一种具有缓慢振荡器和高速开关的电容性燃料成分传感器的制造方法
【专利摘要】一种具有缓慢振荡器和高速开关的电容性燃料成分传感器，提供了一个分压器，该分压器包括传感器和参考电容电压，为了达到更低的功耗，该电压在两个电压之间以相对较低的频率，例如以6KHz的频率振荡，但是，该电容开关迅速，产生在分压器两端变化的周期性快速电压，用来在电容器的结点上产生电压峰值，表明该电容比，因此可以说明燃料成分。
【专利说明】一种具有缓慢振荡器和高速开关的电容性燃料成分传感器
【技术领域】:
[0001 ] 本发明有关于内燃机驱动的汽车，特别对那些适应于用混合燃料工作的汽车，例如未知变量浓度的汽油和酒精混合。这种汽车的发动机最佳工作，随着一个或多个发动机工作参数响应燃料成分信号而改变，该信号由发动机燃料供给中的传感器产生，该传感器对燃料混合物的参数敏感，表明燃料成分。
【背景技术】:
[0002]用于车辆发动机的几种燃料成分传感器在先前技术中被人们知道。它们包括光传感器，微波传感器以及电容传感器。在电容性燃料成分传感器的领域中，必须克服的一个问题是酒精的导电性，在酒精浓度超过30%时，由于电容极板通过燃料混合物短路，它会非常大地减少传感器的精度。
[0003]电容性燃料成分传感器，它能够在酒精浓度一直到100%下精确地工作。该传感器在发动机燃料管线中提供一个电容，一个电气参考阻抗与该电容器串联，一个振荡器，提供振荡电压给电容/阻抗的组合，有一个电压组件，它的频率至少为I兆赫兹，但小于微波电路装置所需的频率。传感器进一步包括一个电路，该电路对由电容决定的电容器的电参数敏感，来确定它的电容量，因此确定燃料混合物的介电常数。该电压组件的高频，用于电容传感，提供一个电容器阻抗，该阻抗大大地低于燃料的并联等效电阻阻抗，这是由于燃料的导电性，这样，电容阻抗占优势，因此传感器提供一个电容量的精确指示。
【发明内容】
:
[0004]本发明的传感器提供给一个分压器，该分压器包括传感器，给电容引用一个电压，为了更低的功耗，该电压以相对较低的频率在两个电压间振荡，例如6KHz的频率，但是，该电容开关迅速，产生在分压器两端变化的周期性快速电压，用来在电容器的结点上产生电压峰值，表明该电容比，因此可以说明燃料成分。
[0005]本发明的技术解决方案
[0006]通过附图以及随后优选方案的描述，本发明进一步的细节及优点将是显而易见的。
[0007]对比专利文献:CN2828763Y车辆用静电容量式传感器200520113988.9【专利附图】
【附图说明】:
[0008]图1显示了一辆汽车，具有发动机燃料控制，加上依照本发明的燃料成分传感器。
[0009]图2-4是不同的视图，显示了使用在依照本发明的燃料成分传感器中的电容传感器。
[0010]图5显示了依照本发明的燃料成分传感器一部分电路图。
[0011]图6显示了介电常数与燃烧各种燃料所需要的空气/燃料(A/F)之比的图线。
[0012]图7显示一系列电压波形，对理解图5中电路的工作有帮助。[0013]图8-10分别显示了图5电路中燃料成分传感器中的低频振荡器，快速开关以及高速峰值跟随器的电路图。
【具体实施方式】:
[0014]图1提供了一辆汽车，它包括发动机室12中的发动机11，发动机11通过燃料管道15接收来自油箱13的燃料，并且把过多的燃料通过导管14返回给油箱，油箱13在车的另一端。油箱13中的燃料是两种燃料的混合物，其中一个是汽油，另一个是酒精，比如甲醇或乙醇。燃料管道15包括燃料成分传感器16,该传感器位于发动机室12内靠近发动机11的点上。燃料成分传感器16产生一个信号，该信号表明了经过的燃料中酒精与汽油的相对比例。一个标准的燃料蒸气收集罐17由蒸汽管道18连接到油箱13，用来收集那边的蒸汽，通过蒸汽管道19连接到发动机11的进气系统。
