电容式油量表设计

毛敏

（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安，710300）

0 引言

在行驶过程中，及时了解油箱中的油量，对于行驶安全，有着重要意义。目前，普遍采用两种方法来测量油箱中的油量。一种是电阻式油量表，油箱内的浮球通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。另一种是机电式油量表，它利用电容器将油面的高低转换为电容量的大小。

1 电容传感器工作原理

1.1 工作原理

电容传感器的电容为

式中，A——两极板相互遮盖的有效面积（m2）；d——两极板间的距离，也称为极距（m）；ε——两极板间介质的介电常数（F/m）；εr——两极板间介质的相对介电常数；ε0——真空介电常数。

1.2 电容与液面高度

图1 同轴内外金属管式电容传感器

当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引起两电极间不同介电常数介质（上半部分为空气，下半部分为液体）的高度变化，从而导致总的电容量的变化。

电容Ch与液面高度h(从管状电极底部算起)的关系式为：

式中，h1:电容器极板高度；r：内圆管状电极的外半径；R：外圆管状电极的内半径；h：不考虑安装高度时的液位；ε0：真空介电常数（空气的介电常数与之相近）；εr1：被测液体的相对介电常数；ε1：被测液体的介电常数；ε1=εr1ε0。

2 油量表设计

电容传感器采用桥式测量电路，电容式油量表如图2所示。

图2 电容式油量表

桥式测量电路中，电桥平衡时满足：

当油箱中无油时，电容传感器的电容Cx为最小值Cx0，调节匹配电容使C0=Cx0，R3=R4，Rp=0，电位器的滑动臂位于0点，这时，电桥满足平衡条件，输出为零。伺服电动机、减速箱不工作，油量指针偏转角θ=0。

当油箱中注入油，油位上升至h处，Cx=Cx0+ΔCx，ΔCx与h成正比，电桥失去平衡，电桥的输出电压Uo经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后，带动指针顺时针偏转，同时带动RP的滑动臂向c点移动，从而使RP的阻值增大，R3+RP也随之增大。当RP阻值达到一定值时，(Cx0+ΔCx)/C0=(R3+RP)/R4，电桥又达到新的平衡状态，Uo再次等于零，于是伺服电动机停止转动，指针停留在转角为θh处。

当油位降低时，Cx=Cx0-ΔCx，电桥失去平衡，电桥的输出电压Uo经放大后驱动伺服电动机，减速箱减速，指针逆时针偏转，带动RP的滑动臂向o点移动，从而使RP的阻值减小，R3+RP也随之减小。当RP阻值达到某一数值时,电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机再次停转,指针停留在与该液位相对应的转角θ处。

指针及可变电阻的滑动臂同时被伺服电动机带动，RP的阻值与θ存在确定的对应关系，θ正比于RP的阻值，RP的阻值正比于液位高度h，液位高度h正比于容量，通过计算可直接从刻度盘上读出油箱油量。

3 测试结果

为了验证系统的正确性，把确定体积的汽油倒入油箱中，油量表指针转动，最后停留在相对应的油量处。