专利名称：一种分段电容数字式汽车油位传感方法及传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于液位高度传感技术领域，具体涉及对汽车油箱油液高度的传感技术。
背景技术：
汽车油位传感器可用于检测燃油油箱中的油量、发动机机油油量及刹车油箱油 量。当发动机机油不足时，该传感器及时感测这种状况并立即发送电信号给ECU， ECU则启 动警告系统，点亮警告灯或者发出警告声响，避免发动机在润滑不良的状况下继续工作，从 而有效防止发动机损坏；当燃油油量不足时，提醒驾驶人员加油，避免由于燃油不足造成汽 车半途抛锚；当刹车油量不足时，ECU启动警告系统，点亮警告灯或者发出警告声响，避免 汽车发生刹车不灵等紧急事故。 目前常用的油位位置传感器按照原理可以分为，电容式油位传感器、超声波油位 传感器、电阻式油位传感器、光学油位传感器以及磁致伸縮式油位传感器等类型。这些类型 的传感器各自的优缺点如下
电容式油位传感器 这种液位传感器结构简单，可靠性很高；探头耐高温和高压，现场适应面宽；耗电 极低，适合于易燃易爆危险介质的测量。就目前的电容式液位传感器而言，进行液位测量 时，必须知道所测量液体的相对介电常数。另外，当测量液体不均匀、相对介电常数发生变 化或被测液体改变时，就必须重新标定，因而大大限制了其使用范围。
超声波油位传感器 根据超声探头发出的超声脉冲信号，在液体中传播，遇到空气与液体的界面后被 反射，接收到回波信号后能得到超声波传播时间。利用其传播速度和传播时间计算出其传 播距离，得到液位高度。这种传感器容易受温度影响，且价格较贵。
电阻式油位传感器 该方法利用电阻率高、温度系数大的材料制成的电阻，结合油位传感器浮子和在 电阻两端施加电压来检测油位的变化。温度越高，电阻越高。当把电阻浸入油液中，温度下 降，电阻也随着下降，检测出电阻的变化，即可获得燃油的变化。这种传感器是在金属箔上 附着Fe-Ni薄膜电阻，从而制成电热式油位传感器。 测量精度受液体污染情况的影响很大，易产生错误，且响应速度慢。另外，目前所
用的碳膜电阻在汽油中容易发生腐蚀而导致失效。 光学油位传感器 该方法利用光的反射或透射原理，根据反射或透射光强或光通量的差别进行油位 测量的。由于价格昂贵，目前尚未广泛使用。
磁致伸縮式油位传感器 磁致伸縮液位传感器是利用材料的磁致伸縮效应感受液面浮子的变化，从而达到 非接触测量油位的目的。这种油位传感器测量精度高、环境适应性强、安全性好、安装方便， 还可应用于石油、化工等液位测量领域，因价格昂贵，目前大多在飞机油位测量中应用。
发明内容
本发明针对目前现有技术中不同原理的油箱油液高度传感器各自的优缺点，提出 一种内部无机械运动部件的基于平行平板电容原理的分段电容数字式汽车油位传感方法 及传感器，实现对油位高度的测量。
本发明的技术方案如下 —种分段电容数字式汽车油位传感方法，其采用在测量高度上等间距布置的多组 初始电容值相等或相近的平行平板电容作为测量组件，整个测量组件的高度接近或等于油 箱高度，所述测量组件为非密封式，安装在油箱内，油位发生变化，测量组件内的油液高度 同时发生变化，浸没在油液中的平行平板电容组数也相应发生改变；油液浸入平行平板电 容后，平行平板电容的电容值相对其初始值会变大；所述测量组件通过信号输出线连接处 理电路，通过处理电路比较平行平板电容的电容值与初始电容值， 一旦电容值大于初始电 容值，处理电路就有电压输出，就表示油液已经浸入该组电容；当油箱中油位变化时，浸没 在油液中的电容组数也会发生改变，通过判断有电压输出的处理电路路数从而获知测量组 件中浸没的电容组数，乘以测量组件中平行平板电容之间的布置间距即可获得油液高度 值，实现汽车油位测量。 根据上述汽车油箱油位传感方法，本发明还公开了一种分段电容数字式汽车油位 传感器，所述油箱油位传感器包括一个测量组件以及处理电路。 所述测量组件由在测量高度上等间距布置的多组初始电容值相等或相近的平行 平板电容构成，整个测量组件的高度接近或等于油箱高度，所述测量组件为非密封式，并安 装于油箱内，测量组件通过信号输出线连接处理电路。 