汽车油位检测系统的设计 南通纺织职业技术学院 汽车油量检测系统的设计 专业：机电一体化 姓名：何张鹏 学号：20090606 指导老师：张惟兵 3 2011 年 11 月 目录 摘要 ........................................................................ 5 第一章绪论 ............................................................ 6 1.1课题的来源与背景 .................................. 6 第二章电容测量的物理原理和方法概述 ............ 9 一、电容弍传感器分类 ................................ 9 2、变介电常数式电容传感器的适用领域 11 3.变介电常数式电容特性曲线、灵敏度、非线性 .............................................................. 12 4、电容传感器的等效电路 ........................ 14 5、典型的电容检測方法 ............................. 16 第三章结构设计与电路硬件设计 ...................... 18 4 第四章软件设计 .................................................. 28 第五章试验 35 5 摘要 汽车传感器是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。
随着电子技术的发展和汽车电子控制系统应用的日益广泛，微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步取代传统的传感器，成为汽车用传感器的主流 本文研究应用变介电常数式电容传感器实现汽车油箱油量的测量，并设计、制作电容传感器的产品类型，试验分析并研究解决在实际使用条件下的一些问题首先分析比较了各种电容测量电路的特点，介绍根据∑一Δ模数转换原理设计的电容测量器件 AD7745，然后计算电容探头在燃油中所产生的物理效应，据此设计电容传感器的机械结构，设计测量信号处理电路以及测量结果显示电路的硬件和软件最后讨论电容传感器在轿车邮箱中的标定方法，电容测量的温度补偿，滤除液面抖动以及传感器故障诊断等问题 电容式油量传感器相比于传统的浮子式油量传感器，其显著的优点在于取消了机械传动机构，结构紧凑、体积较小 关键词：汽车油箱，变介电常数式电容，传感器，∑一Δ模数转换 6 第一章绪论 1.1课题的来源与背景 现代汽车设计为了追求最佳的零部件总布置， 各大汽车生产商都无一例外地采用三维数宇化设计，力求合理、紧凑地布置零部件，使空间得到最有翠的利用。
轿车的燃油箱在生产工艺上主要是采用吹塑加工，其吹塑模具比加工板金件的金属模具要廉价很多，而且塑料的易流动性也保证能较容易地加工出异型件利用这个特点，燃油箱往往是整车总布置设计中最后完成的零件在布置好其他零部件的空间位置后，剩下留给放置燃油箱的空间往往是异型的，为了获得较大的载袖量，又必须尽可能多地利用这个不规则的^间，所以油箱外形通常是没有什么规则的异型，而且各款轿车的油箱形状通常也不尽相同图 1. 1的几张实物图片是使用在上海大众桑塔纳普通型轿车上的燃油箱（容积 60 升左右、轿车油箱的异形特点由此可见一斑 异型油箱有效地利用了车身空间，载油量变大，但是要比较精确地测量内 7 部的载油量就不容易现有的测量装置采用传统的浮子式液位传感器，其基本 敏感元件为浮子，.结构示意图如 1. 2所示 将敏感元件机械量的变化转化为电信号的检测手段主要有两类： 一类是用滑动电位器为基本检测元件，目前生产的中低档汽车多采用此类检测元件如图 1.3所示，它是由浮子通过连杆带动电位器，其阻值变化改变电路中的电流大小，从而改变线圈的磁场?虽弱，决定指针的偏转角度简言之即是利用欧姆表检测电位器阻值，从而达到显示油位的目的。
