基于磁致伸缩原理的汽车油量仪的设计

付永庆，杨佳彬

哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨150001

基于磁致伸缩原理的汽车油量仪的设计

付永庆，杨佳彬

哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨150001

为提高汽车油量测量精度，设计了一种基于磁致伸缩原理的新型数字化汽车油量仪。具体介绍了脉冲功率放大、回波信号放大与整形、高精度时间测量以及CAN输出接口等电路模块。讨论了环境温度测量误差和液位测量波动误差的分析与校正，从而大大提高了油量仪的测量精度及环境适应能力。通过实验数据表明，该设计满足高精度汽车油量测量的要求，为油量仪的产品化生产奠定了基础。

磁致伸缩;液位测量;传感器;时间测量;温度补偿

网络出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20150730.0847.001.html

目前油量测量的方法有很多，比如超声波式、雷达式、电容式、光电式、液压式、热学式，但大部分汽车油量测量依然使用比较传统的浮子式电位计测量法，这种测量手段存在精度低、故障率高等弊端［1］。为了解决这一难题，本文提出一种基于磁致伸缩原理的汽车油量测量系统，它利用材料的磁致伸缩效应对油箱油位进行非接触式测量，具有测量精度高、抗干扰能力强、故障率低、安装简便等优点。特别适合高精度汽车油量仪的应用场合。

1　磁致伸缩液位传感器的测量原理及结构

1.1磁致伸缩原理

磁致伸缩液位传感器的测量机理源于材料的磁致伸缩特性。铁磁材料在外磁场作用下，材料内部方向任意的磁畴将发生旋转，旋转至与外磁场方向一致，使其长度或体积发生微小变化，这一现象称为磁致伸缩效应［2］。当然也存在磁致伸缩逆效应，即当材料受到压力或拉力作用时，材料内部的磁化状态也随之改变。但磁致伸缩效应及其逆效应有多种表现形式，磁致伸缩液位传感器主要应用其中的维德曼效应及其逆效应取得传感器信号。维德曼效应是指当磁致伸缩材料同时受到轴向磁场和纵向磁场磁化时发生扭转从而产生扭转波的现象，这是测量信号的激发基础;维德曼逆效应，也称维拉里效应，是指磁致伸缩材料由于扭转导致周围磁场变化的现象，这是信号接收的基础［3］。磁致伸缩原理并不复杂，但由于磁致伸缩量特别微小，一般的铁镍合金只有30×10－6，即使应用新型超稀土材料，磁致伸缩量也不过1 000×10－6，所以对硬件接收电路具有很高的要求。

1.2油量传感器测量原理及结构

磁致伸缩液位传感器是综合应用磁致伸缩效应、浮力原理、电磁感应理论和电子技术等综合技术的高技术产品［4］。它主要由波导管、非接触磁环、应变脉冲拾取器和电子电路所组成，其结构如图1所示。

图1　磁致伸缩液位传感器结构

工作时，由电子电路向磁致伸缩波导丝发送一起始脉冲，与此同时将在波导丝周围产生与波导丝垂直的环形磁场，二者沿着波导丝以光速向尾端传播。不锈钢外管上套有内置永久磁铁的浮子随液面上下浮动，同时产生一轴向磁场。当两磁场相交时，产生一螺旋磁场，根据维德曼原理，螺旋磁场在此处激发一扭转波，扭转波以超声波速沿着波导丝向两端传播。当扭转波传播到波导丝尾部时被阻尼元件吸收，当扭转波传播回顶部时，被磁致伸缩换能器接收，转换为传感器的终止脉冲。由于波导丝的材质是一定的，所以扭转波的传播速度也是一定的［5］。因此通过测量起始脉冲与终止脉冲的时间差t，再乘以扭转波速v就可得到被测液面的高度d，即

根据磁致伸缩原理，可将传统的浮子接触式液位测量转变为非接触式液位测量。而现在影响测量精度的主要因素是扭转波的传播速度和计时精度。

2　传感器电路设计

磁致伸缩液位传感器电路原理如图2所示，微控制器通过端口产生起始脉冲，经功率放大电路驱动波导丝，换能器用于接收到磁致伸缩效应产生的微弱回波信号，信号强度一般在2 mV左右，因此需通过放大和整形电路处理才能形成终止脉冲。高精度计时电路用于计算起始脉冲与终止脉冲之间的时间差，微处理器负责按式(1)接触液位的高度［6］。由于测量过程是连续的，所以磁浮子的位置信息能被实时地检测出来，并且输出端数据能以各种便利的接口形式给出，例如以CAN数据的形式输出［7］。

