CN201355265Y

CN201355265Y - 一种油位传感器

Info

Publication number: CN201355265Y
Application number: CNU2009200363457U
Authority: CN
Inventors: 缪琴; 方颖
Original assignee: CHANGZHOU MACHINERY ELECTRONIC ENGINEERING INSTITUTE
Current assignee: Institute of Advanced Manufacturing Technology
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2019-03-03

Abstract

本实用新型公开了一种油位传感器，包括旋杆、浮子、支架、霍尔元件和磁性元件；旋杆与支架转动连接；浮子位于油箱内，支架固定在油箱的外侧；霍尔元件固定在支架上；磁性元件位于霍尔元件的背面，且与支架转动连接；旋杆的一端与磁性元件连接，另一端与浮子连接。本实用新型的油位传感器采用位于霍尔元件背面的磁性元件以及与磁性元件和浮子连接的旋杆，当旋杆带动环形磁铁旋转时，就可以检测到环形磁铁转动角度与霍尔元件输出电压之间的关系，实现对油箱内油位的检测。本油位传感器结构简单、体形轻巧、使用方便、生产成本低、测量精度高、信号稳定性好。

Description

一种油位传感器

技术领域

本实用新型涉及一种油位指示装置，具体地说涉及一种油位传感器，属于检测技术领域。

背景技术

油位传感器是汽车燃油箱必须装备的传感器，它与汽车电源系统、油位表连接后，能及时指示油箱中的燃油量。由于汽车油位传感器在汽车电子控制系统中重要作用和对汽车的快速增长的市场需求，世界各国对其理论研究、新材料应用和新产品开发都非常重视。

国内目前车用油位传感器部件是采用“浮子杠杆机械+电刷接触+厚膜印刷电阻”的解决方案，其等效作用是用一个可调电阻，它的阻值变化对应油箱油位状况。如中国专利文献CN2709954Y公开的《触片和触点镀金的油位传感器总成》，它包括塑料架、厚膜电阻板、摆杆座、摆杆、铜触片、触点和浮子，其中为了提高耐腐蚀性，触片和触点镀金。但是由于这种油位传感器采用机械接触的方案，往往造成使用一段时间后，油位传感由于电极、触头腐蚀或接触压力降低而出现接触失效，即便是镀金也无法避免且制造成本高。同时这种厚膜电阻式油位传感器对生产工艺环节的控制要求较高，为保证电阻的精度，从其电阻浆料的配制，印刷到烧结，修阻都要从严控制；为保证接触的有效性，电极材料的选取，机械电刷材质及与电极磨擦压力，燃油等对触点、电极的腐蚀，机械接触寿命等有众多考量。而且厚膜电阻式油位传感器在测量范围内是分段线性，即在测量范围内有至少两个不同的斜率，不方便使用。因此，生产设备价格高昂，资源(电极、电阻、电刷采用贵金属)、生产能耗、管理成本较大是这种油位传感器存在的问题，我们要从设计方案上寻求突破。

实用新型内容

本实用新型的目的主要是针对前述汽车油位传感器的缺陷，提供一种结构简单、体形轻巧、使用方便、生产成本低、测量精度高、信号稳定性好的汽车油位霍尔传感器。

本实用新型的原理主要是利用霍尔效应制成霍尔式磁敏传感运动构件进行位置检测。

具体地说：具有霍尔效应的半导体，在其相应的正面上安装上电极后即构成霍尔元件。霍尔效应可以用运动电荷在磁场中受洛伦磁力的作用来解释，假设导体板内载流子的电荷量为负，气运动方向与电流方向相反，在磁场中受到洛伦玆力的影响，该作用力使得导体板内的载流子发生偏转，结果在霍尔导体板两面积聚了异号电荷，并在导体内形成不断增大的电场，这个电场就是霍尔电动势。由于载流子收到电场力和洛伦玆力反向，所以电场力将阻碍载流子继续流向另一面聚集，这样载流子收到的电场力和洛伦玆力达到平衡，载流子将不再作侧向运动，这样在两面就形成了一定的霍尔电势差。

U与I和B有如下关系：

U = \frac{IB}{nqd}

其中：U为霍尔元件输出的霍尔电势；I为霍尔元件的激励电流；B为外加磁场的磁感应强度；n为半导体的载流子浓度，q为半导体的载流子的电荷量，d为半导体截面的长度，这三个量由霍尔元件本身决定。

从上述可见对于给定的霍尔元件，霍尔电势的大小仅与加在其上的控制电流的大小，磁感应强度的大小及磁场与薄片法线的夹角有关，而与控制电流加在哪一对电极上无关，在控制电流I一定的情况下，霍尔电势的大小仅与B有关。当控制电流一定时，霍尔电势与磁感应强度成正比，利用这个关系就可以测出由角度转动所引起的输出的霍尔电势的变化。