[0015]发动机11的工作，被一个电子控制器20控制，如图所示，该控制器可以位于发动机室的后方或者其他方便的地方。控制器20可以是一个程序化的数字计算机，类似于那些目前在汽车上使用的控制器。这个装置是众所周知的，它包括一个微处理器，RAM, ROM和适当的输入/输出电路，伴随着保存在ROM中适当的程序，用来配合收到的来自不同传感器的输入信息，执行运算，查表以及输出命令给发动机相关部件中的各个致动器。控制器20对燃料成分信号Vot敏感，该信号来自燃料成分传感器16以及燃料温度信号，随着空气/燃料比，点火时间，过滤器净化速率，以及其他根据提供给发动机的实际燃料混合物来优化发动机工作所必须的因素，来修改这种发动机工作参数。
[0016]传感器16的机械结构如图2-4所不。该结构供给一个在传感器外壳和外部电容电极之间的共地端，这样，这些部分就不必要相互隔离。因为这个设计特点，由于外部电极接地而降低的成本，大于任何该传感器所需的电子设备的花费。
[0017]低碳不锈钢的外管26，一端安装其中，使激光焊缝达到一个耦合部件21的扩展开口端，另一端安装其中，激光焊缝达到另一个耦合部件22的扩展开口端。耦合部件21和22都由不锈钢构成，有一个外部的六边形，以及界定通道23，24分别通过，每一个通道23，24都分别具有内部螺纹部分27，28，这些是用于燃料管线15中的附件。外管26形成传感器外壳以及电容传感器的外部电极的一部分。
[0018]不锈钢内管40轴向地配置在外管26中，以形成电容传感器的内部电极并在管26和40之间定义一个环形进气室25。内管40两端封闭在一个锥形部分41，较小直径的圆柱部分42和一个扩展轴向接头43都由不锈钢构成。图3中轴向可以看到，在外管26中，内管40通过支撑30两端悬空。每一个支撑包括一个内部部分31，它有一个圆孔32，该圆孔接收内管40的圆柱部分42，还有三个互为120角度的径向突出管脚33，终止于外管26，管脚33定义它们之间的开口 34。支撑30可以由酒精阻抗构成，电绝缘聚合树脂比如尼龙(R)。因此一条燃料路径被定义为，通过耦合部件22的通道24，通过管脚33之间的开口，通过管26和40之间的环形进气室25，通过另一个支撑30管脚33的开口 34，通过耦合部件21的通道23。管26和40间进气室25中的燃料形成电容传感器的电介质，电容传感器由这些电极定义。
[0019]电路板36，标准的四层结构(信号，电源，地，信号)，通过机械螺丝37附加到耦合部件21上，该螺丝不止固定电路板36的一端，而且通过耦合部件21，管26提供一条接地线在电路板36上的地电路跟踪之间，因此管26包括电容传感器的一个接地电极。
[0020]在螺丝37和相邻的支撑30之间，一个玻璃绝缘体38保留在耦合部件21的开口中，部件21与电路板36相邻。一个不锈钢针39设计穿过电路板36和绝缘体38，这样它就不与耦合部件21或管26接触。针39因为焊接在物理上和电学上，与相邻接头43保持接触，并且在电路板36上焊接到适当的电路跟踪上，用作电容传感器的内部电极。针39的连接点到电路板和接头43的总距离是9.7mm。因此，电容传感器的内部和外部电极都电连接到电路板，通过一个最小长度的导线。
[0021]电路板36的另一端被一对螺丝44分别连接到夹具45的上下夹具部件46，47。螺丝44固定夹具部件46，47在一起，同样把夹具45固定到电路板36。夹具部件46和47包括匹配的半圆形开口，与这些开口一起定义一个内部圆孔48，用来接收外管26。夹具45紧紧地安装在外管26周围，以一种稳定的方式来固定电路板36的另一端，相对于管26没有过度的振动，但是允许相对转动以便扭转转矩，该转矩应用在耦合部件21和22之间，没有应用到电路板36上。实际上，为了保护电路板36的元件以及传感器的其他部分远离该环境，一个补充的外壳(没有显示)，可以通过机械螺丝(没有显示)，相反的螺丝37被附加到传感器16的夹具45上，例如，通过完全地扩展螺栓44来包围传感器的所有部分除了接头21和22六边形的末端。
