專(zhuān)利名稱：一種汽車(chē)油位傳感方法及傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液位高度傳感技術(shù)，具體涉及對(duì)汽車(chē)油箱油液高度的傳感技術(shù)。
背景技術(shù)：
汽車(chē)油位傳感器可用于檢測(cè)燃油油箱中的油量、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油油量及剎車(chē)油箱油 量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油不足時(shí)，該傳感器及時(shí)感測(cè)這種狀況并立即發(fā)送電信號(hào)給ECU， ECU則啟 動(dòng)警告系統(tǒng)，點(diǎn)亮警告燈或者發(fā)出警告聲響，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在潤(rùn)滑不良的狀況下繼續(xù)工作，從 而有效防止發(fā)動(dòng)機(jī)損壞；當(dāng)燃油油量不足時(shí)，提醒駕駛?cè)藛T加油，避免由于燃油不足造成汽 車(chē)半途拋錨；當(dāng)剎車(chē)油量不足時(shí)，ECU啟動(dòng)警告系統(tǒng)，點(diǎn)亮警告燈或者發(fā)出警告聲響，避免 汽車(chē)發(fā)生剎車(chē)不靈等緊急事故。
目前常用的油位位置傳感器按照原理可以分為，電容式油位傳感器、超聲波油位 傳感器、電阻式油位傳感器、光學(xué)油位傳感器以及磁致伸縮式油位傳感器等類(lèi)型。這些類(lèi)型 的傳感器各自的優(yōu)缺點(diǎn)如下
電容式油位傳感器 這種液位傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性很高；探頭耐高溫和高壓，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)面寬；耗電 極低，適合于易燃易爆危險(xiǎn)介質(zhì)的測(cè)量。就目前的電容式液位傳感器而言，進(jìn)行液位測(cè)量 時(shí)，必須知道所測(cè)量液體的相對(duì)介電常數(shù)。另外，當(dāng)測(cè)量液體不均勻、相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生變 化或被測(cè)液體改變時(shí)，就必須重新標(biāo)定，因而大大限制了其使用范圍。
超聲波油位傳感器 根據(jù)超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，在液體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被 反射，接收到回波信號(hào)后能得到超聲波傳播時(shí)間。利用其傳播速度和傳播時(shí)間計(jì)算出其傳 播距離，得到液位高度。這種傳感器容易受溫度影響，且價(jià)格較貴。
電阻式油位傳感器 該方法利用電阻率高、溫度系數(shù)大的材料制成的電阻，結(jié)合油位傳感器浮子和在 電阻兩端施加電壓來(lái)檢測(cè)油位的變化。溫度越高，電阻越高。當(dāng)把電阻浸入油液中，溫度下 降，電阻也隨著下降，檢測(cè)出電阻的變化，即可獲得燃油的變化。這種傳感器是在金屬箔上 附著Fe-Ni薄膜電阻，從而制成電熱式油位傳感器。 測(cè)量精度受液體污染情況的影響很大，易產(chǎn)生錯(cuò)誤，且響應(yīng)速度慢。另外，目前所
用的碳膜電阻在汽油中容易發(fā)生腐蝕而導(dǎo)致失效。 光學(xué)油位傳感器 該方法利用光的反射或透射原理，根據(jù)反射或透射光強(qiáng)或光通量的差別進(jìn)行油位 測(cè)量的。由于價(jià)格昂貴，目前尚未廣泛使用。
磁致伸縮式油位傳感器 磁致伸縮液位傳感器是利用材料的磁致伸縮效應(yīng)感受液面浮子的變化，從而達(dá)到 非接觸測(cè)量油位的目的。這種油位傳感器測(cè)量精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安全性好、安裝方便， 還可應(yīng)用于石油、化工等液位測(cè)量領(lǐng)域，因價(jià)格昂貴，目前大多在飛機(jī)油位測(cè)量中應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的不同原理的油箱油液高度傳感器各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種內(nèi)部無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的基于平行平板電容原理的油位高度位置傳感方法及傳感器。
