汽車油箱液位測量技術研究

童 鑫，韓成成，盧 翌

(合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009)

汽車油箱液位測量技術研究

童 鑫，韓成成，盧 翌

(合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009)

從目前國內外汽車油箱液位測量技術的現狀出發，分析了油箱液位測量常見的幾種方法和原理，并對各種方法和原理的優缺點進行了分析和討論，最后展望了液位測量技術發展的趨勢。

油箱液位;汽車;測量

汽車誕生100多年來，隨著需求的不斷增大，汽車產業的迅速發展同時也帶動了汽車各項技術的發展。汽車電子化進程的加快逐漸取代了之前的各種機械式部件。早期的油箱液位測量多采用機械原理，而現在采用基于液位兩側介質物理性質差異或者液位改變引起電量或者非電量的物理參數變化來實現，如電容、電阻、電感以及聲速和光速等。目前國內液位測量采用的技術和產品很多，但存在較多問題和弊端，或測量精度不高，或價格昂貴。因此，分析國內外液位測量技術發展的現狀和趨勢，研究適合國情發展的技術顯得尤為重要。

1 液位測量技術現狀

目前國內外液位測量技術和產品有20多種，下面對常見的液位測方法的原理作簡單介紹。

1.1 浮子法

傳統浮子可變電阻液位計如圖1所示，當油量增加或減少時，浮子隨液位變化而帶動可變電阻的變化。當油箱液位最高時，浮子升到最高處，此時阻值最小，電路的電流最大，指針指向“F”處，代表油箱已滿;當油箱液位最低時，浮子降到最低處，此時阻值最大，電路電流最小，指針指向“E”處。

圖1 浮子可變電阻式油箱液位傳感器原理

此類液位計的缺點是不能精確顯示油箱的剩余油量，只能顯示大概的比例。且在路面狀況較差的地方行駛時，液位起伏較大，造成讀數不穩定，對持續駕駛帶來負面影響;另一方面，可變電阻長期浸泡在液體里，雜質沉淀在電阻上到一定程度，也會造成誤差。

1.2 浮子霍爾元件式傳感器

與傳統的機械式浮子法相比，在測量中用線性霍爾元件取代可變電阻。如圖2所示，當油箱液位變化時，浮子隨之上下移動引起磁鐵做軸向運動，安裝在霍爾元件前的導磁材料的磁通將發生改變。導磁材料磁通的線性變化使霍爾元件的輸出電壓呈線性變化，通過輸出電路可將液位的線性變化顯示在儀表上［1］。

此類液位傳感器可進行連續測量，但是機械臂上積聚的污物會限制浮子的運動，從而降低其使用壽命。

圖2 浮子霍耳元件式液位傳感器原理

1.3 光纖傳感技術

光纖傳感器的工作是基于光的全反射定律。光纖傳感器由發射光纖和接受光纖組成，光源發出的光纖通過發射光纖發射到液位表面，反射回來的光由接受光纖接受，接受光纖傳輸的光信號進入光纖放大器，實現信號的放大，再轉換為電信號，方便數據處理。由反射光量即可知道敏感元件是否接觸液體或液位的高低［2］。

此類液位傳感器結構簡單、成本低、響應時間短、抗電磁干擾能力強，然而受光源強度和連接器損耗等影響，它的測量范圍受限制，精度偏低，長期穩定性差。

1.4 超聲波法

在測量中脈沖超聲波由傳感器發出，聲波經物體表面反射后被同一傳感器接收，轉換成電信號。并由聲波的發射和接收之間的時間來計算傳感器到被測物體的距離［3］。

圖3 超聲波測量示意圖

由于采用非接觸的測量，被測介質不受限制，可用于各種液體和固體高度的測量。但超聲波傳播速度受環境因素影響，其測量可靠性較差，誤差較大，校正補償復雜。

1.5 導波雷達液位計

雷達液位計采用發射、反射、接收的工作模式。雷達液位計的天線發射出電磁波，這些波經被測對象表面反射后，被天線接收，電磁波從發射到接收的時間與到液面的距離成正比。

雷達波不易受干擾，且能穿透塑料容器進行測量，無需在容器壁開孔，實現非接觸測量，可應用于多種場合。但信號運行時間短，對分析電路要求較高，導致造價昂貴，普及應用困難。

1.6 差壓法

由于液柱的靜壓與液位成正比，因此利用壓力表測量基準面上液柱的靜壓就可測得液位。根據被測介質的密度及液體測量范圍計算出壓力或壓差范圍，再選用量程、精確度等性能合適的壓力表或差壓表獲取液位信號。此類液位計適用于液面邊界測量和位式測量，適合不同形狀的油箱測量使用。不過液位測量精度較低，安裝須在罐壁開孔。

1.7 壓阻式壓力傳感器

壓阻式傳感器采用壓阻效應原理，經摻雜，擴散，在單晶硅片的特定晶向生成應變電阻，構成惠斯通電橋。電阻制作在硅薄面的邊沿位置，因為邊沿處的薄膜受力時電阻值變化最大。4個電阻R1，R2，R3，R4阻值相等。當薄膜受作用力后，兩個電阻變大，兩個電阻變小。且△R1=－△R2=△R3=－△R4。通過惠斯頓電橋，將其變化轉換為電壓的變化，這便是此種傳感器的檢測原理。

