基于电容式传感器的嵌入式油箱测量系统研究

91515部队 邱洪亮 吴克雄

本文提出一种基于电容式传感器的油箱测量系统，主要利用传感器探测由于邮箱液面改变而带来的电容差异，设计了基于嵌入式芯片的油量测量及监控系统。从研究油箱容量检测原理入手，根据应用场景进行了特殊的硬件平台设计，并优化了系统的软件系统。本测量系统设计紧凑、易于实现，可以满足测量准确度，系统工作稳定性高。

当前交通工具的油箱油量检测中，电容式传感器是常用的解决方案之一。利用电容传感器设计模拟电路，实现油箱内中剩余油量的测量，其主要原理是将油箱视为一个规则的圆柱形容器，并将此容器中液体的体积变化转化为电容的变化，进而使用电压来量化电容的变化量。经过对电压的信号调理及放大，获得可以被处理的电压变化数据。该方法响应速度慢，检测准确度低。

因此针对此问题，本文提出一种基于嵌入式平台的油箱液面检测系统，借助于嵌入式主控芯片的高采样率和强大计算能力，优化传统电容式传感器的测量缺陷，能够提供高实时性的剩余油量检测信息。

1 电容式传感器的基本原理

传统的电容传感器基本工作原理是将油箱类比为圆柱形，利用圆环结构构成电容器(实际应用中油箱形状多为不规则状)，此处电容极板的全长为H，外侧极板的半径为r2，当H>>r2时，可以获得式(1)如下：

式中：C0被设定为油箱空置时的电容数值；ε0是标准介电常数；r1是内侧极板的测量半径。

在使用电容检测燃油液面高度时，由于重力因素往往油箱的上半部分为空气(夹杂有部分燃油蒸汽，按照空气处理)，油箱的下半部分填充了燃油。因此，此时油箱整体的电容可以看为上、下部分电容的并联，见式(2)：

式中：ε油和ε气被设定为燃油、空气的介质介电常数；h为油箱中燃油在测量电容中对应的高度值；ΔC是为油箱加注燃油后产生的电容增量。

在式(2)的推导过程中，可以看出变量仅为H和h，当油箱尺寸、所使用固定后，其他数值均为常量，并使得燃油增量ΔC≥0恒成立，同时燃油增量的数值也与实际燃油液面高度呈现正比关系，由此，可以将燃油液面高度的变化转变为电容的变化，实现对于油箱中燃料剩余量的测量。

2 检测系统硬件设计

在如今的交通工具燃油测量系统中，常见的燃油显示方式有两种，分别是模拟指针式和数值(数字)显示式。两种显示方式各有利弊，其中模拟指针式结构简单，制造成本低，但是指示精度较低，指针容易受到震动等环境因素的影响而产生波动；而数字显示型，依赖于嵌入式平台的A/D转换，可以精确地显示油量变化，但对芯片的采样能力和处理能力有一定的要求。

本文借助嵌入式主控芯片的强大处理能力，可以实现数字式显示油量，但考虑到系统的适用性及不同的应用需求，同时设计了模拟及数字两种油箱油量显示模式，整体原理框图见图1。

图1 油量检测系统整体框图

信号采集及调理通过上述的电压式传感器原理实现。传感器将油箱剩余油量信息转化为电压后输出，输出的电压信号较为微弱，且带有较多的干扰信号，需要对信号进行调理和放大。在本文中借助集成运算放大器芯片实现对于信号的调理和放大。首先设定Cx为传感器的输出电容信号，Ui代表输入端的电压值，Uo代表输出端的电压值，Ii代表输入电流，I0为空载电流，Ix为传感器电流，以上各变量可以由式(3)表示其相互关系：

对式(3)进行求解及化简可得式(4)：

在获取输出电压后，将其传送给嵌入式主控模块，进行信号的计算和处理。

3 软件设计

为了提高编程效率，本文采用keil系列嵌入式开发环境进行编程和编译，使用高级编程语言可以有效提高程序可读性及扩展性。

油量计算程序主要完成传感器对信号的采集，对信号的转化及处理，并将模拟信号转变为数字信号，对其进行计算等一系列过程。通过前面一节中的计算公式，可以获得油量的计算数值，然而实际应用中油量的计算要考虑多种环境因素的影响。例如，交通工具的工况变化、环境温度的变化等。当环境温度变化时，介电常数会随之变化，此时要根据温度变化改变传感器的标定数据集；当运行工况变化时，油箱内液面可能会改变角度、震荡等，此时会引起传感器的检测误差，需要监测加速度计、水平仪等信号，对油量计算进行修正。

结论：本文主要分析了传统电容传感器的工作过程，并在其基本原理的基础上提出了改进其检测实时性差、误差高的方法。采用嵌入式MCU可以有效地提升油量测试系统对于实际应用环境的适应能力，并提供准确的测量数据。与此同时，测量系统本身提供的自检模块可以有效地提高系统工作稳定性和可靠性。次测量系统机构紧凑，成本低，相应快，适合于工业化生产及大批量生产应用。