專利名稱：一種分段電容數(shù)字式汽車油位傳感方法及傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于液位高度傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及對(duì)汽車油箱油液高度的傳感技術(shù)。
背景技術(shù)：
汽車油位傳感器可用于檢測燃油油箱中的油量、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油油量及剎車油箱油 量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油不足時(shí)，該傳感器及時(shí)感測這種狀況并立即發(fā)送電信號(hào)給ECU， ECU則啟 動(dòng)警告系統(tǒng)，點(diǎn)亮警告燈或者發(fā)出警告聲響，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在潤滑不良的狀況下繼續(xù)工作，從 而有效防止發(fā)動(dòng)機(jī)損壞；當(dāng)燃油油量不足時(shí)，提醒駕駛?cè)藛T加油，避免由于燃油不足造成汽 車半途拋錨；當(dāng)剎車油量不足時(shí)，ECU啟動(dòng)警告系統(tǒng)，點(diǎn)亮警告燈或者發(fā)出警告聲響，避免 汽車發(fā)生剎車不靈等緊急事故。 目前常用的油位位置傳感器按照原理可以分為，電容式油位傳感器、超聲波油位 傳感器、電阻式油位傳感器、光學(xué)油位傳感器以及磁致伸縮式油位傳感器等類型。這些類型 的傳感器各自的優(yōu)缺點(diǎn)如下
電容式油位傳感器 這種液位傳感器結(jié)構(gòu)簡單，可靠性很高；探頭耐高溫和高壓，現(xiàn)場適應(yīng)面寬；耗電 極低，適合于易燃易爆危險(xiǎn)介質(zhì)的測量。就目前的電容式液位傳感器而言，進(jìn)行液位測量 時(shí)，必須知道所測量液體的相對(duì)介電常數(shù)。另外，當(dāng)測量液體不均勻、相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生變 化或被測液體改變時(shí)，就必須重新標(biāo)定，因而大大限制了其使用范圍。
超聲波油位傳感器 根據(jù)超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，在液體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被 反射，接收到回波信號(hào)后能得到超聲波傳播時(shí)間。利用其傳播速度和傳播時(shí)間計(jì)算出其傳 播距離，得到液位高度。這種傳感器容易受溫度影響，且價(jià)格較貴。
電阻式油位傳感器 該方法利用電阻率高、溫度系數(shù)大的材料制成的電阻，結(jié)合油位傳感器浮子和在 電阻兩端施加電壓來檢測油位的變化。溫度越高，電阻越高。當(dāng)把電阻浸入油液中，溫度下 降，電阻也隨著下降，檢測出電阻的變化，即可獲得燃油的變化。這種傳感器是在金屬箔上 附著Fe-Ni薄膜電阻，從而制成電熱式油位傳感器。 測量精度受液體污染情況的影響很大，易產(chǎn)生錯(cuò)誤，且響應(yīng)速度慢。另外，目前所
用的碳膜電阻在汽油中容易發(fā)生腐蝕而導(dǎo)致失效。 光學(xué)油位傳感器 該方法利用光的反射或透射原理，根據(jù)反射或透射光強(qiáng)或光通量的差別進(jìn)行油位 測量的。由于價(jià)格昂貴，目前尚未廣泛使用。
磁致伸縮式油位傳感器 磁致伸縮液位傳感器是利用材料的磁致伸縮效應(yīng)感受液面浮子的變化，從而達(dá)到 非接觸測量油位的目的。這種油位傳感器測量精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安全性好、安裝方便， 還可應(yīng)用于石油、化工等液位測量領(lǐng)域，因價(jià)格昂貴，目前大多在飛機(jī)油位測量中應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)目前現(xiàn)有技術(shù)中不同原理的油箱油液高度傳感器各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出 一種內(nèi)部無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的基于平行平板電容原理的分段電容數(shù)字式汽車油位傳感方法 及傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)油位高度的測量。