CN201697691U - 一种汽车油位传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种汽车油箱油位传感器，采用两个平行平板电容分别作为测量电容和参考补偿电容，测量电容高度接近或等于油箱高度，竖直安装在油箱内，参考补偿电容水平安装在油箱底部，浸泡在油液中。两个电容均为开放式，当油箱中油位高度发生变化时，进入测量电容的油液高度随之发生变化，其电容值相应发生变化，参考补偿电容电容值不会随液位变化而发生改变。由参考补偿电容对测量电容进行补偿，获得精确的测量电容变化值，通过测量电容变化值与油液高度的线性关系，经过电路处理，即可获得油箱液位高度的精确值，实现油位的测量。本实用新型由于采用了参考补偿电容，实现了不同环境下与介质无关的油位测量，所使用的传感器耐腐蚀，无机械运动部件，使用寿命长，结构简单，工艺要求不高，价格便宜。

Description

一种汽车油位传感器 

技术领域

本实用新型涉及液位高度传感技术，具体涉及对汽车油箱油液高度的传感技术。 

背景技术

汽车油位传感器可用于检测燃油油箱中的油量、发动机机油油量及刹车油箱油量。当发动机机油不足时，该传感器及时感测这种状况并立即发送电信号给ECU，ECU则启动警告系统，点亮警告灯或者发出警告声响，避免发动机在润滑不良的状况下继续工作，从而有效防止发动机损坏；当燃油油量不足时，提醒驾驶人员加油，避免由于燃油不足造成汽车半途抛锚；当刹车油量不足时，ECU启动警告系统，点亮警告灯或者发出警告声响，避免汽车发生刹车不灵等紧急事故。 

目前常用的油位位置传感器按照原理可以分为，：电容式油位传感器、超声波油位传感器、电阻式油位传感器、光学油位传感器以及磁致伸缩式油位传感器等类型。这些类型的传感器各自的优缺点如下： 

电容式油位传感器 

这种液位传感器结构简单，可靠性很高；探头耐高温和高压，现场适应面宽；耗电极低，适合于易燃易爆危险介质的测量。就目前的电容式液位传感器而言，进行液位测量时，必须知道所测量液体的相对介电常数。另外，当测量液体不均匀、相对介电常数发生变化或被测液体改变时，就必须重新标定，因而大大限制了其使用范围。 

超声波油位传感器 

根据超声探头发出的超声脉冲信号，在液体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后能得到超声波传播时间。利用其传播速度和传播时间计算出其传播距离，得到液位高度。这种传感器容易受温度影响，且价格较贵。 

电阻式油位传感器 

该方法利用电阻率高、温度系数大的材料制成的电阻，结合油位传感器浮子和在电阻两端施加电压来检测油位的变化。温度越高，电阻越高。当把电阻浸入油液中，温度下降，电阻也随着下降，检测出电阻的变化，即可获得燃油的变化。这种传感器是在金属箔上附着Fe-Ni薄膜电阻，从而制成电热式油位传感器。 

测量精度受液体污染情况的影响很大，易产生错误，且响应速度慢。另外，目前所用的碳膜电阻在汽油中容易发生腐蚀而导致失效。 

光学油位传感器 

该方法利用光的反射或透射原理，根据反射或透射光强或光通量的差别进行油位测量的。由于价格昂贵，目前尚未广泛使用。 

磁致伸缩式油位传感器 

磁致伸缩液位传感器是利用材料的磁致伸缩效应感受液面浮子的变化，从而达到非接触测量油位的目的。这种油位传感器测量精度高、环境适应性强、安全性好、安装方便，还可应用于石油、化工等液位测量领域，因价格昂贵，目前大多在飞机油位测量中应用。 

发明内容

本实用新型针对目前市场上常见的不同原理的油箱油液高度传感器各自的优缺点，提出一种内部无机械运动部件的基于平行平板电容原理的汽车油位高度位置传感器。 

本实用新型采用了平行平板电容，参见图1，其原理如下： 

两相距D、有效面积为S的两平行平板电容其容值C为： 

$C=\frac{\mathrm{\ϵS}}{4\mathrm{\πkD}}---\left(1\right)$

其中：ε-介电常数 

k-绝缘常数 

从式(1)可以看出，如果两极板的距离D为常数，介电常量ε固定(即两极板间的电解质材料不变)时，电容值与有效面积S成正比。 

因而，将油位的高度对应成平行平板电容有效面积S的改变，在S改变的同时，那么通过测量电容的容值与油位高度的关系就可以获得油位高度。 

基于此，本实用新型提出的油位位置传感方法如下： 

采用一个平行平板电容作为测量电容，该测量电容是一个结构固定的平板电容；测量电容的长度接近或等于油箱高度，并竖直安装于油箱内。该电容为非密封式结构，与油箱内的油液空间相通，油液可进入极板之间，油位发生变化，电容的极板之间的油液高度同时发生变化，电容的容值与油液高度呈线性关系； 