[0022]燃料温度传感器50在耦合部件22的外壳上以一种封闭的方式接收，为了暴露给其中的燃料并产生一个燃料温度信号，通过导线51，52传递给电路板36上适当的电路追踪。燃料温度传感器50可以是一个热敏电阻或另一种温度传感器，这种温度传感器使用于检测流体的温度并且提供一个必要的温度校准信号作传感器的输出。燃料温度信号可以单独地输出到发动机控制计算机20，由于燃料成分信号Vott的温度补偿
[0023]虽然传感器中所有的开口及缺口都有足够的大小，来防止它们会显著的限制燃料流，室25里面包含的燃料的总体积是最小的，由于消除或减小流量，来防止室25中的燃料的极端流量减小或积累，这可能会导致传感器中燃料混合物之间介电常数的差异，那些燃料混合物刚要进入发动机11的燃烧室。
[0024]图5中显示了传感器的电子设备。这些组件安装在电路板36上。在本电路的一个集成电路(IC)版本中，尽可能多的部件将会包括在集成电路中，那将会是电路板部件之一。一个调节过后的电压V+提供给这些部件，例如6.5V的电压，通过一个输入隔离放大器，一个更小的调节后的电压Vkef大小为5.0V，它们都涉及到电路板36的地电压端，从而电容传感器的导管26定义一个传感器地电压GND。用于产生电压V+的标准稳压器电路没有显
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[0025]关于图5, —个低频振荡器100产生一个输出电压,该电压以相对较低的频率如6KHz在V+和地电位之间变换。该输出电压适应于控制快速开关120的导电状态，该快速开关交替地把Vkef和地电位连接到参考电容(680pF)的一端，该电容通过传感器16连接到地。参考电容101和传感器16在它们之间定义一个结点102,以便形成一个分压器,其输出端在结点102上。传感器16包括一个电容传感器103,它具有同轴电极,包括图2-4的导管26和40，及室25中的燃料混合物电介质，如前所述，进一步包括一个并联的泄露电阻104。电容传感器103的电容量，随着它电极之间的燃料混合物的介电常数而变换(例如，对于汽油和甲醇，范围为39-755pF);泄露电阻104随着相同燃料混合物的电导率而变化。因此，它们都随着燃料成分变化。偏压电阻105 (IOK)也提供在结点102和地之间，在结点102上提供一个稳态的偏压。高速峰值检波器125,其信号输入通过一个直流阻断电容106(0.22 μ F)连接到结点102，一个锁存器输入接收振荡器100的输出。另外，结点102到地之间还有6-10pF的杂散电容。
[0026]低频振荡器100可以是任何方便的振荡器电路，只要能够在6KHz或接近6KHz的频率下工作。例如图8的弛缓振荡器，使用一系列与非门108和109连接作为一系列逆变器。逆变器(与非门)109的输出通过电容113 (0.0047yF)和串联的电阻110 (15K)，连接到它的输入，电容113和电阻110的结点111通过电阻112 (100K)连接到逆变器(与非门)108的输入，它的输出连接到逆变器(与非门)109的输入。元件值被选取以产生一个振荡器输出电压，在理想的6KHz频率，该电压在振荡器电源电压V+和地电位之间转变，如图7 (A)的波形180所示。这个振荡器是一个标准的CMOS电路，对于那些在该【技术领域】熟悉的人是众所周知的，并且适合装配在电路板上的组件。在集成电路版本，这个电路将会被适当的IC技术中的另一个电路取代。
[0027]图9显示了一个快速开关120的例子。快速开关场效应管115，比如摩托罗拉(R)2N7000或它的等价物，被选择来获得30纳秒的开关速度。实际上，设备的开关速度，在没有附加门电阻时，是10-15纳秒；一个510欧姆的电阻118与这个门串联，与内部栅电容形成一个小的RC延迟，因此可以把开关速度放缓到30纳秒。场效应管115有一个接地源极，漏极通过电阻116 (IOK)连接到Vkef，该电压提供给旁路电容117 (0.22 μ F)，连接到地来使开关噪声远离电源。场效应管的漏极115是快速开关120的输出，该输出连接到参考电容101。