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 —種分段電容數(shù)字式汽車油位傳感方法，其采用在測量高度上等間距布置的多組 初始電容值相等或相近的平行平板電容作為測量組件，整個(gè)測量組件的高度接近或等于油 箱高度，所述測量組件為非密封式，安裝在油箱內(nèi)，油位發(fā)生變化，測量組件內(nèi)的油液高度 同時(shí)發(fā)生變化，浸沒在油液中的平行平板電容組數(shù)也相應(yīng)發(fā)生改變；油液浸入平行平板電 容后，平行平板電容的電容值相對(duì)其初始值會(huì)變大；所述測量組件通過信號(hào)輸出線連接處 理電路，通過處理電路比較平行平板電容的電容值與初始電容值， 一旦電容值大于初始電 容值，處理電路就有電壓輸出，就表示油液已經(jīng)浸入該組電容；當(dāng)油箱中油位變化時(shí)，浸沒 在油液中的電容組數(shù)也會(huì)發(fā)生改變，通過判斷有電壓輸出的處理電路路數(shù)從而獲知測量組 件中浸沒的電容組數(shù)，乘以測量組件中平行平板電容之間的布置間距即可獲得油液高度 值，實(shí)現(xiàn)汽車油位測量。 根據(jù)上述汽車油箱油位傳感方法，本發(fā)明還公開了一種分段電容數(shù)字式汽車油位 傳感器，所述油箱油位傳感器包括一個(gè)測量組件以及處理電路。 所述測量組件由在測量高度上等間距布置的多組初始電容值相等或相近的平行 平板電容構(gòu)成，整個(gè)測量組件的高度接近或等于油箱高度，所述測量組件為非密封式，并安 裝于油箱內(nèi)，測量組件通過信號(hào)輸出線連接處理電路。 所述處理電路采用多片電容測試芯片CAV424進(jìn)行電容值的測試；將各組平行 平板電容的初始電容值用一個(gè)容值相近的固定電容器代替，作為CAV424的固定電容C^， CAV424的Cx2連接測量組件中的一組平行平板電容；一旦有電壓輸出即表示平行平板電容 的容值已經(jīng)大于了初始電容值，即有油液進(jìn)入了該組平行平板電容。 或者，所述處理電路由多組電容測試電路及比較電路組成，平行平板電容連接到 電容測試電路的輸入端，將電容值轉(zhuǎn)換為便于比較的電信號(hào)；電容測試電路的輸出接到比 較電路的正端，與來自負(fù)端的初始電容值所轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行比較，一旦比較電路有信號(hào) 輸出，則表示平行平板的電容值大于了初始值，即油液已經(jīng)進(jìn)入到該組平行平板電容。
當(dāng)油位發(fā)生變化時(shí)，測量組件內(nèi)的油液高度同時(shí)發(fā)生變化，浸沒在油液中的電容 組數(shù)也相應(yīng)發(fā)生改變，處理電路輸出為高電平的組數(shù)會(huì)發(fā)生改變，通過判斷輸出為高電平 的處理電路組數(shù)得到油液浸沒的電容組數(shù)，與布置間距相乘即可獲得油液高度值，實(shí)現(xiàn)汽 車油位測量。 所述的測量組件中各組平行平板電容從下向上依次豎直排列，整體安裝于油箱 內(nèi)；或各組平行平板電容與液面按同一角度并從下向上依次傾斜布置于油箱內(nèi)；或各組平 行平板電容分別平行于液面從下向上依次布置于油箱內(nèi)。
可見，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的 首先，它采用分段式平行平板電容原理實(shí)現(xiàn)油位的傳感，實(shí)現(xiàn)了大范圍測量；
第二，它是一種內(nèi)部無機(jī)械可動(dòng)部件的油位測量，實(shí)現(xiàn)了測量傳感器敏感部件非
5
第四，可根據(jù)實(shí)際需求，增加單位高度內(nèi)電容的組數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了更高精度的測
第五，它結(jié)構(gòu)簡單，工藝要求不高，價(jià)格便宜。


圖1是平行平板電容原理示意圖； 圖2是一種平行平板電容傳感器測量油位的實(shí)現(xiàn)方式； 圖3是平行平板電容傳感器測量油位的線性關(guān)系圖； 圖4是本傳感器的安裝結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是CAV424作為一種處理電路的電路圖。 圖6是另一種處理電路的實(shí)現(xiàn)框圖。 圖7是圖6具體實(shí)現(xiàn)的電路圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案通過優(yōu)選實(shí)例進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)表述。
本發(fā)明方法采用了平行平板電容，參見圖l，其原理如下
兩相距D、有效面積為S的兩平行平板電容其容值C為 其中e-介電常數(shù)
