳的直流电压，供MCU的ADC端口检测。液位检测电极和参考电测电极分别相当于一个电容器，二者的区别是液位检测电极被引到了传感器的探头的位置，而参考检测电极直接布置在电路板上，没有向外引出。在周边环境(例如环境温度)不变的情况下，参考检测电极的电容值不变，进而通过电容C12传给MCU的电压也不变。而液位检测电极的电容值会根据传感器探头是否在被测介质中而变化，电容值的变化会有改变脉冲的充放电时间，则通过电容C10的直流电压也会改变，MCU通过判断这两组电压的差值，即可判定传感是的探头是否处于被测介质中。

探头外壳5的材质为含有20％玻璃纤维的增强型聚苯醚。

如图8所示，本申请液位检测方法使用上述任一项的车用液位传感器，包括：获取参考检测通道的数据；获取液位检测通道的数据；计算参考检测通道与液位检测通道的数据差；根据两个通道的数据差，判定液位传感器是否处于被测介质中，若是，则输出不缺液信号，然后返回第一步；若否，则输出缺液信号，然后返回第一步。

在一些实施例中，根据两个通道的数据差，判定液位传感器是否处于被测介质中，包括：当参考检测通道与液位检测通道的数据差不变时，则液位传感器不在被测介质中；当参考检测通道与液位检测通道的数据差变化时，则液位传感器处于被测介质中。

在一些实施例中，第一步之前还包括：通电，MCU开始工作；MCU电路进行初始化；初始化后，不管后面的检测结果如何，都按照不缺液输出信号，此举的目的是避免每次重新通电后、第一次检测结果判定之前的不确定阶段而产生的误报警。

以下为三组不同温度下检测值的实验结果(委托第三方机构检测)：

如上表所示，此实验将被测电路的两个检测通道都放置于空气中，即被检测介质相同。然后分别以-40℃、25℃、125℃三个温度为检测环境，每个温度环境下对ADC0和ADC5两个通道分别采样5次，每次采样会得到一组原始AD检测值和一组电压值，然后计算出5次采样的平均AD值和电压值以及两个通道间的差值。

通过实验可以得到两个结论：

(1)被检测介质相同时，在不同的温度环境下，检测值(包含AD值和电压值，后文中除需要单独说明的以外均称为“检测值”)不同，温度低时检测值低，温度高时检测值高。

(2)被检测介质相同时，在不同的温度环境下，两个检测通道之间的差值不变。

(说明：虽然电路中两个检测通道使用的电阻、电容、二极管等电子元器件的品牌、型号、精度、批次相同，被检测介质也相同，但是因电路布局、走线、检测电极的面积不同，所以两个检测通道间会有初始差值，例如：AD差值为20。但是这个差值不会随着温度变化而变化)

结合本发明，将两个检测通道中的一个通道作为参考检测，即“参照物”，另一个通道作为液位检测，当环境温度发生变化时，参考检测值会和液位检测值同时、同向、同步发生变化，两个通道间的差值不变。如果差值发生变化，即可判定液位发生了变化。

此实验证明了本发明提出的“以两个通道之间差值为判断依据的检测方法”可以消除工作环境对液位传感器的影响，可以提高液位传感器的可靠性、避免误报警。

与现有的技术相比，本发明的优点是多方面的：

1、探头部分一体化、防泄漏的外壳结构设计，不需要使用灌封胶，也不需要使用O型圈等橡胶类的密封材料，彻底地、永久性地解决了传感器自身的密封问题。在提高产品性能、避免误报警、延长产品寿命的同时，还可以减少零件及生产材料的使用数量、压缩生产工序、提高生产效率、降低产品成本、减少环境污染。

