新型數(shù)字電容式液位傳感器

摘要 介紹了一種用于測(cè)量汽車油箱液位的技術(shù)，利用電容量隨極板間介質(zhì)變化的原理，以液晶顯示的方式顯示油箱剩余燃油量和箱內(nèi)溫度。用于信號(hào)采集的電容探頭具有自動(dòng)補(bǔ)償功能，確保測(cè)量結(jié)果不受溫度和雜質(zhì)的影響。電容信號(hào)檢測(cè)使用高集成的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，提高了測(cè)量精度。信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)易于和車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成，顯示結(jié)果準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)。
關(guān)鍵詞 油箱液位；電容探頭；自動(dòng)補(bǔ)償；電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

隨著汽車工業(yè)和電子技術(shù)的發(fā)展，汽車電子化程度日益提高，各種機(jī)械式部件逐漸被電子產(chǎn)品替代，為人們提供了更加便捷、舒適的行車環(huán)境。為了適應(yīng)機(jī)電一體化發(fā)展，本文闡述了一種數(shù)字電容式液位傳感器，替代傳統(tǒng)投入浮子式油箱液位傳感器。利用電容量隨電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)變化這一原理，通過(guò)測(cè)量變化的電容量得到剩余燃油量，同時(shí)監(jiān)控油箱內(nèi)部的溫度。測(cè)量結(jié)果不但可以通過(guò)LCD顯示，而且能夠和行車速率等信息一起傳給車載ECU，計(jì)算汽車的續(xù)航里程數(shù)。傳感器主體由電容探頭、信號(hào)采集和處理電路、信號(hào)傳輸電路和信號(hào)顯示電路4部分組成。數(shù)字電容式液位傳感器帶自補(bǔ)償功能，消除了溫度和燃油雜質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，無(wú)可動(dòng)部件的設(shè)計(jì)增加了它的使用壽命，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)。

1 傳感器探頭設(shè)計(jì)
河流、水庫(kù)或者容器中液體的液位，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)浸在液體的兩極板之間的電容值得到。以轎車油箱為例，為了有更大的儲(chǔ)油空間，通常使用吹塑加工得到一個(gè)異形的油箱。不規(guī)則的形狀雖然給測(cè)量增加了難度，但油箱內(nèi)部各個(gè)液位高度和容積是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，獲取實(shí)時(shí)的燃油高度，即可以得到此高度下的剩余燃油量。對(duì)于導(dǎo)電液體，為了避免短路，兩極板至少有一個(gè)需要絕緣，對(duì)于非導(dǎo)電液體，極板不需要絕緣。汽車行駛所用的燃油是不導(dǎo)電的液體混合物，可以用兩個(gè)金屬極板作為電容的電極。
電容量和極板的正對(duì)面積，間距和極板間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，當(dāng)其中兩個(gè)量保持不變，第3個(gè)量發(fā)生變化時(shí)，電容值隨之變化?；谶@一原理，研制出了數(shù)字電容式液位傳感器。電容探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，金屬極板A和極板B平行正對(duì)組成一對(duì)電容器，金屬極板A和極板C平行正對(duì)組成第二對(duì)電容器，極板B和極板C之間的空隙很小，可忽略不計(jì)。如圖2所示，測(cè)量汽車油箱的剩余油量時(shí)，電容探頭豎直地安裝在油箱中。極板B和極板C共用極板A，因此，設(shè)極板A和極板B之間產(chǎn)生的電容為測(cè)量電容c1，極板A和極板C之間產(chǎn)生的電容為參考電容c2。

εr表示燃油的相對(duì)介電常數(shù)；ε0表示常溫下空氣的介電常數(shù)；d表示兩極板之間的間距；L和L2分別表示極板B和極板C的長(zhǎng)度；極板A、B和C的寬度都為W。