但当油垢覆盖电位器后，其阻值会发生变化，造成误差太大，甚至不能使用，使此类油箱传感器成为寿命很短的易损件 另一类是用电感线圈为基本检测元件， 例如现在生产的高档汽车多采用此类检测元件它是用浮子带动电感线圈，改变振荡电路的振荡频率，再通过频率计检测其频率来测定油位但其结构复杂，调试麻烦，成本高，价格贵，不能被广泛使用 1. 2浮子式传感器结构简图 8 浮子式燃油传感器的机械运动部件比较多， 例如滑动变阻器式检测元件需要连杆通过铰链驱动滑动触点在变阻器上移动，在汽车油箱恶劣的使用环境中，机械运动部件容易磨损而导致传感器失灵，难以保证在汽车使用的生命周期中传感器持续有效 另一方面，异型油箱决定了燃油的高度变化和其体积的变化并不成线性关系，使用模拟电路标定比较难以实现，所以现有的測量方法通常有比较大的误 差而且驾驶员仪表盘上的燃油表一般用 1/1、 1/2、 0分别表示满油、半箱油和无油，如图 1.4所示，这样的刻度很松散，不精确 驾驶员由于仪表盘上燃油表的指示不够精确，常常在佔计燃油佘量时发生较大误差有时估计值大于实际余量值，而不及时加油，常常在公路行车过程中由于燃油耗尽而抛锚；有时估计值小于实际余量值，在加油站常常加油过多以至燃油溢出油箱加袖口 。
这些情况的发生或多或少地存在一些安全隐患 本文研究也容式传感器的技术路线是：使用电容作为电场传感器的敏感元件，对轿车异型燃油箱的油量进行测量，通过硬件电路和微控制器处理数据后， 通过车身局域网总线将测量结果传送至仪表盘，通过步进电机驱动指针将油箱中燃油量指示出来3标是设计、制作一个接近产品化的实物传感器，并与实 际燃油箱匹配 9 第二章电容测量的物理原理和方法概述 一、电容弍传感器分类 电容式传感器的基本工作原理是基于物体间的电容量及其结构参数之间的关系由物理学可知，电容器的电容是构成电容器的两极板形状、大小、相互位 置及电介质介电常数的函数以最简单的平板电容器为例（如图 2..1，当不考虑边缘电场影响时，其电容量(：为 10 由〈2， 0式可知，平板电容器的电容是5， 5， ^的函数，即（^^, (^， 5， 3、 电容式传感器的工作原理正是建立在上述关系之上的 具体地说，如将上极板固定，而下极板与被测运动物体固连，当被测运动物体上、下移动（使&变化）或左、右移动（使 3变化）时，将引起电容的变化通过一定测量电路可将这种电容变化转化为电压、电流、频率等电信号输出。
标定后，根据输出信号大小，即可测定运动物体位移大小如果两极板均固定不动， 而极板间的介质状态参数发生变化致使介电常数产生变化时（如介质在极板中间的相对位置、介质的温度、密度、湿度等参数发生变化时，.均能导致介电常数的变化〕，也能引起电容变化，故可据此测定介质的各种状态参数，如介质在极板中间的位置、介质的湿度、密度等总之，只要被测物理量的变化能使电容器中任一参数产生相应变化而引起电夸变化，再通过一定的测量电路将其转换为有用的电信号输出，即可根据这种输^信号大小来判定被测物理量的大小，这就是电容式传感器的基本工作原理 电容式传感器根据其工作原理不同，可分为变间隙式、变面积式、变介电常数式三种按极板形状不同有平板和圆柱形两种〖 5〗 变间隙式一般用来测量微小的线位移（小至 0.01微米〜零点几毫米〉； 变面积式则一般用来测角位移（自一角秒至几十度）或较大的线位移；变介电常数 11 式常用于固体或液体的物位测量，也用与测定各种介质的湿度、密度等状态参数本文设计的汽车油黧传感器就是应用变介电常数式电容传感原理 2、变介电常数式电容传感器的适用领域 电容式液位传感器是将非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。