本發(fā)明方法采用了平行平板電容，參見(jiàn)圖l，其原理如下
兩相距D、有效面積為S的兩平行平板電容其容值C為 C = ~^ (1)4成D 其中e-介電常數(shù)
k_絕緣常數(shù) 從式(1)可以看出，如果兩極板的距離D為常數(shù)，介電常量e固定(即兩極板間
的電解質(zhì)材料不變)時(shí)，電容值與有效面積s成正比。 因而，將油位的高度對(duì)應(yīng)成平行平板電容有效面積S的改變，在S改變的同時(shí)，那
么通過(guò)測(cè)量電容的容值與油位高度的關(guān)系就可以獲得油位高度。 基于此，本發(fā)明提出的油位位置傳感方法如下 采用一個(gè)平行平板電容作為測(cè)量電容，該測(cè)量電容是一個(gè)結(jié)構(gòu)固定的平板電容；測(cè)量電容的長(zhǎng)度接近或等于油箱高度，并豎直安裝于油箱內(nèi)。該電容為非密封式結(jié)構(gòu)，與油箱內(nèi)的油液空間相通，油液可進(jìn)入極板之間，油位發(fā)生變化，電容的極板之間的油液高度同時(shí)發(fā)生變化，電容的容值與油液高度呈線性關(guān)系； 采用另一正常工作時(shí)電容值保持不變的平行平板電容作為參考補(bǔ)償電容，其電容值與上述測(cè)量電容能夠達(dá)到的最大電容值相等或成正比例關(guān)系，將該參考補(bǔ)償電容也為非密閉結(jié)構(gòu)，水平安裝在油箱底部，浸泡在油液中，通過(guò)測(cè)量該參考補(bǔ)償電容容值的變化，獲得環(huán)境(例如溫度或不同成分的油液等)對(duì)電容值的改變量； 將測(cè)量電容測(cè)得的電容值與由參考補(bǔ)償電容獲取的環(huán)境對(duì)電容值的改變量經(jīng)過(guò)后端的電路處理，補(bǔ)償溫度及不同油液成分等其它環(huán)境因素對(duì)測(cè)量電容值的影響，獲得精確的測(cè)量電容變化值，通過(guò)測(cè)量電容變化值與油液高度的線性關(guān)系，經(jīng)過(guò)電路處理，即可獲得油液高度值，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)油位測(cè)量。 從本發(fā)明上述描述的方法可知，它采用了開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)固定的平行平板電容，當(dāng)油位發(fā)生改變時(shí)，平行平板電容內(nèi)的油位高度也相應(yīng)發(fā)生改變，如圖2所示，兩極板的相距D，極板寬度W，極板高度L，油液高度Lp油液介電常數(shù)h，空氣介電常數(shù)、，則該平行平板
電容可看做兩個(gè)平行平板電容的并聯(lián)，一個(gè)由油液形成的，另一個(gè)由空氣形成的，則總的電
容值為
<formula>formula see original document page 4</formula> (2)
根據(jù)公式(2)可以看出，電容的容值C:<formula>formula see original document page 4</formula>(3)
其中，<formula>formula see original document page 4</formula> (4)<formula>formula see original document page 4</formula> (5)
當(dāng)結(jié)構(gòu)一定(即極板間距D、寬度W、高度L為常數(shù))、空氣的介電常數(shù)^為常數(shù)、油液的介電常數(shù)e 2為常數(shù)時(shí)，公式4、5中A、B為常數(shù)，即電容值與油液的高度成線性關(guān)系。如圖3中的實(shí)線所示。也即，采用圖2中所示的電容結(jié)構(gòu)制備的固定結(jié)構(gòu)的平板電容，
其容值與油液高度成線性關(guān)系，因而通過(guò)測(cè)量電容的容值就可以測(cè)量油液的高度。 由于電容易受溫度的影B向，而且不同成分油液其相對(duì)介電常數(shù)會(huì)有所不同，且不