k-絕緣常數(shù) 從式(1)可以看出，如果兩極板的距離D為常數(shù)，有效面積S固定時(shí)，電容值與極 板間的介電常量e成正比。 因而，當(dāng)平行平板電容間的介質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，介電常數(shù)e發(fā)生改變，電容的電容 值會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變。因而，通過測量該電容容值的改變可以很容易地獲知平行平板電容間 介質(zhì)是否發(fā)生了改變。 基于此，本發(fā)明提出的油位位置傳感方法如下 采用在油液高度上等間距布置、初始電容相等或相近的多組平行平板電容構(gòu)成測 量組件，該測量組件的高度接近或等于油箱高度，并豎直安裝于油箱內(nèi)側(cè)面。該電容為非密 封式，油位發(fā)生變化時(shí)，測量組件內(nèi)的油液高度同時(shí)發(fā)生變化，被油液淹沒的電容組數(shù)相應(yīng) 發(fā)生改變。 將測量組件中各組電容測得的電容值經(jīng)后端電路進(jìn)行處理，與初始電容值進(jìn)行比 較，得到被油液淹沒的電容組數(shù)，乘以布置間距即可獲得油液高度值，實(shí)現(xiàn)汽車油位測量。
從本發(fā)明上述描述的方法可知，它采用了開放式的結(jié)構(gòu)固定的平行平板電容，當(dāng) 油位發(fā)生改變時(shí)，測量組件內(nèi)的油位高度也相應(yīng)發(fā)生改變，當(dāng)油液在某一平行平板電容內(nèi) 時(shí)，如圖2所示，兩極板的相距D，極板寬度W，極板高度L，油液高度Lp油液介電常數(shù)e 2，空氣介電常數(shù)e p則該平行平板電容可看做兩個(gè)平行平板電容的并聯(lián)，一個(gè)由油液形成的， 另一個(gè)由空氣形成的，則總的電容值為
L0049」 1 2 4迎 4;slD4;ntD械D4i" 1 2""" 根據(jù)公式(2)可以看出，電容的容值C :
C = A[B+( e 2-e》LJ (3) 其中，
『 爿=- (4) B = e山 (5) 當(dāng)結(jié)構(gòu)一定(即極板間距D、寬度W、高度L為常數(shù))、空氣的介電常數(shù)^為常數(shù)、
油液的介電常數(shù)e 2為常數(shù)時(shí)，公式4、5中A、 B為常數(shù)，即電容值與油液的高度成線性
關(guān)系。如圖3中的實(shí)線所示。也即，采用圖2中所示的電容結(jié)構(gòu)制備的固定結(jié)構(gòu)的平板電
容，其容值與油液高度成線性關(guān)系，見圖3，一旦有油液進(jìn)入兩極板間，電容值就比初始電容
值大，因而通過測量電容的容值就可以判斷平行平板電容內(nèi)是否已經(jīng)存在油液介質(zhì)。 參見圖4，在上述方法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提出了該方法形成的傳感器在汽車油位
傳感上的一種具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)測量組件l以及相應(yīng)的處理電路組成。測量組件l
為沿著測量高度方向等間距布置的多組平行平板電容，每組平行平板電容的初始電容值相
等，測量組件1的長度接近或等于油箱2的高度，安裝在油箱2內(nèi)側(cè)面，油液可進(jìn)入各組電
容的兩極板之間。測量組件通過信號(hào)輸出線連接處理電路，對(duì)測量信號(hào)進(jìn)行處理。本圖中，
平行平板電容采用豎直平行，并從下向上依次等間距布置的形式。為了制作方便，所有平行
平板電容的其中一個(gè)平板都布置在同一個(gè)極板上，每個(gè)平行平板電容的高度為hl，相鄰兩
個(gè)平行平板電容間距為h-hl ;平行平板電容的另一平板為共用，參見圖4。 測量信號(hào)處理可采用以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。圖5中的CAV424是測量電容的
芯片，Q為固定電容，C。為被測電容。CAV424作原理是這樣的，一個(gè)由電容C^確定頻率
的參考振蕩器控制著二個(gè)相位恒定和周期相同的對(duì)稱構(gòu)造的積分器。這二個(gè)積分器的振幅
通過電容Cxl和Cx2來確定。比較二個(gè)積分器的電壓振幅差值就可以得出電容Cxl和Cx2的
相對(duì)電容變化差值，該差分信號(hào)通過一個(gè)二級(jí)低通濾波器轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)并經(jīng)過輸出