它具有许多突出的优点；结构简单、动态响应好、灵敏度高-、分辨率高、体积小、高频特性好，并能在高温辐射和强烈振动等恶劣环境下工作等，所以它被广泛应用于各种液位测量中 电容液位传感器的电极结构如图 2.2所示 图 2.2 (^)适用于导电容器中的绝缘液体的液位測量，且容器为立式圆筒形,容器壁作为一极,沿轴线插入裸金属棒作为另一极，电极其间构成的电容(^与液位成比例，也可悬挂带重锤的软导线作为一个电极〖 7〗 阁 2.2(1^适用于导电液体或对金属电极有腐蚀性的液体测量中插入待测 液体中的电极表面有不导电或防腐蚀镀层，计箅测得的电容，只需将镀层所带来的影响去掉即可^ 图 2.2(0适用于非金属容器，用绝缘支架套装内外两层金属套筒，套简上下开口或整体上均勾分布多个孔，使内外液位相同，内外套筒构成两个电容电极， 其电容和容器形状无关，只取决于液位高度若待测液体不导电且对电极无腐蚀， 可直接将金属套筒插入进行测量：若为导电液体或有腐蚀性，可以用 2.20^中提到的表面加镀层的方法进行处理这种测量方式由于内外套简的间距不大，对于含有颗粒麴的液体测量漏量，容易产生滞留物在极间，可以用装滤网的办法加以解决。
汽车燃油〔汽油或柴油）是具有电气绝缘性能的液体混合物，粘度低、流动性好挥发性强；而且汽车油箱是用不导电的髙性能塑料通过吹塑加工而成，根 据汽车上的使用情况，采用第三种电极方式是合适的 糾 (^) 10 ，图 2，2电容液位传感器的电极结构 12 3.变介电常数式电容特性曲线、灵敏度、非线性 电容式液位计所使用的电容式传感元件属于变介电常数式 当被瀕液体的液面在电容式传感元件的两同心圆柱形电极间变化时，引起极间不同介电常数介质的高度发生变化，因而导致电容变化，如图 2.3所示，其输出电容与液面高度的关系为 13 由2.2式可知，输出电容（：将与液面高度 I 成线性关系变介电常数式电容特性曲线如图 2.4所示 由式可见，影响灵敏度的参数是内极板的外径化！和外极板的内径 1^ 之比值，当 R2和 R1比值越小，其灵敏度越髙，意味着内外套筒的间距越小灵敏 度也好但受电容器击穿电压的限制以及介质发生"挂壁"现象的趋势，而且增加装配工作的困难，因此这个差距应该控制在一个最优化的范围本文在后面的章节中将会论述如何根据实际情况设计化,液面高度与油箱中的油量关系是非线性的，为了获得电容输出与油量的线性关系，必须使电容与液面高度成非线性关系，通常的方法是在―个圆柱形极板上开一些缺口〖 5 〗， 此时电容式传感元件的特性将是非线性的， 其 示意图如图 2.5所示。
图 2.5非线性电容传感元件 ^12.6另一种变介电常数式电容 另一种变介电常数的电容式传感器的原理图见图 2.6 当某种介质在两固定极板间运动时，电容输出与介质常数之间的关系为 14 由上式可见，当运动介质的厚度 4保持不变而介电常数&改变，如湿度变化， 电容将产生相应的变化，据此可做成介电常数^的测试传感器，如湿度传感器反之，若&不变，则可傲成测厚传感器 以上所有特性计算式均未考虑电场的边缘效应，故实际电容量将比计箅值大此外边缘效应还奏使灵敏度降低、非线性增加为了减少边缘效应的影响，可以适当减小极板间距，但这容易引起击穿，并限制了測量范围较好持均， 而发散的边缘电场将发生在防护环外周 的办法是采用防护环 （见图 2.7〉 在使用时，使防护环与被防护的檨板具有相等的电位，则在被防护的工作板板面积上的电场基本上保 4、电容传感器的等效电路 绝大多数电容式传感器均可用一纯电容来表示在髙频下（如几兆赫、即使电容很小， 损耗一般亦可忽略 在低频时， 其中损耗可用并联电阻&来表示(图 2.8〕 ，它代表直流漏电阻、电极绝缘基座中的介质损耗和在极板间隙中的介质损耗等对空气介质电容器来说，其损耗一般可以忽略；对固体介质来说，显然损耗与介质性质有关。