所述处理电路采用多片电容测试芯片CAV424进行电容值的测试；将各组平行 平板电容的初始电容值用一个容值相近的固定电容器代替，作为CAV424的固定电容C^， CAV424的Cx2连接测量组件中的一组平行平板电容；一旦有电压输出即表示平行平板电容 的容值已经大于了初始电容值，即有油液进入了该组平行平板电容。 或者，所述处理电路由多组电容测试电路及比较电路组成，平行平板电容连接到 电容测试电路的输入端，将电容值转换为便于比较的电信号；电容测试电路的输出接到比 较电路的正端，与来自负端的初始电容值所转换的电信号进行比较，一旦比较电路有信号 输出，则表示平行平板的电容值大于了初始值，即油液已经进入到该组平行平板电容。
当油位发生变化时，测量组件内的油液高度同时发生变化，浸没在油液中的电容 组数也相应发生改变，处理电路输出为高电平的组数会发生改变，通过判断输出为高电平 的处理电路组数得到油液浸没的电容组数，与布置间距相乘即可获得油液高度值，实现汽 车油位测量。 所述的测量组件中各组平行平板电容从下向上依次竖直排列，整体安装于油箱 内；或各组平行平板电容与液面按同一角度并从下向上依次倾斜布置于油箱内；或各组平 行平板电容分别平行于液面从下向上依次布置于油箱内。
可见，本发明的优点是十分明显的 首先，它采用分段式平行平板电容原理实现油位的传感，实现了大范围测量；
第二，它是一种内部无机械可动部件的油位测量，实现了测量传感器敏感部件非
5
第四，可根据实际需求，增加单位高度内电容的组数，从而实现了更高精度的测
第五，它结构简单，工艺要求不高，价格便宜。
图1是平行平板电容原理示意图； 图2是一种平行平板电容传感器测量油位的实现方式； 图3是平行平板电容传感器测量油位的线性关系图； 图4是本传感器的安装结构示意图； 图5是CAV424作为一种处理电路的电路图。 图6是另一种处理电路的实现框图。 图7是图6具体实现的电路图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的技术方案通过优选实例进行进一步的详细表述。
本发明方法采用了平行平板电容，参见图l，其原理如下
两相距D、有效面积为S的两平行平板电容其容值C为 其中e-介电常数
k-绝缘常数 从式(1)可以看出，如果两极板的距离D为常数，有效面积S固定时，电容值与极 板间的介电常量e成正比。 因而，当平行平板电容间的介质发生改变时，介电常数e发生改变，电容的电容 值会相应发生改变。因而，通过测量该电容容值的改变可以很容易地获知平行平板电容间 介质是否发生了改变。 基于此，本发明提出的油位位置传感方法如下 采用在油液高度上等间距布置、初始电容相等或相近的多组平行平板电容构成测 量组件，该测量组件的高度接近或等于油箱高度，并竖直安装于油箱内侧面。该电容为非密 封式，油位发生变化时，测量组件内的油液高度同时发生变化，被油液淹没的电容组数相应 发生改变。 将测量组件中各组电容测得的电容值经后端电路进行处理，与初始电容值进行比 较，得到被油液淹没的电容组数，乘以布置间距即可获得油液高度值，实现汽车油位测量。
从本发明上述描述的方法可知，它采用了开放式的结构固定的平行平板电容，当 油位发生改变时，测量组件内的油位高度也相应发生改变，当油液在某一平行平板电容内 时，如图2所示，两极板的相距D，极板宽度W，极板高度L，油液高度Lp油液介电常数e 2，空气介电常数e p则该平行平板电容可看做两个平行平板电容的并联，一个由油液形成的， 另一个由空气形成的，则总的电容值为
L0049」 1 2 4迎 4;slD4;ntD械D4i" 1 2""" 根据公式(2)可以看出，电容的容值C :
C = A[B+( e 2-e》LJ (3) 其中，
『 爿=- (4) B = e山 (5) 当结构一定(即极板间距D、宽度W、高度L为常数)、空气的介电常数^为常数、
油液的介电常数e 2为常数时，公式4、5中A、 B为常数，即电容值与油液的高度成线性
关系。如图3中的实线所示。也即，采用图2中所示的电容结构制备的固定结构的平板电
容，其容值与油液高度成线性关系，见图3，一旦有油液进入两极板间，电容值就比初始电容