图2　磁致伸缩液位传感器结构

2.1脉冲功率放大电路

根据磁致伸缩效应，对施加于波导丝的激励脉冲有严格的要求。首先为了保证磁致伸缩效应显著，就必须要有足够强的环形磁场，因此激励脉冲电流一定要大，因为波导丝的低阻特性，应对起始脉冲进行功率放大;其次为了获得较好的回波信号，脉冲宽度亦不能太大，应保证在微秒级，同时脉冲要有较好的矩形系数，即上升时间和下降时间要尽量短;最后还要根据传感器的量程以及扭转波速对脉冲设置合适的周期，以保证其扭转波在波导丝中有最长的传播时间，但周期也不宜过长，否则会影响传感器的刷新时间。

本设计利用微处理器一根端口线产生一周期为10 ms、脉宽为5 μs的起始脉冲，其上升和下降时间均为100 ns左右。由于微控制器的驱动能力有限，必须对其进行功率放大。考虑到激励脉冲的电流要求，本文采用IRF840场效应管对起始脉冲进行功率放大，IRF840最大耐压值为500 V最大电流值为8 A。通过功率放大得到一幅值为7.5 V，电压脉冲信号，将其加载到长为500 mm的波导丝(阻值约为2.8 Ω左右)的发射端。波导丝中传播的激励脉冲电流强度超过2.5 A，完全满足上述激励脉冲要求。

2.2信号整形电路

信号检测装置模型如图1中应变脉冲拾取器，磁致伸缩应变片与波导丝材质相同，二者刚性连接，并在应变片上缠绕线圈，根据维拉利效应与法拉第电磁感应原理来检测回波信号。由于感应波信号大约只有2 mV，并且还含有杂波干扰，所以必须进行滤波，放大处理，考虑到感应波的特点，本文采用AD620仪表放大器对其进行放大，AD620不但拥有较高共模抑制比及增益带宽积而且放大倍数大，完全有能力将信号放大到2 V左右甚至更高［8］

图3是起始脉冲与经放大处理后的回波信号的对比图，前一脉冲为感应到的激励脉冲，中间为有用的回波。由图可以看出，经放大处理后的波形幅值已经达到2 V左右，切回波信号干扰噪声较少，完全满足后继电路处理要求。

图3　经放大得到的回波信号

回波信号送入时间测量电路前，还需要对其进行电平比较，得到终止脉冲后才能送入后继的高精度时间测量电路。

2.3高精度时间测量

由于磁致伸缩油箱液位传感器是通过检测起始脉冲与终止脉冲之间的时间差来确定液位高度的，所以高精度时间测量是传感器测量精度的基础。由于微处理器的工作频率只有12 MHz，无法满足高精度时间测量的要求，所以本设计采用高精度计时芯片TDC-PG2对时间进行高精度测量。TDC-GP2是ACAM公司高精度时间测量芯片。其时间分辨率可以达到50 ps，远远超过了目前磁致伸缩液位传感器对时间测量精度的要求。TDC-GP2可以进行三次采样，平均电流消耗为15μA，测量范围为500 ns～4 ms，完全满足设计要求。TDC提供了精准的脉冲使能窗口，并具有高速脉冲发生器、温度测量和时钟控制功能［9］。

图4 TDC-GP1时间测量原理

数字TDC是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。TDC的高速单元并不测量整个时间间隔，仅仅测量从START或STOP信号到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间。在两次精密测量之间，TDC记下基准时钟的周期数。

由图4可以清晰得出时间测量公式为

式中: CC为基准时钟在相应区间内测量而得到的时间，Fc1和Fc2为TDC在相应区间内测得的通过门电路的个数，并记录在内部寄存器中。在测量过程中必须对TDC内部进行校准，即记录在一个和两个基准时钟周期内通过的门电路的个数用Cal1和Cal2表示。Tref为基准时钟周期，测量结果存储在内部的32位寄存器中［10］。

2.4输出接口电路

为便于车载系统应用，本设计提供了CAN总线接口用于对外输出油箱液位信息。设计中采用MCP2515作为CAN总线控制器，TJA1050作为CAN总线收发器，允许通过程序设置CAN总线波特率，支持以传统模式或高速模式向外发送油箱液位测量数据，具有较强环境适应性，完全满足与车载驾控仪表接口的应用要求。