图 2， 7带有防护环的电容器 图 2.8电容传感器等效电路 15 对于任一谐振频率以下的频率，由于乙的存在，传感器的有效电容 0将增 加八 0，有效电容的相对变化也将增加，因此测量时必须与校准时处在同样条件 下，即电缆长度不能改变 在电容式传感器的设计和使用过程中，要特别注意防止寄生电容的干扰由 于电容式，感器本身电容量很小，仅几十皮法、甚至几皮法，因^传感器受寄生电容千扰^问题非常突出这个问题解决不好，将导致传感器特'性严重不稳，甚至完全无法丄作 在任何两个导体之间均可构成电容联系， 因此电容式传感器除了极板间的电容之外，极板还可能与周围物体（包括仪器中各种元件甚至人体）之间产生电容联系这种附加的电容联系，称之为寄生电容寄生电容使传感器电容量改变由于传感器本身电容量很小，再加上寄生电容又是极不稳定的，这就会导致传感器特性的不稳定，丛而对传感器产生严重干扰 为了克服这种不稳定的寄生电容联系， 必须对传感器及其引出导线采取屏蔽措施，即将传感器放在金属壳体内，并将壳体接地，从而可消除传感器与壳体外部物体之间的不稳定的寄生电容联系传感器的引出线必须采用屏蔽线，II应与壳体相连而无断开的不屏蔽间隙，屏蔽线外套同样应良好接地。
但是，对电容式传感器来说，这样做依然存在所谓的"电缆寄生电容"问题： 1.屏蔽线本身电容量大，最大每米可达上百皮法，最小的亦有几皮法由于电容式传感器木身电容量仅几十皮法甚至还小，当屏蔽线较长且其电容与传感器电容相并联时，传感器电容的相对变化量将大大降低，也就是说传感器的有效灵敏度将大大降低 2，尤为严重的是，由于电缆本身的电容量隨放置位置和其形状的改变而有很大变化，这样将使传感器特性不稳，严重时，有用电容信号将被寄牛.电容噪声所淹没，以至传感器无法工作 电缆寄生电容的影响， 长期以来一直是电容式传感器难于解决的棘手的技术问题，阻碍着它的发展和应用目前微电子技术的发展，已为解决这类问题创造了良好的技术条件一种可行的技术方案是将测量线铬的前级或全部与传感器组装在一起，构成整体式或有源式传感器，以便根本消除长电缆所带来的寄生电容 的影响 基于上述考虑，本文所设计的电容探头和信号处理电路板安装焊接在一起， —方面能有效地减少由于导线电缆所带来的杂散电容的影响，另一方面考虑到 16 生产过程中的质量稳定性，探头和处理电路做在一起，可以保证在生产和安装过程 中所产生的附加电容能被有效地控制，而不必修改标定后所得到的参数以及程序。
5、 典型的电容检測方法 电容式传感器将被测物理量变换为电容变化后， 必须釆用信号处理电路将其转换为电压、电流或频率信号电容式传感器的测量电路种类很多，典型的测量电路主要有以下几种 交流电桥法 双 T二级管式电路 差动脉宽调制电路 运算放大器式电路 下面分别简要论述各.测量电路的工作原理，并且结合汽车上使用实际情况，― 评述其应用于本文的变介电常数式电容传感器合理性 1、交流电桥法 惠斯通平衡电桥一般应用在应变片测釐电路上，桥臂上基本上都是阻抗容阻电桥在实践中使用不多，-~般都是釆用变压器式桥路其测量电路的原理框图见'图变压器式桥路可以说是容阻电桥的简化，它省去了'两桥臂电阻，在原理上已离幵了四臂惠斯通电桥的概念，因此分析方法亦有所不同 变压器式桥路的等效电路图如阁 2.10所示图中C1、C2可以是两个差动电容器，也可使其中之一为固定电容器，另一为电容式传感器；ZF 为放人器的输入阻抗，一般可取 ZF 上的电压降即为电桥输出电压 U设在起始时，下面来求U与传感器电容 C1、C2及电路其他参数的关系式 17 18 可见，当输出与（C1-C2）/(C1+C2)成比例时，即使对变间隙电容式传感器来说，输出也将与输入位移成理想线性关系。
对变压器式电桥来说，只有当放大器的输入阻抗为无限大时才能做到 以上所述为不平衡电桥电路，它的输出均与供桥电压成比例 电源电压的不稳定将直接影响测量精度对于不平衡电桥，传感器必须工作在小偏离情况下， 否则电桥非线性将增大 平衡电桥以电桥桥臂的平衡条件为基础，这种平衡条件与电源电压无关，因此测量将不受电源电压波动的影响，而电桥输出一般具有线性特性采用自动平衡电桥线路也能实现自动测量、远距传输以及多信号输出等要求飞机上的电容式油量传感器就是使用这种检測方法的 第三章结构设计与电路硬件设计 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 第四章软件设计 29 30 31 32 33 34 35 第五章试验 36 37 38 。