《项目五 汽车油箱油位检测讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《项目五 汽车油箱油位检测讲解（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、项目五 汽车油箱油位检测,学习目标,完成本课题的学习后，能够： （1）了解电容式传感器的分类及工作原理； （2）掌握电容式传感器的测量电路和应用 （3）正确使用电容式液位传感器 （4）了解超声波传感器及其特性 （5）正确使用超声波液位传感器,项目描述,汽车的油箱油位检测（浮子式）,任务1：汽车油箱的油位检测,任务背景 传统的汽车油位传感器存在着精度低、稳定性不高、使用寿命短、使用环境存在局限等不足 。 相关知识 电容式液位传感器克服了传统油位传感器存在的缺点，而且在精度、稳定性等指标上有了质的飞跃，利用期来做油位检测数据精度高、稳定性强、使用寿命长。,一、电容式液位传感器,电容式传感器是把被测
2、非电量转换为电容量变化的一种传感器。,（一）电容式液位传感器的外形,棒式,缆式,（二）电容传感器的结构,变极距()型：(a)、(e)；变面积(S)型：(b)、(c)、(d)、(f)、(g)、（h） 变介电常数()型：（i）（l）,（三）电容传感器的工作原理,平板式电容器如图所示电容量：,S两极板正对面积; d极板间距离； 极板间介质的介电常数; 0真空介电常数，0=8.8510-12(F/m); r介质的相对介电常数，对于空气介r=1。,1、变间隙式电容传感器,当电容式传感器的面积和介电常数固定不变，只改变极板间距离时， 称为变间隙式电容传感器，其结构原理如图所示。,初始电容量C0为 ：,若电
3、容器极板间距离由初始值d0缩小了d，电容量增大了C，则有：,若d/d01时，1-(d/d0)21，则：,2、变面积式电容传感器,变面积式电容传感器有：角位移型,平面线位移型,柱面线位移型。,（1）角位移型,电容式角位移传感器原理图,当动极板有一个角位移时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。,（2）平面线位移式,电容平面线位移式传感器原理图,当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的遮盖面积S ，电容量C同样随之变化。,3、变介电常数式电容传感器,当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化,（1）单组式厚度传感器,设电容的极板面积为S
4、，间隙为a，当有一厚度为d、相对介电常数为r的固体电介质通过极板间的间隙时，若忽略边缘效应，电容器的电容为：,厚度传感器,（2）单组式平板形线位移传感器,单组式平板形线位移传感器,平板的面积为：L0b0,当L=0时，传感器的初始电容,图 5-11,当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为：,图 5-11,（3）圆筒式液位传感器,液位传感器,若容器内介质的介电常数为1 ，容器介质上面气体的介电常数为2，当容器内液面变化时，两极板间的电容量C也会变化,气体介质间的电容量C1为：,液体介质间的电容量C2为：,等效电路,总电容量为：,二、电容传感器的测量电路,1、 调频电路,调频测量电路把
5、电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率就发生变化。,调频测量电路原理框图如图所示：,调频振荡器的振荡频率为 ：,式中: L振荡回路的电感; C振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0C。 其中, C1为振荡回路固有电容; C2为传感器引线分布电容; C0C为传感器的电容,当被测信号为0时, C =0, 则C =C1+C2+C0, 所以振荡器有一个固有频率f0,当被测信号不为 0 时 ：,振荡器频率有相应变化, 此时频率为：,2、运算放大器式电路,运算放大器式电路如图，由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高，运算放大器的这一特点可以作
6、为电容式传感器的比较理想的测量电路。由运算放大器工作原理可得：,如果传感器是一只平板电容，可得：,运算放大器式电路原理图,3、二极管双T型交流电桥,二极管双T型交流电桥电路原理图如图所示。e是高频电源，它提供幅值为Ui的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的2个二极管，R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。,电路工作原理如下: 当e为正半周时, 二极管VD1导通、VD2截止, 于是电容C1充电; 在随后负半周出现时, 电容C1上的电荷通过电阻R1#, 负载电阻RL放电, 流过RL的电流为I1 。在负半周内, VD2导通、VD1截止, 则电容C2充电; 在随后出现正半周时, C2通
7、过电阻R2, 负载电阻RL放电, 流过RL的电流为I2 。 根据上面所给的条件, 则电流I1 =I2, 且方向相反, 在一个周期内流过RL的平均电流为零。 若传感器输入不为 0, 则C1 C2, 那么I1I2, 此时RL上必定有信号输出, 其输出在一个周期内的平均值为：,式中f为电源频率。 当RL已知, 式中R（R+2RL）/（R+RL）2RL = M（常数）, 则 Uo=Ei fM(C1-C2),4、脉冲宽度调制,脉冲宽度调制电路（PWM）是利用传感器的电容充放电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量变化而变化，然后通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号，电路如图,图中C1、C2
