一種可自動標定數(shù)字式油位傳感器設計

新鄉(xiāng)北方車輛儀表有限公司 河南 新鄉(xiāng) 453000

1 引言

油位傳感器用于測量車輛行駛過程中的剩余燃油，保證車輛的正常行駛。在我國北方由于冬夏溫差較大，夏季氣溫一般在30℃～40℃，冬季氣溫一般在-20℃～-30℃，因此柴油車輛一般夏季使用0號柴油，冬季使用-35號柴油。兩種柴油的介電常數(shù)不同，使傳感器輸出值不同，造成測量的偏差。為了保證測量精度，需對傳感器進行標定。

現(xiàn)有的油位傳感器主要有電位器式、干簧管式、電容式等。電位器式油位傳感器通過機械方式改變電阻值，容易導致接觸不良甚至磨損，進而影響測量準確性。干簧管式油位傳感器由于干簧管安裝數(shù)量有限，使輸出阻值不連續(xù)，產生跳變，測量精度不高。而電容式油位傳感器一般由兩個電極組成，油面變化時兩電極間的油液面積發(fā)生改變，進而使兩電極間的電容發(fā)生改變，通過測量電容的變化即可實現(xiàn)油位的測量。

電容式油位傳感器結構簡單、無運動部件，可靠性高、測量精度高被廣泛應用，但是該測量方法與被測介質的介電常數(shù)息息相關，為保證測量精度需對被測介質的介電常數(shù)進行標定。本油位傳感器采用多電極電容式原理設計，不需要拆卸傳感器即可實現(xiàn)油位的自動標定。

2 傳感器方案設計

本油位傳感器測桿結構示意圖如圖1所示，測桿安裝在油箱內部且垂直于油液液面。

圖1 測桿結構示意圖

傳感器測桿由外電極、內電極、絕緣螺釘組成，外電極、內電極為圓柱形鋁管，外電極與內電極同軸安裝，且外電極與內電極之間存在間隙，油液填充在內外電極之間。內電極被等分為3份，內電極之間通過絕緣螺釘進行絕緣連接。3個內電極與外電極組成3個電極組，形成3個電容器C1、C2、C3，隨著油位的變化，3個電容器的電容值發(fā)生改變，通過測量C1、C2、C3的電容值即可實現(xiàn)油位的測量。

由圖1可知，當被測量油位H=0時，外電極與內電極構成的金屬圓柱形電容器之間充滿空氣介質，此時3個電容器的電容值相等，用C0表示油位為零時C1、C2、C3的電容值，則：

式中，C0為電容量，單位F；ε0為電容器內氣體等效介電常數(shù)，單位F/m，L為3個內電極高度，L=L1=L2=L3，R1為外電極內徑半徑，R0為內電極外徑半徑，單位m。當內電極和外電極之間充滿被測油液時，C1、C2、C3的電容值也相等，用C滿表示油位為滿位時C1、C2、C3的電容值，則：

根據(jù)測量出的C滿及公式(3)計算出油箱內油液的等效介電常數(shù)ε，并將該常數(shù)進行存儲。

3個內電極是完全獨立的，可單獨進行測量計算，以每個內電極最底面為零位，假設油位距離內電極零位的高度為h，此時C1、C2、C3的電容值用Ch表示，Ch為油面上部氣體介質形成的電容加油液介質形成的電容，則：

式中，ε為電容器內油液的等效介電常數(shù)，單位F/m。

傳感器自動標定的原理是當測量出C1、C2、C3電容值相等且遠大于C0時，給出油位已滿的判定，傳感器自動記錄滿油位時的電容值C滿，當C滿已知時，由公式(2)可得：

由公式(4)可知，參數(shù)ε0、R1、R0、L都是定值，ε已通過公式(3)計算出來，由此，只要測出電容值便能計算出油位距內電極零位的高度h。

當油位為H時，根據(jù)C1、C2、C3與C滿、C0的關系，判斷此時油位所在位置。當測量出C1≤C滿，C2=C0，C3=C0時，判斷出油位H在L1處，則H=h；當C1=C滿，C2≤C滿，C3=C0時，判斷出油位 H在L2處，則 H=L+h；當C1=C滿，C2=C滿，C3≤C滿時，判斷出油位 H在L3處，則 H=2L+h。

更換油液時，只需使油箱充滿油液，傳感器根據(jù)C1、C2、C3的測量值自動計算油液的介電常數(shù)，進而實現(xiàn)油位的自動標定。

本傳感器系統(tǒng)框圖如圖2，主要由電容信號采集模塊、單片機處理模塊、CAN總線通信模塊、電源處理模塊組成。電源處理模塊將車載28V電源轉換為其他模塊需要的3.3V工作電壓，電容信號采集模塊采集各電極組的電容值，將電容值轉換為數(shù)字信號傳輸給單片機處理模塊，單片機處理模塊根據(jù)油位和電容值的關系，通過計算得出當前油位值，并將其轉換為數(shù)字信號，通過CAN總線通信模塊發(fā)送。

圖2 系統(tǒng)框圖

3 傳感器硬件設計

3.1 電源處理模塊設計 電源處理模塊通過超小型DC/DC電源模塊將28V電源轉換為3.3V電源，為了消除車載電源浪涌、尖峰的影響，保證傳感器的可靠工作，在電源輸入端設置了瞬態(tài)電壓抑制二極管、濾波電容等器件。

3.2 電容信號采集模塊設計 電容信號采集模塊采用Pcap01芯片進行電容的采集。Pcap01為一款帶有單片機處理單元的電容測量數(shù)字轉換芯片，其通過測量電容充放電的時間來實現(xiàn)電容值的測量。Pcap01測量范圍覆蓋了從幾pF到幾百nF。Pcap01具有接地和漂移兩種電容連接方式，漂移模式具有更好的抗干擾能力，本傳感器采用漂移模式進行電容測量。PC2～PC7分別接內電極與外電極形成的3個電容器，PC0、PC1接47pF參考電容。本傳感器采用SPI接口與單片機進行通信。

3.3 單片機處理模塊設計 單片機處理模塊采用PIC18F2480芯片，該芯片內部集成有A/D轉換器、I2C接口、SPI接口、UART接口、CAN控制器接口，方便與外圍電路的連接通信；同時該單片機工作頻率最高可達40MHz，具有較高的運算性能，能夠滿足設計的使用要求。

3.4 CAN總線通信模塊設計 隨著CAN總線的廣泛應用，越來越多的車輛上開始搭載CAN總線，其具有高可靠性，高實時性的特點。單條總線同時最多可接110個節(jié)點，方便節(jié)點的擴充；多主結構，各節(jié)點地位平等，方便區(qū)域組網，總線利用率高。本傳感器CAN總線通信模塊采用SN65HVD232D芯片，其耐壓更高，抗干擾能力更強。

4 結語

本傳感器利用電容數(shù)字轉換芯片，結合單片機對電容進行數(shù)據(jù)的處理，采用多電極組設計，無需人工操作即可實現(xiàn)油位測量的自動標定，解決了我國北方柴油車輛冬夏換油造成的油量測量不準難題。