圖4 惠斯通電橋原理

目前的傳感器是硅壓阻式壓力傳感器，其具有較高的測量精度、較低的功耗及成本。且惠斯通電橋的壓阻式傳感器在沒有壓力變化的時候，其輸出為零，幾乎不耗電。

由于硅體加工工藝成熟，所以其制造工程簡單，成本較低。另一方面，構成惠斯通電橋的4個電阻的變化量基本相等，輸入與輸出之間保持著較好的線性關系。后續電路的輸出靠惠斯通電橋將電壓的變化值傳出，因此傳感器由較小的輸出阻抗，后續電路處理靈活。但是構成惠斯通電橋的電阻受溫度影響較大，需進行溫度補償。同時芯片尺寸的減小，會引起電阻所在位置應力均分效應［4］，從而使電阻所在位置的應力值減小，導致傳感器的靈敏度降低。

1.8 電容式壓力傳感器

鑒于壓阻式壓力傳感器是應力靈敏，對封裝要求高，抗干擾能力差，1977年斯坦福大學研制出電容式壓力傳感器彌補了壓阻式壓力傳感器的缺點。電容式壓力傳感器靈敏度比壓阻式壓力傳感器高10～15倍，溫度性好、功耗小，且只對壓力敏感，對應力不敏感，因此得到廣泛應用。

電容式壓力傳感器由上、下電極，絕緣層和襯底構成。當薄膜受壓力作用后，薄膜發生形變，上下電極間距離發生變化，從而上下電極間的電容發生變化。

Case Western Reserve 大學的 Wang［5］接觸式壓力傳感器方面作了大量的研究工作，利用硅鍵合技術制造出了在氣壓測量范圍100～200 kPa內，電容－電壓曲線的非線性度 ＜0.8%，靈敏度達到了0.015～0.046 pF/kPa的樣品。美國 CWRU大學的 Darrin Young教授［6］利用PVD法制成了3C－SiC電容式壓力傳感器，可用于400℃高溫下的測量。在壓力范圍1 100～1 760 Torr之間有較好的線性響應，靈敏度達到7.7 fF/Torr，線性度2%。

廈門大學馮勇建等采用SOI硅片和硅/硅鍵合技術制作出 MEMS高溫接觸式壓力傳感器［7］，在 ＜250 kPa的室溫下靈敏度為0.54 mV/kPa，在400℃時靈敏度能達到0.41 mV/kPa，在低于450℃的條件下能正常工作。

電容式壓力傳感器結構簡單、價格便宜、靈敏度高、過載能力強、動態響應特性好、對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等。缺點是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯接電路較復雜等。

2 發展和展望

隨著對液位傳感器材料、工藝等研究的不斷深入，油箱液位測量領域將出現多種多樣的測量方法及測量儀器，并且在自動化、智能化、靈敏度方面都將得到進一步發展。在可靠性，功能應用和人際交互方面也會有較大的提高。并且油箱液位測量傳感器還可以應用于多種環境，石化生產、航空航天、汽車電子、國防工業等。但需滿足不同應用環境的液位傳感器的實用化還需進一步研究。

［1］趙雷剛，莫易敏，孟麗君.基于霍耳元件的新型燃油液位傳感器的設計［J］.機電工程技術，2008，37(3):50 －52.

［2］李福進，張淑卿，陳至坤.新型光纖液位測量系統的研究［J］.儀表技術與傳感器，2006(6):58 －60.

［3］孫漢旭，胡旭輝.超聲波－電容液位檢測裝置的研制［J］.機電產品研發與創新，2004，17(2):1－2.

［4］李燁，石鑫.微機電系統(MEMS)硅壓阻式壓力傳感器分析研究［J］.真空，2011，48(6):72 －75.

［5］WANG Q.Touch mode capacitive pressure sensors and interface circuits ［D］. USA:Case Western Reserve University，1998.

［6］YOUNG D J，DU J G，ZORMAN，C A，et al.High － temperature single－crystal 3C －SiC capacitive pressure sensor［J］.IEEE Sensors Journal，2009，4(4):464 －470.

［7］馮勇建.MEMS高溫接觸式電容壓力傳感器［J］.儀器儀表學報，2006，27(7):804－807.

Technology for Automobile Fuel Tank Level Measurement

TONG Xin，HAN Chengcheng，LU Yi
(School of Electronic Science ＆ Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

Based on a review of present measurement technologies of the fuel tank liquid level at home and abroad，this article analyzes several common methods and principles of the measurement of the fuel tank liquid level.The advantages and disadvantages of these methods are compared and their principles are discussed.The future trend of technologies of the liquid level is pointed out.

liquid level of automobile fuel tank;car;measuring

TP29;U464.136+.5

A

1007－7820(2012)08－144－03

2012-02-24

童鑫(1984—)，男，碩士研究生。研究方向:微電子學與固體電子學。