采用另一正常工作时电容值保持不变的平行平板电容作为参考补偿电容，其电容值 与上述测量电容能够达到的最大电容值相等或成正比例关系，将该参考补偿电容也为非密闭结构，水平安装在油箱底部，浸泡在油液中，通过测量该参考补偿电容容值的变化，获得环境(例如温度或不同成分的油液等)对电容值的改变量； 

将测量电容测得的电容值与由参考补偿电容获取的环境对电容值的改变量经过后端的电路处理，补偿温度及不同油液成分等其它环境因素对测量电容值的影响，获得精确的测量电容变化值，通过测量电容变化值与油液高度的线性关系，经过电路处理，即可获得油液高度值，实现汽车油位测量。 

从上述描述的方法可知，它采用了开放式的结构固定的平行平板电容，当油位发生改变时，平行平板电容内的油位高度也相应发生改变，如图2所示，两极板的相距D，极板宽度W，极板高度L，油液高度L₁，油液介电常数ε₂，空气介电常数ε₁，则该平行平板电容可看做两个平行平板电容的并联，一个由油液形成的，另一个由空气形成的，则总的电容值为： 

$C=C_1+C_2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{S}_1}{4\mathrm{\πkD}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2{S}_2}{4\mathrm{\πkD}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1(L-L_1)W}{4\mathrm{\πkD}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2{L}_{1}W}{4\mathrm{\πkD}}=\frac{W}{4\mathrm{\πkD}}[{\mathrm{\ϵ}}_{1}L+({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1)L_1]---\left(2\right)$

根据公式(2)可以看出，电容的容值C： 

C＝A[B+(ε₂-ε₁)L₁](3) 

其中， $A=\frac{W}{4\mathrm{\πkD}}---\left(4\right)$

B＝ε₁L                            (5) 

当结构一定(即极板间距D、宽度W、高度L为常数)、空气的介电常数ε₁为常数、油液的介电常数ε₂为常数时，公式4、5中A、B为常数，即电容值与油液的高度L₁成线性关系。如图3中的实线所示。也即，采用图2中所示的电容结构制备的固定结构的平板电容，其容值与油液高度成线性关系，因而通过测量电容的容值就可以测量油液的高度。 

由于电容易受温度的影响，而且不同成分油液其相对介电常数会有所不同，且不同温度条件下相同油液的节电常数也会发生改变。因而根据公式(2)～(5)得出的线性关系会发生改变，如图3中的虚线所示。单纯依靠该测量电容显然还不能获得准确的液位 信号。鉴于此，为了使测量电容受温度和环境等其它因素的影响减少到最小，本实用新型人考虑到采用相同材质和工艺的电容作为参考补偿电容，在工作时，参考补偿电容完全浸泡在油液中，其电容值与测量电容最大电容值(即油液充满整个极板时)相等或成一定比例关系，参考补偿电容和测量电容处于同一环境中，通过测量该参考补偿电容容值的变化，获得环境对电容容值的改变量，即得到图3中该环境温度及介质条件下的C油，而空气的介电常数不变，即C空已知，可计算得出该条件下的直线斜率；将测量电容测得的电容值与由参考补偿电容获取的环境对电容值的改变量经过后端电路处理，即通过直线斜率即此时的测量电容值，则可获得油液液位的精确值。如式(6)所示。 

式(6)中，n为工作时参考电容值与测量电容最大值之间的比例系数。当n＝1时表示：工作时参考电容值与测量电容最大值相等。 

在上述方法的基础上，申请人提出的汽车油位传感器是由一个测量电容、一个参考补偿电容以及处理电路组成。 

所述测量电容为一非密闭结构的平行平板电容，其极板之间是非密封的，可以与油箱内的油液空间相通，其竖直安装在油箱内，油液可进入极板之间，油位发生变化时，其容值相应发生改变。 

所述参考补偿电容也为一非密闭结构的平行平板电容，正常工作时其电容值与上述测量电容的最大电容值相等或成正比关系，该参考补偿电容水平安装于油箱底部，浸泡在油液中； 

所述测量电容和参考补偿电容分别通过信号输出线连接处理电路，由处理电路获得测量电容和参考补偿电容的精确值，处理电路后端连接计算电路，利用测量电容变化值与油液高度的线性关系，计算获得油液高度值。 

所述处理电路采用两片电容专用测试芯片CAV424进行电容值的测试；将两个平行平板电容分别用一个容值相等的固定电容器代替，连接到CAV424的固定电容C_x1端，在两片CAV424的C_x2端分别连接所述测量电容和参考补偿电容，两片电容专用测试芯片 CAV424的输出即代表所述测量电容和参考补偿电容的精确值； 

所述处理电路后端连接计算电路，进行油液高度的计算；计算电路由A/D采集卡与计算机组成，或由A/D转换芯片和单片机组成；处理电路中两片CAV424的输出分别连接到A/D采集卡或A/D转换芯片，计算机或单片机即根据A/D采集得到的测量电容值和参考补偿电容值及其与液位的关系计算得到实际的液位高度。 