3　软件设置

3.1信号处理部分软件设置

TDC与MCP2515都是通过SPI硬件与微处理器进行通信的，并且二者供电电源皆可以选择3.3 V低电源供电，TDC-GP2程序流程如图5所示。

图5 TDC-GP2程序流程

图5中，系统上电，硬件复位。首先对芯片软件复位，接下来对GP2进行配置寄存器设置以及初始化，确定选择的测量范围，Hit次数，发送0X70等待起始与终止信号，当满足中断条件时，GP2产生中断信号，微处理器通过检测该信号来判读是否存在溢出中断并进行数据读取，并判断是否为单点测量，如果是多点测量必须要重新向配置寄存器写入数据来读取其他测量值。

需要说明的是GP2的SPI工作在Model1模式，且需每次读写序列之间要保持SSN至少50 ns高电平。每次对TDC-GP2初始化之前都要对其进行复位，首先对其进行硬件复位再进行软件复位，硬件复位时间必须大于50 ns。然后根据测量模式及具体要求对内部寄存器Reg0～Reg5进行配置，此时要注意关闭移相单元与噪声单元，否则将导致测量失败。不能对寄存器进行连续读写操作，每一个寄存器必须单独寻址。为此给出部分关键程序代码如下:

3.2数字滤波算法

由于环境干扰对TDC-GP2和其他电子部件的影响以及汽车行驶过程中油面晃动对测量读数的影响，会造成液位测量读数波动，故本设计采用数字滤波法来提高液位传感器的稳定性。经过与其他数字滤波法进行比较发现，本文采用的改进的平均滤波法，具有稳定性高，反应速度快等优点，完全适用于汽车油位测量。

数字滤波算法流程如图6所示。

图6　数字滤波程序流程

根据大量实验结果表明，环境干扰产生的错误时间的发生概率小于10%，而且错误多为检测到了错误的感应脉冲，这样造成的测量错误最多为140 μs，所以每次开始都先取10次的测量结果的平均值为一门限，如果这10次测量中没有错误则得到的为正确结果，如果里面出现了2次错误结果，经过平均以后结果也只比准确结果大28 μs左右。接下来的测量结果一次与此门限进行对比，如果二者差的绝对值大于40 μs则认为由于干扰产生了错误;如果小于40 μs则认为检测到了正确的结果。最后完成所有测量并对其做平均算法得到最终结果。这种算法不但可以有效抑制由于干扰引起的错误，而且对汽车行驶时油面晃动也可以起到积极作用，大大消弱了输出读数的波动。

4　温度对测量精度的影响及补偿方法

由于燃油密度会随着环境温度变化而改变，而浮子在燃油中浸没高度又会随着密度的变化而变化，这就必定给测量结果带来一定影响，必须加以修正［11］。

设浮子浸入燃油的高度为h，浮子浸入燃油高度变化为Δh，燃油密度为ρ，燃油密度变化为Δρ，利用阿基米德原理得知:

式中:负号表示浮子进入燃油的高度随密度增加而减小。

通常采用温度补偿算法来修正此误差，定义环境温度为20℃时的燃油密度为标准密度，用d20表示，温度为t时密度用dt表示。二者关系如下

式中α为修正系数。在无法直接测量燃油密度的情况下，通过测量燃油温度来估算出燃油密度，用程序按照式(2)求出浮子在燃油中进入的高度，从而实现温度补偿。此外，尽量减小浮子重量也可以减小温度对测量精度的影响［12］。

5　结束语

本设计将磁致伸缩技术应用到汽车油量测量中，提供了相应的软硬件设计方法，通过实验数据比对知，其油位测量精度可达到微米级，且本设计成本低廉。因其具有高精度测量和低故障率的特性，将其用于汽车油位测量领域具有绝对技术优势及广阔的市场应用前景。

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Design of auto oil measuring instrument based on the magnetostrictive principle

FU Yongqing，YANG Jiabin

College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

In order to improve the precision of auto oil measurement，a new digital automobile oil measuring instrument based on the magnetostrictive principle is designed.It includes power amplifier circuit，signal amplification and shaping circuit，high-precision time measuring circuit and CAN bus interface circuit.The measuring error caused by environmental temperature change is analyzed and corrected to improve the precision，which greatly improves the measuring accuracy and environment adaptability of the instrument.The signal waveform and measurement data of each module test show that this scheme can meet the requirements of high precision auto oil measurement，laying the foundation for the production of the oil measuring instrument.

magnetostrictive principle; liquid level measurement; sensor; time measuring; temperature compensation

TH816

A

1009-671X(2015) 04-048-05

10.3969/j.issn.1009-671X.201411013

2014-11-21.网络出版日期: 2015-07-30.

付永庆(1956-)，男，教授，博士生导师.

杨佳彬，E-mail: yang04508214@163.com.