值大，因而通过测量电容的容值就可以判断平行平板电容内是否已经存在油液介质。 参见图4，在上述方法的基础上，本发明还提出了该方法形成的传感器在汽车油位
传感上的一种具体实现结构，它由一个测量组件l以及相应的处理电路组成。测量组件l
为沿着测量高度方向等间距布置的多组平行平板电容，每组平行平板电容的初始电容值相
等，测量组件1的长度接近或等于油箱2的高度，安装在油箱2内侧面，油液可进入各组电
容的两极板之间。测量组件通过信号输出线连接处理电路，对测量信号进行处理。本图中，
平行平板电容采用竖直平行，并从下向上依次等间距布置的形式。为了制作方便，所有平行
平板电容的其中一个平板都布置在同一个极板上，每个平行平板电容的高度为hl，相邻两
个平行平板电容间距为h-hl ;平行平板电容的另一平板为共用，参见图4。 测量信号处理可采用以下技术实现，如图5所示。图5中的CAV424是测量电容的
芯片，Q为固定电容，C。为被测电容。CAV424作原理是这样的，一个由电容C^确定频率
的参考振荡器控制着二个相位恒定和周期相同的对称构造的积分器。这二个积分器的振幅
通过电容Cxl和Cx2来确定。比较二个积分器的电压振幅差值就可以得出电容Cxl和Cx2的
相对电容变化差值，该差分信号通过一个二级低通滤波器转换成直流电压信号并经过输出
可调的差分信号输出级输出即⑤和⑥之间的VDIFF，即获得精确的电容值。 由于本发明所涉及的电容有两类，一类是参与测量的多组电容；另一类为这些参
与测量的电容的初始值，在这里可以用一个固定电容来代替。因而可以利用多片CAV424进
行这两类电容的测量，将初始电容值作为固定电容Cxl， 一旦有电压输出即表示该电容有油
液进入。 测量信号的处理也可以通过另外的方式实现，参见图6及图7。所述处理电路由多 组电容测试电路及比较电路组成。平行平板电容连接到电容测试电路的输入端，将电容值 转换为便于比较的电信号；电容测试电路的输出接到比较电路的正端，与来自负端的初始 电容值所转换的电信号进行比较， 一旦比较器有信号输出，则表示平行平板的电容值以及 大于了初始值，油液已经浸入到该组平行平板电容之间了。每组电容测试电路分为平行平
具体实现方法可以按照图7所示方案进行。将平行平板电容连接到图7中所示的 Cxi处，利用一个容值稍大于平行平板电容初始值的固定电容连接到Cx2处；LM555与外围 电路构成一个振荡电路，其3脚输出信号频率与2脚所连电容容值成正比。振荡电路输出的 频率信号分别接到finl和fin2处，由LM2907及外围电路组成的频率电压转换电路将输入的 频率信号转换成与之成正比的电压信号。频率电压转换电路的输出分别接到后端由LM239 及外围电路组成的比较器中进行比较；其中，与平行平板电容值成正比的Voutl接到比较 器正端，与平行平板电容初始电容值成正比的Vout2接到比较器负端；为保证可比性，二者 的前端电气参数完全一致。当平行平板电容值大于其初始电容值时，比较器输出为高电平， 表示该组平行平板电容值大于其初始值，油液已经浸入改组电容。反之为低电平。图7所 示为一组平行平板电容的处理电路单元，实际的电路应根据所构成测量组件的电容组数增 加处理单元。
权利要求
一种分段电容数字式汽车油位传感方法，其特征在于采用在测量高度上等间距布置的多组初始电容值相等或相近的平行平板电容作为测量组件，整个测量组件的高度接近或等于油箱高度，所述测量组件为非密封式，安装在汽车油箱内；油位发生变化，测量组件内的油液高度同时发生变化，浸没在油液中的平行平板电容组数也相应发生改变，油液浸入平行平板电容后，平行平板电容的电容值相对其初始电容值会变大；所述测量组件通过信号输出线连接处理电路，通过处理电路比较平行平板电容的电容值与初始电容值，一旦电容值大于初始电容值，处理电路就有电压输出，表示油液已经浸入该组电容；当油箱中油位变化时，浸没在油液中的电容组数也会发生改变，通过判断有电压输出的处理电路路数，从而获知测量组件中浸没的电容组数，乘以测量组件中平行平板电容之间的布置间距，即可获得油液高度值，实现汽车油位测量。