根据以上的原理，为实现本实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案：一种油位传感器，包括旋杆、浮子、支架、霍尔元件和磁性元件；旋杆与支架转动连接；浮子位于油箱内，支架同定在油箱的外侧；所述霍尔元件固定在支架上；所述磁性元件位于霍尔元件的背面，且与支架转动连接；旋杆的一端与磁性元件固定连接，另一端与浮子固定连接。

还包括霍尔元件零位误差补偿电路。

所述霍尔元件和磁性元件水平高度一致。

还包括驱动霍尔元件的恒流源。

还包括屏蔽霍尔元件和磁性元件的屏蔽罩。

本实用新型采用上述技术方案得到了以下的有益效果：(1)本实用新型的油位传感器采用位于霍尔元件背面的磁性元件以及与磁性元件和浮子连接的旋杆，当旋杆带动环形磁铁旋转时，就可以检测到环形磁铁转动角度与霍尔元件输出电压之间的关系，实现对油箱内油位的检测。这样利用霍尔效应制作出的本油位传感器结构简单、成本低、使用方便。

(2)由于霍尔元件材料不均匀造成电阻分布不均匀，控制电极接触不良，造成电流分布不均匀等，使得霍尔元件存在零位误差，即磁感应强度为零时，霍尔元件的输出即霍尔电动势不为零，为此，本实用新型还包括霍尔元件零位误差补偿电路，从而可以通过调节电阻的大小，使两个电极间达到平衡，最终磁感应强度为零时，输出的霍尔电动势为零。

(3)采用二级径向充磁方式，充磁方向上的点是表磁的磁感应强度最大的点，与充磁方向垂直的表磁的磁感应强度为零，因此霍尔元件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，故如果保证磁性元件的水平位置与霍尔元件的位置保持在同一水平高度，就能使霍尔元件位于最大有效磁感应强度处。当磁性元件在霍尔元件附近转过一定角度的时候，霍尔片上产生一个与的霍尔电位相反的电压，经过差分放大后，使得霍尔元件灵敏度大为提高，采用这种结构的汽车油位传感器具有很好的检测性能。

(4)由前面的霍尔效应原理分析可知，当输入电流恒定时，霍尔传感器输出的霍尔电动势仅由外界磁场的磁感应强度确定，因此采用恒流源作为霍尔传感器工作的输入电源就可以仅通过磁场强度的检测即可换算得到霍尔电动势，省却了电流的实时检测，使用起来更加方便。

(5)由于汽车内有许多电磁干扰源，它们所产生的电磁波和尖峰脉冲，可以通过接线电场耦合、磁场耦合或交流电源等进入放大电路，就相当于引入一个干扰电压，经过各级放大，放大电路的输出端就有一个较大的干扰电压。另外，放大电路中的磁性材料元件对空间杂散磁场的干扰是很敏感的，当干扰磁场很强时，在输出端产生的干扰电压就会妨碍放大电路的正常工作。为此，本实用新型的油位传感器在霍尔元件和磁性元件外设置屏蔽罩，并将它妥善接地，从而既防止了杂散磁场对磁性材料的影响，又防止了磁性材料的强磁性影响放大电路的输出。

(6)本实用新型的油位传感器工作温度范围宽，完全符合油箱温度变化范围大的特点，且霍尔元件和钕铁硼的温漂系数较小，可以保证输出电压的稳定性。

(7)本实用新型结构简单、体形轻巧、使用方便、生产成本低、测量精度高、信号稳定性好。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中

图1为本实用新型油位传感器结构示意图。

图2为本实用新型油位传感器的电路框图。

图3为霍尔效应原理示意图。

图4为本实用新型油位传感器的恒流源原理示意图。

图5为本实用新型油位传感器的零位误差补偿电路图。

具体实施方式

(实施例1)

见图1，本实施例的一种油位传感器，包括旋杆1、浮子、支架2、霍尔元件3和磁性元件4。旋杆1与支架2转动连接；浮子位于油箱内；支架2固定在油箱的外侧；霍尔元件3固定在支架2上；磁性元件4位于霍尔元件3的背面，二者水平高度一致，且与支架2转动连接；旋杆1的一端与磁性元件4连接，另一端与浮子连接。

浮子浮在油面上，随着油位的变化，浮子上下浮动，从而带动旋杆1转动，然后带动套在旋杆1上的磁性元件4转动一定角度，此时穿过霍尔元件的磁感应强度随之变化，导致霍尔元件输出电压变化，在很大的角度范围内霍尔元件所检测到的磁场强度的增量与角度的增量成正弦函数关系，从而实现对汽车油位的测量。