可調(diào)的差分信號(hào)輸出級(jí)輸出即⑤和⑥之間的VDIFF，即獲得精確的電容值。 由于本發(fā)明所涉及的電容有兩類，一類是參與測量的多組電容；另一類為這些參
與測量的電容的初始值，在這里可以用一個(gè)固定電容來代替。因而可以利用多片CAV424進(jìn)
行這兩類電容的測量，將初始電容值作為固定電容Cxl， 一旦有電壓輸出即表示該電容有油
液進(jìn)入。 測量信號(hào)的處理也可以通過另外的方式實(shí)現(xiàn)，參見圖6及圖7。所述處理電路由多 組電容測試電路及比較電路組成。平行平板電容連接到電容測試電路的輸入端，將電容值 轉(zhuǎn)換為便于比較的電信號(hào)；電容測試電路的輸出接到比較電路的正端，與來自負(fù)端的初始 電容值所轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行比較， 一旦比較器有信號(hào)輸出，則表示平行平板的電容值以及 大于了初始值，油液已經(jīng)浸入到該組平行平板電容之間了。每組電容測試電路分為平行平
具體實(shí)現(xiàn)方法可以按照?qǐng)D7所示方案進(jìn)行。將平行平板電容連接到圖7中所示的 Cxi處，利用一個(gè)容值稍大于平行平板電容初始值的固定電容連接到Cx2處；LM555與外圍 電路構(gòu)成一個(gè)振蕩電路，其3腳輸出信號(hào)頻率與2腳所連電容容值成正比。振蕩電路輸出的 頻率信號(hào)分別接到finl和fin2處，由LM2907及外圍電路組成的頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入的 頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號(hào)。頻率電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出分別接到后端由LM239 及外圍電路組成的比較器中進(jìn)行比較；其中，與平行平板電容值成正比的Voutl接到比較 器正端，與平行平板電容初始電容值成正比的Vout2接到比較器負(fù)端；為保證可比性，二者 的前端電氣參數(shù)完全一致。當(dāng)平行平板電容值大于其初始電容值時(shí)，比較器輸出為高電平， 表示該組平行平板電容值大于其初始值，油液已經(jīng)浸入改組電容。反之為低電平。圖7所 示為一組平行平板電容的處理電路單元，實(shí)際的電路應(yīng)根據(jù)所構(gòu)成測量組件的電容組數(shù)增 加處理單元。
權(quán)利要求
一種分段電容數(shù)字式汽車油位傳感方法，其特征在于采用在測量高度上等間距布置的多組初始電容值相等或相近的平行平板電容作為測量組件，整個(gè)測量組件的高度接近或等于油箱高度，所述測量組件為非密封式，安裝在汽車油箱內(nèi)；油位發(fā)生變化，測量組件內(nèi)的油液高度同時(shí)發(fā)生變化，浸沒在油液中的平行平板電容組數(shù)也相應(yīng)發(fā)生改變，油液浸入平行平板電容后，平行平板電容的電容值相對(duì)其初始電容值會(huì)變大；所述測量組件通過信號(hào)輸出線連接處理電路，通過處理電路比較平行平板電容的電容值與初始電容值，一旦電容值大于初始電容值，處理電路就有電壓輸出，表示油液已經(jīng)浸入該組電容；當(dāng)油箱中油位變化時(shí)，浸沒在油液中的電容組數(shù)也會(huì)發(fā)生改變，通過判斷有電壓輸出的處理電路路數(shù)，從而獲知測量組件中浸沒的電容組數(shù)，乘以測量組件中平行平板電容之間的布置間距，即可獲得油液高度值，實(shí)現(xiàn)汽車油位測量。
2. —種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的分段電容數(shù)字式汽車油箱油位傳感器，其特征在 于所述傳感器包括一個(gè)測量組件以及處理電路；所述測量組件由在測量高度上等間距布置的多組初始電容值相等或相近的平行平板 電容構(gòu)成，整個(gè)測量組件的高度接近或等于油箱高度，所述測量組件為非密封式，并安裝于 油箱內(nèi)，測量組件通過信號(hào)輸出線連接處理電路。