2. —种实现权利要求1所述方法的分段电容数字式汽车油箱油位传感器，其特征在 于所述传感器包括一个测量组件以及处理电路；所述测量组件由在测量高度上等间距布置的多组初始电容值相等或相近的平行平板 电容构成，整个测量组件的高度接近或等于油箱高度，所述测量组件为非密封式，并安装于 油箱内，测量组件通过信号输出线连接处理电路。所述处理电路采用多片电容测试芯片CAV424进行电容值的测试；将各组平行平板电 容的初始电容值用一个容值相近的固定电容器代替，作为CAV424的固定电容C^，CAV424的 Cx2连接测量组件中的一组平行平板电容；一旦有电压输出即表示平行平板电容的电容值 已经大于了初始电容值，即有油液进入了该组平行平板电容；或者，所述处理电路由多组电容测试电路及比较电路组成，平行平板电容连接到电容 测试电路的输入端，将电容值转换为便于比较的电信号；电容测试电路的输出接到比较电 路的正端，与来自负端的初始电容值所转换的电信号进行比较，一旦比较电路有信号输出， 则表示平行平板的电容值大于了初始值，即油液已经进入到该组平行平板电容；当油位发生变化时，测量组件内的油液高度同时发生变化，浸没在油液中的电容组数 也相应发生改变，处理电路输出为高电平的组数会发生改变，通过判断输出为高电平的处 理电路组数得到油液浸没的电容组数，从而获知油液高度。
3. 根据权利要求2所述的分段电容数字式汽车油位传感器，其特征在于 所述每组电容测试电路包括平行平板电容测试电路和电容初始值测试电路，平行平板电容测试电路用振荡法原理，将测量组件中的一组平行平板电容连接到LM555构成的振荡 电路中，将电容值转换为与电容值成正比的频率值；初始电容值测试电路与平行平板电容 测试电路原理一致，只是用一个容值稍大于平行平板初始电容值的固定电容代替，经过电 容测试电路后，电容值已经转换为与之成正比的频率值。
4. 根据权利要求3所述的分段电容数字式汽车油位传感器，其特征在于 所述平行平板电容测试电路和电容初始值测试电路频率值直接进行比较，或者再分别连接频率电压转换器，将其转换为与之成正比的电压值，经过转换后的电压值分别输入到 比较电路的输入端，平行平板电容测试电路输出接到比较电路正端，电容初始值测试电路 输出接到比较电路负端，一旦比较电路输出为高电平时，表示该组平行平板电容值大于其 初始电容值，即油液已经浸入改组电容。
5. 根据权利要求2、3或4所述的分段电容数字式汽车油位传感器，其特征在于所述的测量组件中各组平行平板电容从下向上依次竖直排列，整体安装于油箱内；或 各组平行平板电容与液面按同一角度并从下向上依次倾斜布置于油箱内；或各组平行平板 电容分别平行于液面从下向上依次布置于油箱内。
6. 根据权利要求5所述的分段电容数字式汽车油位传感器，其特征在于所述的测量组件中的各组平行平板电容的间距根据测量要求进行调整，增加单位长度 内电容的组数、减小布置间距可以增加测量精度，反之则降低测量精度。
7. 根据权利要求2所述的分段电容数字式汽车油位传感器，其特征在于 所述的测量组件所使用的后端处理电路作为逻辑判断，不作为实际电容值的测量。
8. 根据权利要求2所述的分段电容数字式汽车油位传感器，其特征在于 所述的测量组件所使用的处理电路中所使用的固定电容，其电容值应稍大于平行平板电容的初始电容值。
全文摘要
本发明涉及一种分段电容数字式汽车油位传感方法及传感器，采用在测量高度上等间距布置的多组初始电容值相等或相近的平行平板电容作为测量组件，整个测量组件的高度接近或等于油箱高度，安装在油箱内，油位发生变化，浸没在油液中的平行平板电容组数也相应发生改变；油液浸入一组平行平板电容后，平行平板电容的电容值相对其初始值会变大；通过处理电路比较各组平行平板电容的电容值与初始电容值，从而获知测量组件中浸没的电容组数，乘以测量组件中平行平板电容之间的布置间距即可获得油液高度值，实现汽车油位测量。本方法无机械运动部件，适用于不同的油液介质，解决了油位分层的问题，也有利于延长传感器的使用寿命，结构简单，工艺要求不高，价格便宜。
文档编号G01F23/26GK101713684SQ20091019098
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者昝昕武 申请人:昝昕武