同溫度條件下相同油液的節(jié)電常數(shù)也會(huì)發(fā)生改變。因而根據(jù)公式(2) (5)得出的線性關(guān)系會(huì)發(fā)生改變，如圖3中的虛線所示。單純依靠該測(cè)量電容顯然還不能獲得準(zhǔn)確的液位信號(hào)。鑒于此，為了使測(cè)量電容受溫度和環(huán)境等其它因素的影響減少到最小，本發(fā)明人考慮到采用相同材質(zhì)和工藝的電容作為參考補(bǔ)償電容，在工作時(shí)，參考補(bǔ)償電容完全浸泡在油液中，其電容值與測(cè)量電容最大電容值(即油液充滿整個(gè)極板時(shí))相等或成一定比例關(guān)系，參考補(bǔ)償電容和測(cè)量電容處于同一環(huán)境中，通過(guò)測(cè)量該參考補(bǔ)償電容容值的變化，獲得環(huán)境對(duì)電容容值的改變量，即得到圖3中該環(huán)境溫度及介質(zhì)條件下的(^，而空氣的介電常數(shù)不
變，即Cg已知，可計(jì)算得出該條件下的直線斜率；將測(cè)量電容測(cè)得的電容值與由參考補(bǔ)償
電容獲取的環(huán)境對(duì)電容值的改變量經(jīng)過(guò)后端電路處理，即通過(guò)直線斜率即此時(shí)的測(cè)量電容
值，則可獲得油液液位的精確值。如式(6)所示。
<formula>formula see original document page 5</formula>
(6) 式(6)中，n為工作時(shí)參考電容值與測(cè)量電容最大值之間的比例系數(shù)。當(dāng)n = 1時(shí)表示工作時(shí)參考電容值與測(cè)量電容最大值相等。 在上述方法的基礎(chǔ)上，申請(qǐng)人提出了實(shí)現(xiàn)該方法的傳感器在汽車(chē)油位傳感上的一
種具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)測(cè)量電容、 一個(gè)參考補(bǔ)償電容以及處理電路組成。 所述測(cè)量電容為一非密閉結(jié)構(gòu)的平行平板電容，其極板之間是非密封的，可以與
油箱內(nèi)的油液空間相通，其豎直安裝在油箱內(nèi)，油液可進(jìn)入極板之間，油位發(fā)生變化時(shí)，其
容值相應(yīng)發(fā)生改變。 所述參考補(bǔ)償電容也為一非密閉結(jié)構(gòu)的平行平板電容，正常工作時(shí)其電容值與上述測(cè)量電容的最大電容值相等或成正比關(guān)系，該參考補(bǔ)償電容水平安裝于油箱底部，浸泡在油液中； 所述測(cè)量電容和參考補(bǔ)償電容分別通過(guò)信號(hào)輸出線連接處理電路，由處理電路獲得測(cè)量電容和參考補(bǔ)償電容的精確值，處理電路后端連接計(jì)算電路，利用測(cè)量電容變化值與油液高度的線性關(guān)系，計(jì)算獲得油液高度值。
可見(jiàn)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的 首先，它采用平板電容原理實(shí)現(xiàn)油位的傳感，實(shí)現(xiàn)了大范圍下的高分辨率、高精度 第二，它是一種內(nèi)部無(wú)機(jī)械可動(dòng)部件測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量傳感器敏感部件非機(jī)械接觸的特點(diǎn)，有利于延長(zhǎng)傳感器的使用壽命；
第三，它采用參考補(bǔ)償電容進(jìn)行溫度及其它環(huán)境因素對(duì)電容值影響的補(bǔ)償，消除
了環(huán)境等因素的影響，提高了測(cè)量的精確度，實(shí)現(xiàn)了與介質(zhì)無(wú)關(guān)的油位測(cè)量； 第四，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝要求不高，價(jià)格便宜。


圖1是平行平板可調(diào)電容原理示意 圖2是一種油位傳感器的實(shí)現(xiàn)方式；