所述處理電路采用多片電容測試芯片CAV424進(jìn)行電容值的測試；將各組平行平板電 容的初始電容值用一個(gè)容值相近的固定電容器代替，作為CAV424的固定電容C^，CAV424的 Cx2連接測量組件中的一組平行平板電容；一旦有電壓輸出即表示平行平板電容的電容值 已經(jīng)大于了初始電容值，即有油液進(jìn)入了該組平行平板電容；或者，所述處理電路由多組電容測試電路及比較電路組成，平行平板電容連接到電容 測試電路的輸入端，將電容值轉(zhuǎn)換為便于比較的電信號(hào)；電容測試電路的輸出接到比較電 路的正端，與來自負(fù)端的初始電容值所轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行比較，一旦比較電路有信號(hào)輸出， 則表示平行平板的電容值大于了初始值，即油液已經(jīng)進(jìn)入到該組平行平板電容；當(dāng)油位發(fā)生變化時(shí)，測量組件內(nèi)的油液高度同時(shí)發(fā)生變化，浸沒在油液中的電容組數(shù) 也相應(yīng)發(fā)生改變，處理電路輸出為高電平的組數(shù)會(huì)發(fā)生改變，通過判斷輸出為高電平的處 理電路組數(shù)得到油液浸沒的電容組數(shù)，從而獲知油液高度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分段電容數(shù)字式汽車油位傳感器，其特征在于 所述每組電容測試電路包括平行平板電容測試電路和電容初始值測試電路，平行平板電容測試電路用振蕩法原理，將測量組件中的一組平行平板電容連接到LM555構(gòu)成的振蕩 電路中，將電容值轉(zhuǎn)換為與電容值成正比的頻率值；初始電容值測試電路與平行平板電容 測試電路原理一致，只是用一個(gè)容值稍大于平行平板初始電容值的固定電容代替，經(jīng)過電 容測試電路后，電容值已經(jīng)轉(zhuǎn)換為與之成正比的頻率值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的分段電容數(shù)字式汽車油位傳感器，其特征在于 所述平行平板電容測試電路和電容初始值測試電路頻率值直接進(jìn)行比較，或者再分別連接頻率電壓轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換為與之成正比的電壓值，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的電壓值分別輸入到 比較電路的輸入端，平行平板電容測試電路輸出接到比較電路正端，電容初始值測試電路 輸出接到比較電路負(fù)端，一旦比較電路輸出為高電平時(shí)，表示該組平行平板電容值大于其 初始電容值，即油液已經(jīng)浸入改組電容。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的分段電容數(shù)字式汽車油位傳感器，其特征在于所述的測量組件中各組平行平板電容從下向上依次豎直排列，整體安裝于油箱內(nèi)；或 各組平行平板電容與液面按同一角度并從下向上依次傾斜布置于油箱內(nèi)；或各組平行平板 電容分別平行于液面從下向上依次布置于油箱內(nèi)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的分段電容數(shù)字式汽車油位傳感器，其特征在于所述的測量組件中的各組平行平板電容的間距根據(jù)測量要求進(jìn)行調(diào)整，增加單位長度 內(nèi)電容的組數(shù)、減小布置間距可以增加測量精度，反之則降低測量精度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分段電容數(shù)字式汽車油位傳感器，其特征在于 所述的測量組件所使用的后端處理電路作為邏輯判斷，不作為實(shí)際電容值的測量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分段電容數(shù)字式汽車油位傳感器，其特征在于 所述的測量組件所使用的處理電路中所使用的固定電容，其電容值應(yīng)稍大于平行平板電容的初始電容值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分段電容數(shù)字式汽車油位傳感方法及傳感器，采用在測量高度上等間距布置的多組初始電容值相等或相近的平行平板電容作為測量組件，整個(gè)測量組件的高度接近或等于油箱高度，安裝在油箱內(nèi)，油位發(fā)生變化，浸沒在油液中的平行平板電容組數(shù)也相應(yīng)發(fā)生改變；油液浸入一組平行平板電容后，平行平板電容的電容值相對(duì)其初始值會(huì)變大；通過處理電路比較各組平行平板電容的電容值與初始電容值，從而獲知測量組件中浸沒的電容組數(shù)，乘以測量組件中平行平板電容之間的布置間距即可獲得油液高度值，實(shí)現(xiàn)汽車油位測量。本方法無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，適用于不同的油液介質(zhì)，解決了油位分層的問題，也有利于延長傳感器的使用壽命，結(jié)構(gòu)簡單，工藝要求不高，價(jià)格便宜。
文檔編號(hào)G01F23/26GK101713684SQ20091019098
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者昝昕武 申請(qǐng)人:昝昕武