CN1880924A

CN1880924A - 电容式燃油油位无触点检测器

Info

Publication number: CN1880924A
Application number: CN 200510097913
Authority: CN
Inventors: 苏华隆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-20
Filing date: 2005-08-20
Publication date: 2006-12-20

Abstract

电容式燃油油位无触点检测器，涉及各种机动车辆的油箱油位指示器件技术，特别涉及油位传感器的制作。为克服滑动变阻器式油位检测存在的不足，必须解决用无触点检测取代有触点检测这一技术问题。本发明将传感器探头用两金属管相套构成一金属片式电容器，通过油位升降改变探头的电容量，后用电路把变化的电容量线性地转变成可驱动油位表工作的电压信号，以多种方式驱动指针表头、发光管表头、数码管表头指示油位的变化，实现油位低于设定值时发声报警，提示加油。电路与探头的一端用树脂固封在43×30×12mm³的盒内构成“T”字形，用螺丝直接装在油箱上使Φ8mm的金属管探头竖直伸进油箱。器件适合各种车辆油箱实现油位无触点检测、指示。

Description

电容式燃油油位无触点检测器

一、技术领域：本发明涉及各种机动车辆的油箱油位指示器件技术，特别涉及油位传感器的制作。

发明的目的在于缩小油位传感器的体积，提高检测精度，实现油位升降信号的无触点检测，提高油位传感器在剧烈振动环境下长期工作的稳定性和可靠性。同时还实现油位指针式表头指示、发光管式表头指示、数码管式表头指示的多样性、及用油达到设定的低点油位时发声报警，提示加油。

二、背景技术：燃油是高度绝缘的物质，传统的油位传感器，用浮球根据油位升降，带动电位器的触点，改变电阻值的方法检测信号的，其整体结构体积大，给安装带来不便。又因电位器受震动和滑动影响，时间长了易引起触点接触不良甚至失控。为克服上述不足，传感器的检测方法必须将有触点检测改成无触点检测。

根据金属片式电容器结构原理，用两块金属片平行靠近，中间以空气或其它材料作介质，就构成一个电容器，而介质的变化就会引起电容量的变化。本发明涉及的油位传感器的探头制作，正巧妙地应用这一原理。传感器探头用大金属管套进小金属管中做成电容式结构，大小管壁间留有一定的空间，燃油和空气充当探头电容器的介质，并且能在套管空间自由进出。当油位变化时，探头的电容量也随之改变。对于将变化的电容量如何转变成模拟电压信号，需用有关电路进行转换。

通常，用改变电容量的方法来调制振荡器振荡频率的电路应用普遍。如调幅、调频广播信号接收，电视信号接收，各种无线电遥控信号接收等，其应用的一个共同点，都是通过调节微调电容器的容量米调制本机振荡频率而实现接收信号的。

本发明是将电容式传感器探头引线与运放集成块组成振荡电路，利用电容式探头变化的电容量来调制振荡器的振荡频率，再将调制的振荡频率信号输入专用集成块进行频率/电压转换，最终将升降的油位信号，实现无触点检测，转换成相应的模拟电压信号。

三、发明内容：要克服传统油位传感器用滑动变阻器检测信号存在的接触不良、油表指示线性度差、及体积大方面的不足，传感器检测方式必须突破，优选的方法是将有触点检测改成无触点检测，为解决无触点检测这一技术问题，根据本发明，按以下三方面实施制作。

(1)传感器探头制作：取一长度与油箱深度接近的Φ8mm金属管，以同心轴线套进等长的Φ5mm金属管中。套进后使大管内壁与小管外壁相互平等，互不接触，管壁间形成1～1.4mm的间隙空间，两管分别焊上导线，在套管两端6mm处用环氧树脂固化，8mm处各钻出一个Φ1.5mm的小孔，制成的传感器探头实质是一个金属片式电容器，其电容量一般在30-50P范围内，把传感器探头沿竖直方向安装在油箱的上表面，(安装在下表面作用效果一样)，油箱中的燃油和空气充当探头电容器的介质，因探头两端侧面钻有孔，空气和燃油就能在油箱与套管空间顺利进出，构成连通器。油箱从加满油到油用完，整个量程，相当于探头完全浸入到完全离开燃油，其电容量变化值可达20-30P。从而探头把油位的升降信号线性地转变成相应的电容量变化信号。实现对油位变化信号的无触点检测。