圖3是油位傳感器的線性關(guān)系 圖4是本傳感器的安裝結(jié)構(gòu)示意 圖5是電容測(cè)量的電路圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容 參見(jiàn)圖4，汽車(chē)油位傳感器由一個(gè)測(cè)量電容1 、一個(gè)參考補(bǔ)償電容2以及處理電路組成。測(cè)量電容1為一平行平板電容，其極板之間是非密封的，與油箱3內(nèi)的油液空間相連通，其長(zhǎng)度接近或等于油箱3高度，豎直安裝在油箱3內(nèi)側(cè)面，油液4可進(jìn)入兩極板之間。參考補(bǔ)償電容2為一正常工作時(shí)電容值不變的平行平板電容，其電容值與上述測(cè)量電容1的最大電容值相等或成一定比例關(guān)系，該參考補(bǔ)償電容2與測(cè)量電容1安裝在同一油箱3中，參考補(bǔ)償電容2水平安裝在油箱3最底部，浸泡在油液4中，參考補(bǔ)償電容2的極板之間也是非密封的。測(cè)量電容1和參考補(bǔ)償電容2分別通過(guò)信號(hào)輸出線連接處理電路，對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理，處理電路輸出到計(jì)算電路從而得到油液的具體高度。 本傳感器采用的處理電路對(duì)測(cè)量信號(hào)的處理可采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以下列舉一種處理電路結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5。圖5中的CAV424是測(cè)量電容的專(zhuān)用芯片，Cxl為被測(cè)電容，Cx2為固定電容。CAV424工作原理是這樣的， 一個(gè)由電容C。sc確定頻率的參考振蕩器控制著二個(gè)相位恒定和周期相同的對(duì)稱構(gòu)造的積分器。這二個(gè)積分器的振幅通過(guò)電容Cxl和Cx2來(lái)確定。比較二個(gè)積分器的電壓振幅差值就可以得出電容Cxl和Cx2的相對(duì)電容變化差值，該差分信號(hào)通過(guò)一個(gè)二級(jí)低通濾波器轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)并經(jīng)過(guò)輸出可調(diào)的差分信號(hào)輸出級(jí)輸出即⑤和⑥之間的VDIFF，即獲得精確的電容值。 兩路V。，所代表的測(cè)量電容及參考補(bǔ)償電容的容值分別連接到A/D采集卡的輸入端，如圖5中所示，A/D的輸出端連接計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)控制A/D卡進(jìn)行采集，即可根據(jù)采集得到的測(cè)量電容值和參考補(bǔ)償電容值及其與液位的關(guān)系計(jì)算得到實(shí)際的液位高度。其中，A/D卡和計(jì)算機(jī)可由能夠達(dá)到類(lèi)似功能的多路A/D轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)組成。
由于本發(fā)明所涉及的電容有兩個(gè)，一個(gè)是測(cè)量電容，另一個(gè)為參考補(bǔ)償電容，因而可以利用2片CAV424分別進(jìn)行這兩個(gè)電容的測(cè)量，獲得精確的電容值后，再依據(jù)公式(6)
即可獲得精確的液位值。
其中C，為測(cè)量電容容值，C參為參考電容容值，C申=~T^。L、W、D分為測(cè)量電
4;±D
容極板長(zhǎng)度、寬度及極板間距，k為油液高度，k為測(cè)量電容電介質(zhì)的絕緣常數(shù)，e工為空氣
的介電常數(shù)，n為工作時(shí)參考電容值與測(cè)量電容最大值之間的比例系數(shù)。
權(quán)利要求
一種汽車(chē)油箱油位傳感方法，其特征在于采用一個(gè)平行平板電容作為測(cè)量電容；所述測(cè)量電容的長(zhǎng)度接近或等于油箱高度，并豎直安裝于油箱內(nèi)；所述測(cè)量電容的極板之間為非密封結(jié)構(gòu)，與油箱內(nèi)的油液空間相通，油箱內(nèi)油位發(fā)生變化，電容內(nèi)的油液高度同時(shí)發(fā)生變化，所述測(cè)量電容的容值與油液高度呈線性關(guān)系；采用另一平行平板電容作為參考補(bǔ)償電容，其電容值與所述測(cè)量電容能夠達(dá)到的最大電容值相等或成正比；將所述參考補(bǔ)償電容水平安裝在油箱底部，浸泡在油液中，通過(guò)測(cè)量所述參考補(bǔ)償電容的容值變化，獲得不同環(huán)境溫度情況下不同成分的油液對(duì)電容值的改變量；將所述測(cè)量電容測(cè)得的電容值與由參考補(bǔ)償電容獲取的環(huán)境溫度及油液對(duì)電容值的改變量經(jīng)過(guò)后端的處理電路處理，補(bǔ)償溫度及不同油液成分這些環(huán)境因素對(duì)測(cè)量電容值的影響，獲得精確的測(cè)量電容變化值，利用測(cè)量電容變化值與油液高度的線性關(guān)系，經(jīng)過(guò)后端的計(jì)算電路處理，即可獲得油液高度值，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)油位測(cè)量。
