基于電容式傳感器的嵌入式油箱測量系統研究

91515部隊 邱洪亮 吳克雄

本文提出一種基于電容式傳感器的油箱測量系統，主要利用傳感器探測由于郵箱液面改變而帶來的電容差異，設計了基于嵌入式芯片的油量測量及監控系統。從研究油箱容量檢測原理入手，根據應用場景進行了特殊的硬件平臺設計，并優化了系統的軟件系統。本測量系統設計緊湊、易于實現，可以滿足測量準確度，系統工作穩定性高。

當前交通工具的油箱油量檢測中，電容式傳感器是常用的解決方案之一。利用電容傳感器設計模擬電路，實現油箱內中剩余油量的測量，其主要原理是將油箱視為一個規則的圓柱形容器，并將此容器中液體的體積變化轉化為電容的變化，進而使用電壓來量化電容的變化量。經過對電壓的信號調理及放大，獲得可以被處理的電壓變化數據。該方法響應速度慢，檢測準確度低。

因此針對此問題，本文提出一種基于嵌入式平臺的油箱液面檢測系統，借助于嵌入式主控芯片的高采樣率和強大計算能力，優化傳統電容式傳感器的測量缺陷，能夠提供高實時性的剩余油量檢測信息。

1 電容式傳感器的基本原理

傳統的電容傳感器基本工作原理是將油箱類比為圓柱形，利用圓環結構構成電容器(實際應用中油箱形狀多為不規則狀)，此處電容極板的全長為H，外側極板的半徑為r2，當H>>r2時，可以獲得式(1)如下：

式中：C0被設定為油箱空置時的電容數值；ε0是標準介電常數；r1是內側極板的測量半徑。

在使用電容檢測燃油液面高度時，由于重力因素往往油箱的上半部分為空氣(夾雜有部分燃油蒸汽，按照空氣處理)，油箱的下半部分填充了燃油。因此，此時油箱整體的電容可以看為上、下部分電容的并聯，見式(2)：

式中：ε油和ε氣被設定為燃油、空氣的介質介電常數；h為油箱中燃油在測量電容中對應的高度值；ΔC是為油箱加注燃油后產生的電容增量。

在式(2)的推導過程中，可以看出變量僅為H和h，當油箱尺寸、所使用固定后，其他數值均為常量，并使得燃油增量ΔC≥0恒成立，同時燃油增量的數值也與實際燃油液面高度呈現正比關系，由此，可以將燃油液面高度的變化轉變為電容的變化，實現對于油箱中燃料剩余量的測量。

2 檢測系統硬件設計

在如今的交通工具燃油測量系統中，常見的燃油顯示方式有兩種，分別是模擬指針式和數值(數字)顯示式。兩種顯示方式各有利弊，其中模擬指針式結構簡單，制造成本低，但是指示精度較低，指針容易受到震動等環境因素的影響而產生波動；而數字顯示型，依賴于嵌入式平臺的A/D轉換，可以精確地顯示油量變化，但對芯片的采樣能力和處理能力有一定的要求。

本文借助嵌入式主控芯片的強大處理能力，可以實現數字式顯示油量，但考慮到系統的適用性及不同的應用需求，同時設計了模擬及數字兩種油箱油量顯示模式，整體原理框圖見圖1。

圖1 油量檢測系統整體框圖

信號采集及調理通過上述的電壓式傳感器原理實現。傳感器將油箱剩余油量信息轉化為電壓后輸出，輸出的電壓信號較為微弱，且帶有較多的干擾信號，需要對信號進行調理和放大。在本文中借助集成運算放大器芯片實現對于信號的調理和放大。首先設定Cx為傳感器的輸出電容信號，Ui代表輸入端的電壓值，Uo代表輸出端的電壓值，Ii代表輸入電流，I0為空載電流，Ix為傳感器電流，以上各變量可以由式(3)表示其相互關系：

對式(3)進行求解及化簡可得式(4)：

在獲取輸出電壓后，將其傳送給嵌入式主控模塊，進行信號的計算和處理。

3 軟件設計

為了提高編程效率，本文采用keil系列嵌入式開發環境進行編程和編譯，使用高級編程語言可以有效提高程序可讀性及擴展性。

油量計算程序主要完成傳感器對信號的采集，對信號的轉化及處理，并將模擬信號轉變為數字信號，對其進行計算等一系列過程。通過前面一節中的計算公式，可以獲得油量的計算數值，然而實際應用中油量的計算要考慮多種環境因素的影響。例如，交通工具的工況變化、環境溫度的變化等。當環境溫度變化時，介電常數會隨之變化，此時要根據溫度變化改變傳感器的標定數據集；當運行工況變化時，油箱內液面可能會改變角度、震蕩等，此時會引起傳感器的檢測誤差，需要監測加速度計、水平儀等信號，對油量計算進行修正。

結論：本文主要分析了傳統電容傳感器的工作過程，并在其基本原理的基礎上提出了改進其檢測實時性差、誤差高的方法。采用嵌入式MCU可以有效地提升油量測試系統對于實際應用環境的適應能力，并提供準確的測量數據。與此同時，測量系統本身提供的自檢模塊可以有效地提高系統工作穩定性和可靠性。次測量系統機構緊湊，成本低，相應快，適合于工業化生產及大批量生產應用。