可见，本实用新型的优点是十分明显的： 

首先，它采用平板电容原理实现油位的传感，实现了大范围下的高分辨率、高精度测量； 

第二，它是一种内部无机械可动部件测量，实现了测量传感器敏感部件非机械接触的特点，有利于延长传感器的使用寿命； 

第三，它采用参考补偿电容进行温度及其它环境因素对电容值影响的补偿，消除了环境等因素的影响，提高了测量的精确度，实现了与介质无关的油位测量； 

第四，它结构简单，工艺要求不高，价格便宜。 

附图说明

图1是平行平板可调电容原理示意图； 

图2是本油位传感器的实现方式； 

图3是油位传感器的线性关系图； 

图4是本传感器的安装结构示意图； 

图5是电容测量的电路图。 

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本实用新型的内容： 

参见图4，汽车油位传感器由一个测量电容1、一个参考补偿电容2以及处理电路组成。测量电容1为一平行平板电容，其极板之间是非密封的，与油箱3内的油液空间相连通，其长度接近或等于油箱3高度，竖直安装在油箱3内侧面，油液4可进入两极板之间。参考补偿电容2为一正常工作时电容值不变的平行平板电容，其电容值与上述测量电容1的最大电容值相等或成一定比例关系，该参考补偿电容2与测量电容1安装在同一油箱3中，参考补偿电容2水平安装在油箱3最底部，浸泡在油液4中，参考补偿电容2的极板之间也是非密封的。测量电容1和参考补偿电容2分别通过信号输出线连 接处理电路，对测量信号进行处理，处理电路输出到计算电路从而得到油液的具体高度。 

本传感器采用的处理电路对测量信号的处理可采用现有技术实现，以下列举一种处理电路结构，见图5。图5中的CAV424是测量电容的专用芯片，C_x1为被测电容，C_x2为固定电容。CAV424工作原理是这样的，一个由电容C_OSC确定频率的参考振荡器控制着二个相位恒定和周期相同的对称构造的积分器。这二个积分器的振幅通过电容C_x1和C_x2来确定。比较二个积分器的电压振幅差值就可以得出电容C_x1和C_x2的相对电容变化差值，该差分信号通过一个二级低通滤波器转换成直流电压信号并经过输出可调的差分信号输出级输出即⑤和⑥之间的V_DIFF，即获得精确的电容值。 

两路V_DIFF所代表的测量电容及参考补偿电容的容值分别连接到A/D采集卡的输入端，如图5中所示，A/D的输出端连接计算机。计算机控制A/D卡进行采集，即可根据采集得到的测量电容值和参考补偿电容值及其与液位的关系计算得到实际的液位高度。其中，A/D卡和计算机可由能够达到类似功能的多路A/D转换芯片和单片机组成。 

由于本实用新型所涉及的电容有两个，一个是测量电容，另一个为参考补偿电容，因而可以利用2片CAV424分别进行这两个电容的测量，获得精确的电容值后，再依据公式(6)即可获得精确的液位值。 

其中：C_测为测量电容容值，C_参为参考电容容值， L、W、D分为测量电容极板长度、宽度及极板间距，L₁为油液高度，k为测量电容电介质的绝缘常数，ε₁为空气的介电常数，n为工作时参考电容值与测量电容最大值之间的比例系数。 

Claims (2)

1.一种汽车油位传感器，其特征在于：它由一个测量电容、一个参考补偿电容以及处理电路组成；

所述测量电容为一平行平板电容，所述测量电容的长度等于油箱高度，并竖直安装于油箱内，所述测量电容的极板之间为非密封结构，与油箱内的油液空间相通；

所述参考补偿电容为一平行平板电容，非密封结构，所述参考补偿电容水平安装于油箱底部，浸泡在油液中；

所述测量电容和参考补偿电容分别通过信号输出线连接处理电路，由处理电路获得测量电容和参考补偿电容的精确值，处理电路后端连接计算电路。

2.根据权利要求1所述的汽车油位传感器，其特征在于：

所述处理电路采用两片电容专用测试芯片CAV424进行电容值的测试；将两个平行平板电容分别用一个容值相等的固定电容器代替，连接到CAV424的固定电容C_X1端，在两片CAV424的C_x2端分别连接所述测量电容和参考补偿电容，两片电容专用测试芯片CAV424的输出即代表所述测量电容和参考补偿电容的精确值；

所述处理电路后端连接计算电路，进行油液高度的计算；计算电路由A/D采集卡与计算机组成，或由A/D转换芯片和单片机组成；处理电路中两片CAV424的输出分别连接到A/D采集卡或A/D转换芯片，计算机或单片机即根据A/D采集得到的测量电容值和参考补偿电容值及其与液位的关系计算得到实际的液位高度。 

Images