2. —種汽車(chē)油位傳感器，其特征在于它由一個(gè)測(cè)量電容、一個(gè)參考補(bǔ)償電容以及處 理電路組成；所述測(cè)量電容為一平行平板電容，所述測(cè)量電容的長(zhǎng)度接近或等于油箱高度，并豎直 安裝于油箱內(nèi)，所述測(cè)量電容的極板之間為非密封結(jié)構(gòu)，與油箱內(nèi)的油液空間相通，油箱油 位發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)入測(cè)量電容的極板間的油位高度隨之發(fā)生改變，測(cè)量電容的電容值相應(yīng) 發(fā)生改變；所述參考補(bǔ)償電容為一平行平板電容，非密封結(jié)構(gòu)，正常工作時(shí)其電容值與所述測(cè)量 電容的最大電容值相等或成正比關(guān)系，所述參考補(bǔ)償電容水平安裝于油箱底部，浸泡在油 液中；所述測(cè)量電容和參考補(bǔ)償電容分別通過(guò)信號(hào)輸出線連接處理電路，由處理電路獲得測(cè) 量電容和參考補(bǔ)償電容的精確值，處理電路后端連接計(jì)算電路，利用測(cè)量電容變化值與油 液高度的線性關(guān)系，計(jì)算獲得油液高度值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的汽車(chē)油位傳感器，其特征在于所述處理電路采用兩片電容專(zhuān)用測(cè)試芯片CAV424進(jìn)行電容值的測(cè)試；將兩個(gè)平行平 板電容的初始電容值分別用一個(gè)容值相近的固定電容器代替，連接到CAV424的固定電容 Cxl端，在兩片CAV424的Cx2端分別連接所述測(cè)量電容和參考補(bǔ)償電容，兩片電容專(zhuān)用測(cè)試 芯片CAV424的輸出即代表所述測(cè)量電容和參考補(bǔ)償電容的精確值；所述處理電路后端連接計(jì)算電路，進(jìn)行油液高度的計(jì)算；計(jì)算電路由A/D采集卡與計(jì) 算機(jī)組成，或由A/D轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)組成；處理電路中兩片CAV424的輸出分別連接到A/ D采集卡或A/D轉(zhuǎn)換芯片，計(jì)算機(jī)或單片機(jī)即根據(jù)A/D采集得到的測(cè)量電容值和參考補(bǔ)償電 容值及其與液位的關(guān)系計(jì)算得到實(shí)際的液位高度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種汽車(chē)油箱油位傳感方法，采用兩個(gè)平行平板電容分別作為測(cè)量電容和參考補(bǔ)償電容，測(cè)量電容高度接近或等于油箱高度，豎直安裝在油箱內(nèi)，參考補(bǔ)償電容水平安裝在油箱底部，浸泡在油液中。兩個(gè)電容均為開(kāi)放式，當(dāng)油箱中油位高度發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)入測(cè)量電容的油液高度隨之發(fā)生變化，其電容值相應(yīng)發(fā)生變化，參考補(bǔ)償電容電容值不會(huì)隨液位變化而發(fā)生改變。由參考補(bǔ)償電容對(duì)測(cè)量電容進(jìn)行補(bǔ)償，獲得精確的測(cè)量電容變化值，通過(guò)測(cè)量電容變化值與油液高度的線性關(guān)系，經(jīng)過(guò)電路處理，即可獲得油箱液位高度的精確值，實(shí)現(xiàn)油位的測(cè)量。本發(fā)明由于采用了參考補(bǔ)償電容，實(shí)現(xiàn)了不同環(huán)境下與介質(zhì)無(wú)關(guān)的油位測(cè)量，所使用的傳感器耐腐蝕，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝要求不高，價(jià)格便宜。
文檔編號(hào)G01F23/26GK101709988SQ200910191849
公開(kāi)日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者昝昕武 申請(qǐng)人:昝昕武