图2是油位传感器的电路框图，可见油位传感器以霍尔元件为中心，通过磁路检测获得电压输出，同时为了更方便使用和获得更好的检测效果，还包括采用的驱动霍尔元件的恒流源部分和零位误差补偿部分。

图3是霍尔效应原理示意图，假设存在方向垂直于薄片向上的磁场B，在薄片电极两端加直流电，则有相应的电流I_c通过，半导体中的载流子将沿着与电流I_c相反的方向运动，在外磁场B的作用下，电子受洛伦玆力F_L的作用而发生偏转，于是在半导体的前端面上电子积聚而带负电荷，后端面因电子的偏移而带正电，在前后断面上形成与洛伦玆力F_L方向相反的电场力F_E电场，阻止电子继续偏移，当F_E与F_L大小相等时，电子积累达到平衡状态，这时在半导体前后两面之间就形成霍尔电场E_H，产生相应的霍尔电势U_H。设电子以速度v按电流相反方向运动，则F_L＝qvB，q为电子电荷量，则电场E_H作用于电子的F_E＝-qE_H。设半导体薄片长、宽、厚分别为l，b，d，则F_E＝-qU_H/b，当电子积累达到动态平衡时，F_L+F_E＝0，即vB＝U_H/b，又由于电流密度j＝-nqv，n为N型半导体中的电子浓度即单位体积中的电子数，得到I＝jbd＝-nqvbd，v＝-I/nqbd，将v带入上述力平衡式，得U_H＝-IB/nqd＝R_HIB/d＝K_HIB，式中R_H为霍尔系数，R_H＝-1/nq(立方米/库仑)，由材料的物理性质决定，K_H为灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。

图4是油位传感器的恒流源原理示意图，在RL中可以得到稳定的电流。其中R_f既是反馈电阻，又是取样电阻，当在它的输入端施加一信号电压Vs，瞬时极性如图中所示。当I流过R_L和R_f时，在R_f两端产生反馈电压V_f，显然在输出回路中，V_f抵消了Vs和Vi的一部分，所以基本放大电路的净输入电压V_id减小，I也减小，其互导增益下降，所以引入的是负反馈。由于在电路中采取输出电流取样、输出串联比较，故图4所示电路为电流负反馈电路，在V_id不变的情况下，R_L增大时，i基本不变，说明放大电路的输出电阻趋于无穷大，所以这个电流串联负反馈电路能稳定地输出电流。

图5是油位传感器的零位误差补偿电路图。把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。通过调节电阻R1的大小，使得两个电极间达到平衡，最终磁感应强度为零时，输出的霍尔电动势为零。

对于屏蔽的方法，从放大电路的结构布线来说，电源尽可能远离第一级输入电路，更要远离放大电路，使之不易对放大电路产生严重干扰。同时为了减小外界干扰，还要采取些屏蔽措施，在本实施例中，采用屏蔽罩屏蔽霍尔元件3和磁性元件4。屏蔽罩采用具有高导磁率的磁性材料，如铁镍合金，在塑料外壳内侧贴上一层屏蔽膜。如果屏蔽的磁场很强，仅用单层屏蔽材料，可能会达不到屏蔽要求或者发生饱和。对此可以增加屏蔽罩材料的厚度或者采用中空结构的屏蔽罩，即屏蔽罩包含两层屏蔽体，将一个屏蔽体放在另一个屏蔽体内，二者之间留有的气隙填充非导磁率材料。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。由本实用新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims

1、一种油位传感器，包括旋杆(1)、浮子和支架(2)；旋杆(1)与支架(2)转动连接；浮子位于油箱内；支架(2)固定在油箱的外侧；其特征在于：还包括霍尔元件(3)和磁性元件(4)；所述霍尔元件(3)固定在支架(2)上；所述磁性元件(4)位于霍尔元件(3)的背面，且与支架(2)转动连接；旋杆(1)的一端与磁性元件(4)连接，另一端与浮子连接。

2、根据权利要求1所述的油位传感器，其特征在于：还包括霍尔元件零位误差补偿电路。

3、根据权利要求1或2所述的油位传感器，其特征在于：所述霍尔元件(3)和磁性元件(4)水平高度一致。

4、根据权利要求3所述的油位传感器，其特征在于：还包括驱动霍尔元件(3)的恒流源。

5、根据权利要求4所述的油位传感器，其特征在于：还包括屏蔽霍尔元件(3)和磁性元件(4)的屏蔽罩。