一种新型电容式燃油传感器

邱淑贤, 高 旭

(1.四平职业大学电子信息系,吉林四平 136002;2.吉林大学通信工程学院,吉林长春 130012)

0 引 言

汽车用燃油传感器的主要作用是动态测量燃油余量。目前多采用摆杆式浮子结构[1],随燃油液位的变化而在厚膜电阻器上切换不同的阻值输出,实现剩余燃油的采样测量。由于这种结构的传感器输出信号主要是通过滑动接触片的位移切换不同位置对应的电阻值,就形成了输出电阻的阶跃性变化。同时,由于厚膜电阻器需长时间浸泡在燃油介质中,这会导致其表面切换的滑动接触部分接触电阻值逐渐增大,致使采样信号严重偏离实际值,油量表指示失准。正是现有的产品结构存在这种固有的缺陷会引起测量误差,并直接影响使用寿命,使得该器件已成为汽车中高故障零件。

基于这样的市场应用背景,文中提出了一种基于燃油作为电容介质的变介电常数的电容式传感器,充分利用电容式传感器测量精度高、响应速度快的优点,利用燃油介质液面的变化,改变电容传感器的电容量,从而实现间接测量燃油液面高度的测量方法。

1 基本原理

电容传感器的基本工作原理是基于被测物理量的变化可以转换为电容量变化的特点[2],由物理学可知,电容器的电容量是构成电容器的两极片形状、大小、相互位置及电介质介电常数的函数。以平行板电容器为例,如果不考虑边缘效应,其电容量为[3]:

式中 :ε——电容传感器介质的介电常数,F/m;

S——极板的面积,m2;

δ——极板间的距离,m。

如果保持δ,S或ε中两个参数不变,而仅改变另一个参数,就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化,再通过配套测量电路,将电容量的变化转化为电信号输出,这就是电容式传感器的基本工作原理。

文中选用的是变介电常数的电容式液位传感器,其基本结构如图1所示。

图1 变介电常数燃油传感器结构

变介电常数燃油传感器为筒式结构的电容器,主要由两个直径分别为D和d的圆筒构成,内筒的外侧和外筒的内侧均适当进行绝缘处理。当其浸入被测量的燃油液体中时,两圆筒构成了电容的两极板,其间的介质主要是由空气和燃油液体构成。由于燃油液体将发生变化,从而导致电容器的电容量也将发生变化。

在空载状态下,电容量将主要由空气介质构成,此刻电容量最小为:

在满载状态下,电容量将主要由燃油介质构成,此刻电容量最大为:

当燃油介于空载和满载之间时,电容量如下:

ε1空气介质的介电常数;

ε2被测量的燃油介质的介电常数。

当传感器的外形尺寸和被测量的燃油介质确定后 ,则 D,d,L,ε1,ε2 均为常数量,由电容量 C的公式可知,传感器输出的电容量C与液面高度H成线性比例关系[4]。

2 变介电常数电容式燃油传感器在汽车燃油测量中的应用

汽车燃油传感器的主要作用是动态测量燃油余量。目前多采用摆杆式浮子结构[1],随燃油液位的变化而在厚膜电阻器上切换不同的阻值输出,实现剩余燃油的采样测量。由于厚膜电阻器的输出为不连续的分段式输出,信号采样的不连续性决定了汽车燃油的测量是阶跃式输出。正是现有的厚膜电阻结构存在这种固有的缺陷总是会引起测量误差。同时,由于厚膜电阻器需长时间浸泡在燃油介质中,这会导致其表面切换的滑动接触部分接触电阻值逐渐增大,致使采样信号严重偏离实际值,油量表指示失准。

电容式燃油传感器的测量可同时解决传统产品的缺陷,既可提高产品的测量精度,同时也可解决长时间使用后的采样失准问题。

测量主要是利用汽车燃油液面的高度变化来改变变介电常数电容式燃油传感器的电容值,利用C-V变换电路将电容的变化信号转换为电压信号输出,再通过汽车仪表采样电路A/D转换[5],实现模拟信号转为数字信号,作为仪表指示电路的采样数字信号输入,实现对燃油油量的测量[6]。

主要测量工作原理框图如图2所示。

图2 测量系统工作原理框图

3 实验测试数据

利用图1变介电常数燃油传感器结构,内棒采用不锈钢棒直径,d=5 mm,外筒采用耐油绝缘的聚四氟乙烯制成的注塑件外径,D=10 mm,电容器电极高度L=1 m,被测量的液体汽油的介电常数 ε1=1.9,空气的介电常数 ε2=1.000585,C/V转换器选用CAV424电容式信号转换比例电压输出接口集成电路,其输出电压可作为传感器的采样输入电压,直接输入给汽车仪表驱动指示。

根据图2测试原理,通过对检测电路调零、校准后,在加注煤油的条件下,测试不同液位,对应的采样输出电压值Vout见表1。

表1 不同液位时的输出电压值

从表1可以看出,最大测量误差为1.16%,完全满足产品±2%的设计要求。

4 结 语

文中研究的电容式液位测量传感器与传统的产品相比,具有结构简单、成本低[7]、漂移小、性能稳定等特点。实验产品已通过客户的鉴定,其在各种车载环境下,均能可靠工作。同时,通过采用外筒上限流孔及后续电路的处理等技术措施,提高了测量的抗干扰能力,可适应于各类汽车燃油油量的测量,作为汽车控制系统的燃油采样传感器,可完全满足汽车行业标准的要求。

本产品的技术创新点在于:

1)与传统结构的燃油传感器相比,文中研究的产品在采样方式上改变了传统的分段采样,线性模拟[8]方式具有测试信号连续线性采样,测试精度高等优点。

2)在采样介质的变化上,通过采用外筒限流孔的技术,有效减缓了由于车载状态急剧变化带来的燃油信号波动对采样信号的影响。

[1]张淑英.传感器原理及应用[M].3版.天津:天津大学出版社,2007.

[2]朱蕴璞,孔德仁.传感器原理及应用[M].北京:国防工业出版社,2005.

[3]藏宁,盖娜.变介电常数电容传感器的原理及应用[J].沈阳航空工业学院学报,2007,24(5):79-80.

[4]杨三序.基于四相检测技术的微电容工业传感器[J].传感器技术,2003,22(10):13-15.

[5]李晓明,蔡忠春,蒋宁.航空发动机转速信号检测[J].长春工业大学学报:自然科学版,2007,28(2):220-223.

[6]白琨.直筒式汽车燃油传感器的应用与研究[J].新技术新工艺,2009(5):70-71.

[7]招惠玲,周美娟,胡远忠.电容式液位测量系统设计[J].传感器技术,2004,23(3):40-42.

[8]董辉.汽车用传感器[M].北京:北京理工大学出版社,2000.