8、为差动式电容传感器，当双稳态触发器处于某一状态，Q=1，Q= 0，A点高电位通过R1对C1充电，时间常数1= R1C1，直至C点电位高于Ur，比较器A1输出正跳变信号。与此同时，因Q=0，电容器C2上已充电流通过VD2迅速放电至零电平。A1正跳变信号激励触发器翻转，使Q=0， Q=1，于是A点为低电位，C1通过VD1迅速放电，而B点高电位通过R2对C2充电，时间常数为2=R2C2，直至D点电位高于参比电位Ur。比较器A2输出正跳变信号，使触发器发生翻转。 当差动电容器C1=C2时， A、B两点间的平均电压值为零。 当差动电容C1C2，且C1C2，则1=R1C12=R2C2。此时UA、UB脉冲宽
9、度不再相等，一个周期（T1+T2）时间内的平均电压值不为零。此UAB电压经低通滤波器滤波后，可获得Uo输出为：,脉冲宽度调制电路电压波形,拓展知识,土壤湿度检测仪设计,任务2：高压密闭容器的液位检测,任务背景 在化工业生产过程中，常需对密闭容器内的液体液位进行精确测量。由于这些液体一般都是易爆、易挥发、强腐蚀及有毒性液体，其液位检测有一定难度，人们曾试图将多种检测法应用到这些液体的液位检测中，但其都有不足，如浮球式、电容式液位计虽操作简单，由于是接触式测量，安装时无法避免液体的挥发。 相关知识 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，利用超声波可以从罐外连续、精确测量罐内液体液位高度，
10、完全不接触罐内的气体和液体，可实现液体液位的非接触测量。,一、超声波传感器,超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，能将声信号转换成电信号，属典型的双向传感器；它具有：低成本、小角度、小盲区、无接触、防水、防腐蚀、测量准确等优点；,1、超声波传感器的分类,超声波探头按其结构可分为直探头、斜探头、双探头和液浸探头；若按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。,2、超声波传感器的外形,（a）超声波液位传感器 (b)超声波距离传感器 (c)磁致伸缩线性位移传感器 (d)压电式超声波探头,3、超声波传感器的特性,（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频
11、率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 （2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低,二、超声波的特性,振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在2020KHZ之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于20HZ的机械波，称为次声波；高于20KHZ的机械波，称为超声波，如图所示。,1、超声波的特性,（1）超声波的束射特性 ：由于超声波的波长短，超声波射线可以和光
12、线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的定律 。,（2）超声波的吸收特性 ：声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因为物质要吸收掉它的能量。,（3）超声波的能量传递特性 ：超声波比声波具有强大得多的功率。,（4）超声波的声压特性 ： 当声波通入某物体时,由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。,2、超声波的波型及其转换和波速,声波在介质中传播时有三种主要波型： 纵波，质点的振动方向与波的传播方向一致，它能在固体、液体和气体介质中传播。 横波，质点振动方向垂直于波的传播方向，它只能在固
13、体介质中传播。 表面波，质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速 衰减；表面波质点振动的轨迹是椭圆形，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向；表面波只能在固体表面传播。,3、超声波的反射和折射,当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上将发生反射和折射，如图所示,超声波的反射和折射满足波的反射定律和折射定律，即：,4、超声波与介质的相互作用,超声波在介质中传播时，与介质相互作用会产生以下效应,（1）机械效应,（2）空化效应,（3）热效应,三、正确使用超声波液位传感器,1介质纯净度 （1）液体中不能充满密集气泡。 （2）液体中不能悬浮大量固体，如结晶物。 （3）容器底部不能沉积大量泥沙及沉淀物,2介质粘度 动力粘度30mPaS时不能测量。,3被测容器 （1）材质 （2）壁厚 （3）罐型,安装要求：,超声波液位传感器安装示意图,拓展知识,超声波测距系统,超声波测距整体设计方框图,图 5-36,超声波发射电路,超声波的接收电路,计数显示电路,