(2)信号处理电路的制作：①把传感器探头两极引线与LM324集成块组成谐振电路，其振荡频率受传感器探头电容量的变化而调制。②把调制的相应振荡频率信号输入BG382集成块进行频率/电压转换。③将转换得到的模拟电压信号输入LM324集成运放组成的放大器进行线性放大，得到0～4伏的模拟电压信号分三路输出。(a)控制报警电路，当用油达到低点设定的位置时，发声报警。(b)控制LED发光二极管(或数码管)工作电路，使发光管以线性发光形式(或数码显示形式)指示油位的变化。(c)控制三极管组成的功放电路，驱动指针式油表，指示油位的变化。

(3)检测器整体结构封装：

为解决传感器探头与电路连接的稳定性及便于在油箱上安装，传感器探头直接焊在电路板上，与电路板构成“T”字形结构，然后将电路板装元件部份(见图1电路结构原理图虚线所括部份)用环氧树脂灌封固化在体积为43×30×12mm³的塑料或金属盒内。在固化盒上面直通下面留出三个Φ4.3mm螺丝孔，螺孔间距成等边三角形，以便把封装电路盒直接用三枚Φ4螺丝固定安装在油箱上，使探头稳固竖直伸进油箱内。在盒的侧面向外引出四条导线，其中“红”“黑”色分别为电源的正负极引线，“黄”色为油表信号线，“白”色为报警喇叭信号线。通过插座与外线路的电源、油位表头及报警喇叭连接。

传感器探头做成电容式结构。从电性能方面，实现了油位信号的无触点检测，从根本上消除故障率，提高了检测精度和油表指示的线性度。从机械角度，缩小了体积，探头向上或向下安装不影响检测效果，可安装在油箱的上面，也可安装在油箱的下面，使安装显得更加灵活方便，适合各种结构的油箱。从工艺方面，探头结构简单，易于制作，选材容易，研究表明，可用铜、铁、铝、不锈钢等圆管制作，当然也可把探头做成方形或片状结构。另外，电路方面，优选常用元件，优选电路结构，如LM324的充分利用，使线路简单、实用、造价低。采用多种方式表头指示，有利于车辆仪表盘布置安装，提供灵活的选择性，增加美感。低油位设定报警功能更具实用性。传感头与电路连成一体封装，有效提高防震能力，使器件坚固耐用。

四、附图说明：图1：电路结构原理图。

图2：探头、电路元件盒封装结构图。

图3：探头、电路元件盒与油箱安装及功能配接图。

五、具体实施方式：由电容式传感器检测到的信号是电容量的变化信号，而功能电路工作(如表头的指示等)需要用直流模拟电压信号驱动。因此，必须采取相关电路将电容量变化信号进行转换。

根据本发明，具体实施电路分为六部份：1、电源稳压电路。2、检测信号的电容量/频率转换电路。3、频率/电压转换电路。4、模拟电压放大电路。5、发声报警电路。6、表头指示驱动电路。下面按设计的电路原理图，对各部份电路组成及相互连接关系作详细说明。

1、电源稳压电路：由C₁、C₂、C₃及1C1(稳压集成块CW7809)组成，供电电源由机动车辆的蓄电池提供，电压一般为12伏。该电压经CW7809的1脚输入，2脚接地，3脚输出9伏稳定的直流电压供后面电路工作，C₁、C₂、C₃起滤波作用。

2、检测信号的电容量/频率转换电路：由传感器探头电容C_探、R₁、R₂、R₃、R₄、C₄及1C_3-1(运算集成块LM324)组成谐振电路，振荡频率的高低取决于R₄、C_探、C₄的数值。(C₄的作用是防止电路停振而设置的)，油位升降的整个量程，C_探电容变化量达30P左右，当R₄、C₄的取值确定后，振荡频率的高低就决定于C_探的数值，所以振荡器的振荡频率受C_探的变化而调制。也就是说，油位的升降信号使C_探的电容量变化，而C_探的变化就会改变振荡器的振荡频率。最终将油位升降的机械信号转变成相应振荡频率的电信号。

3、频率/电压转换电路：该级电路由R₅～R₁₀、C₆、C₇及1C₂(集成块BG382)组成。从前级1C_3-1的1脚输出的振荡频率电压信号经C₅耦合，从1C₂的6脚输入，在检测信号的整个量程范围内，相应变化的频率信号经1C₂组成的频率/电压电路转换后，其输出相应的模拟电压变化幅度范围可达0～0.8伏。该模拟信号电压从1C₂的1脚输出。

4、模拟电压放大电路：由R₁₂、R₁₃、R₁₄、C₈及1C_3-2(运放集成块LM324)组成线性放大器，将上一级1C2的1脚输出模拟电压信号经R₁₁耦合，接1C_3-2的6脚，信号放大倍数决定于R₁₄与R₁₁的比值，当R₁₄取100K，R₁₁取20K，输入信号放大5倍，这时从1C_3-2的7脚输出的电压变化全量程达0～4伏。该电压信号已足够驱动功能电路工作。