2、本发明采用了双通道检测的电路设计，其中一个通道检测液位，另一个通道作为参考通道检测传感器所处的环境。

3、本发明在双通道电路设计的基础上，采取了以双通道间差值为判断依据的检测方法。当环境温度、湿度、压力发生变化而使液位检测的数据发生变化时，参考通道也同样会受到与液位检测通道同样的影响，进而参考通道会产生与液位检测通道等量的变化，但是两个通道间的差值不会变化。所以，利用两个通道间的差值作为判断液位的依据，可以消除工作环境对液位传感器的影响，可以提高液位传感器的可靠性、避免误报警。

本申请还提供了一种车辆，包括上述任一项的车用液位传感器。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述车用液位传感器步骤。其中，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、DVD、CD-ROM、微型驱动器以及磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、DRAM、VRAM、闪速存储器设备、磁卡或光卡、纳米系统(包括分子存储器IC)，或适合于存储指令和/或数据的任何类型的媒介或设备。

以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车用液位传感器，其特征在于，包括：连接器外壳、3Pin公端子组件、O型圈、电路板组件、探头外壳、液位检测电极和弹簧；所述液位检测电极和弹簧均插入探头外壳的中心孔内，所述电路板组件位于探头外壳中，所述电路板组件与液位检测电极通过弹簧连接；所述3Pin公端子组件的一端焊接在电路板组件上，所述3Pin公端子组件的另一端插入连接器外壳对应的孔中；所述O型圈安装在连接器外壳的沟槽中，所述连接器外壳与探头外壳连接，所述O型圈位于所述连接器外壳与探头外壳之间；所述探头外壳为一体化设计。

2.根据权利要求1所述车用液位传感器，其特征在于，所述电路板组件包括双通道检测电路、输出电路、MCU电路、电源电路；所述双通道检测电路包括液位测量检测通道和参考测量检测通道，所述液位测量检测通道用于检测液位，所述参考测量检测通道作为参考检测，两个通道所使用的电子元器件的型号完全相同。

3.根据权利要求2所述车用液位传感器，其特征在于，所述液位测量检测通道包括：电容C9的一端与所述MCU电路的单片机引脚2连接，用于接收脉冲信号，电容C9的另一端与液位检测电极、电阻R5的一端、二极管D3的阴极连接，二极管D3的阳极、电阻R6的一端、电容C10的一端接地，电阻R5的另一端、电阻R6的另一端、电容C10的另一端均与所述MCU电路的单片机引脚16连接。

4.根据权利要求2所述车用液位传感器，其特征在于，所述参考测量检测通道包括：电容C11的一端与所述MCU电路的单片机引脚2连接，用于接收脉冲信号，电容C11的另一端与参考检测电极、电阻R11的一端、二极管D4的阴极连接，二极管D4的阳极、电阻R9的一端、电容C12的一端接地，电阻R11的另一端、电阻R9的另一端、电容C12的另一端均与MCU电路的单片机引脚1连接。

5.根据权利要求1-4中任一项所述车用液位传感器，其特征在于，电路板组件上布置有参考检测电极。

6.根据权利要求1-4中任一项所述车用液位传感器，其特征在于，所述探头外壳的材质为含有20％玻璃纤维的增强型聚苯醚。

7.一种液位检测方法，其特征在于，使用权利要求1-6中任一项所述的车用液位传感器，包括：

获取参考检测通道的数据；

获取液位检测通道的数据；

计算参考检测通道与液位检测通道的数据差；

根据两个通道的数据差，判定液位传感器是否处于被测介质中，若是，则输出不缺液信号，然后返回第一步；若否，则输出缺液信号，然后返回第一步。

8.根据权利要求7所述液位检测方法，其特征在于，根据两个通道的数据差，判定液位传感器是否处于被测介质中，包括：

当参考检测通道与液位检测通道的数据差不变时，则液位传感器不在被测介质中；当参考检测通道与液位检测通道的数据差变化时，则液位传感器处于被测介质中。

9.根据权利要求7或8所述液位检测方法，其特征在于，第一步之前还包括：MCU电路进行初始化；初始化后，不管后面的检测结果如何，都按照不缺液输出信号。

10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的车用液位传感器。

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