5、发声报警电路：电路由电压比较器(兼作间歇振荡器)，音频振荡器及功率放大器三部份电路组成。

其中R₁₅～R₁₉、C₉、D₁及1C_3-3(运放集成块LM324)组成电压比较器(兼间歇振荡器)。由前一级1C_3-2的7脚输出的模拟电压信号经R_A耦合经过D₁接比较器的9脚反相输入端，该电压高于10脚同相输入端设定的低点油位报警电压时，比较器1C_3-3的8脚输出低电平，使下级音频电路停止工作，处于高油位的守候阶段。相反，当9脚反相端电压低于10脚同相端电压时，比较器8脚输出高电平，这一电压经R₁₉向C₉充电，由于D₁的反向作用，从这时开始，比较器转为间歇振荡器。也就是说，当油箱的油位由高变低时，相当于1C_3-2的7脚电压由高变低，当电压低到设定值，1C_3-3组成的比较器才转为间歇振荡器，从8脚输出周期为1～2秒的高低变化电压信号。由于D₂的反向作用，8脚高电位时，下级音频振荡器振荡，8脚低电位时，音频振荡器停振。使报警电路发出断续的报警声。

音频振荡电路由R₂₀～R₂₃，C₁₀及1C_3-4(运放集成块LM324)组成，音频信号从1C_3-4的14脚输出，经C₁₁耦合进入由T₁、T₂、R₂₄、R₂₅组成的功率放大器放大，推动喇叭发出嘟——嘟——声报警，提示加油。

6、表头指示驱动电路：该部份电路按不同的表头指示设计成三种方式，可根据实际需要选其中之一。

①LED发光管式表头指示：电路由R₂₆～R₂₉，LED₁～LED₁₀及1C4(LED点/线驱动集成块TSC9403)组成，该部份电路需独立封装成一种发光式油位表头。控制信号由前级的1C_3-2的7脚输出，经R_B耦合接1C₄的第5脚上，该脚是TSC9403的信号输入端，输入的模拟电压信号经内部电路处理，从1C₄的1、10～18脚输出驱动信号。把10个(或10组)LED发光管分别接在各脚上，再与电源正极相接，就能发光指示油位的变化，若将多个发光管并联组成一排排发光的形式，设计成类似油位水平升降变化的表头，更具美感效果。该表头与传感器电路封装盒连接的方法是，从1C₄的第5脚焊出导线与R_B输出端焊出的导线在外线路通过插座连接。

②数码管式表头指示：该部份电路与上述①点电路相同，不同点是将1C₄的1、10～18脚输出信号，经1CM7212(10进制/七段译码驱动集成块)译码转换，驱动数码管以数字变化方式指示油位的变化，该部份电路也需独立封装成表头形式，信号传输连接方法与上述①点电路相同。

③指针式表头指示：电路由功放晶体三极管T₃、R₃₀、R₃₁组成，由前一级1C_3-2的7脚输出的模拟电压信号，经R_C耦合加在T₃的基极，经T₃进行功率放大，从集电极输出控制信号，电路盒封装时，由此脚焊出引线，通过插座与外线路的指针式表头连接。

本发明所设计的三种油位指示表头。显而易见，功能是一样的。每一种表头都是一个独立体，实际应用时，根据需要选用其中之一与传感头电路配接成完整的油位检测器。

实施例：

按设计的电路组装，调试完毕，将电路板与探头焊成一体，电路板用环氧树脂灌封固化在体积为43×30×12mm³的塑料盒内，探头尺寸为Φ8×130mm，电路工作电压12伏，静态工作电流≤12mA，发声报警功率≥1瓦。用该器件取代浮球式传感器改装在嘉陵JD90摩托车的油箱上，将该器件通过插座引线跟原车指针式表头配接使用，油表指示线性度极佳，器件装在车上经实际使用至今达二年时间，各项性能优越。

Claims

1、一种电容式燃油油位无触点检测器，主要由电容式传感器探头、电路、油位表组成，其特征在于传感器探头用两金属管相套，管与管之间形成间隙空间、构成金属片式电容器，燃油、空气充当探头电容器介质，能在间隙空间顺利进出，将油位变化转变成电容量变化，实现无触点检测，后用电路实现电容量/频率转换、频率/电压转换、电压信号放大、驱动油位设定发声报警、驱动油位表指示油位的变化。