[0028]运转时，在6ΚΗζ的频率下振荡器100造成场效应管115导通和断开。场效应管115的漏极电压如图7 (B)中的波形182所示，并且处理一个6ΚΗζ的方波。但是那并不是一个完美的方波，因为电压转换不是瞬时的。图7 (B)中电压转换的斜坡为了可见性而被夸大。就在场效应管115导通前，它漏极上的电压在VKEF。随着结点102接地，参考电容101充电到VKEF。由于场效应管115导通，它的漏极电压在30纳秒内变为地电位。如果结点102到地之间没有电阻性电流路径，它的电压将会在同一时间降低到一个电压，如上所述，该电压取决于电容性分压器的分压比和燃料成分。IOK的电阻105不允许充足的泄露电流，来大大地影响结点102上的快速的电压下降；但是它允许电容器在瞬间电压下降后放电，这样结点102上的电压回到地电位。
[0029]但是，在高甲醇浓度时(例如超过30%的甲醇)，泄露电阻104将会远小于IOK的电阻105，且将会允许电容充电的很大一部分在场效应管115完全导通前泄露掉，除非快速开关的开关速度非常快。这样损失的充电将会导致结点102上的电压在再次上升前不会下降一样的远；小型的电压峰值将会在表明的燃料成分中造成一个错误。快速开关120开关越快，快到某一点，那么就会损失越少的充电，结点102上向下的电压峰值在表明燃料成分时就会越精确。单独的双极型晶体管，有典型的70-100纳秒的开关时间，还是不够快。可以构造具有更快开关时间的双极型晶体管网络，代价是额外的费用以及电路的复杂性。如前所述，场效应管115，具有10-15纳秒的开关时间；但是那太快了，由于电容传感器103的引线(针48以及耦合部件21和螺丝37的组合)具有电感，电容传感器103在电极部件26，40和电路板之间。在非常快的开关速度，这个电感会造成误差。例如，该电感会产生一个振荡，该振荡造成节点102上向下的电压峰值延迟，能量被临时的储存在管道的感应领域。在这个振荡期间，更多的变化可能泄露电容器。同样，引线的电感产生一个沿着引线的电压降，大约每1/4英寸的引线-在每一个电容的一端上有50毫伏。所有这些因素造成了传感器的误差，该误差常常随着开关速度而增大。已经确定的是，30纳秒的开关时间会提供最佳的信号，该信号在高甲醇浓度具有最低的误差。越低的开关时间允许更多的充电泄露，是由于更小型的输出电压峰值。但是，更快的开关速度会增大误差，这是由于电容传感器引线的固有电容。
[0030]要另外考虑描述到这边的电路设计的重要意义。电阻116阻值为10K。选取这个值作为竞争因素之间的妥协。理想的是，当场效应管115导通或导电时，漏极电压实质上是接地的。实际上，它的漏极电压将会由电阻116在场效应管内部漏极/源极阻抗上的分压器影响决定，内部阻抗只有几欧姆。电阻116阻抗越大，在场效应管导通期间，漏极电压就会越接近地电位。但是，在场效应管115导通前的每一个振荡周期期间，参考电容101再次充电到完全的Vkef同样是必要的。由于电阻116在参考电容101的充电路径上，它阻值的增大意味着更长的充电时间；对于其他使用的元件值，20K的阻值产生相当长的时间。振荡频率同样的是竞争因素之间的妥协。更低的频率将会增加积分电容器150的大小，积分电容器未被描述；这将会放慢总体响应时间。但是，更高的频率将会允许，在每一个振荡周期内，参考电容101甚至具有更少的再充电时间，如上所述的那样，把额外的向下压力放在电阻116的阻抗上。
[0031]结点102上的电压波形可以从图7 (C)中的波形184看出来。每一个向下的高峰185都是一个新的电容量测量(因此可以测量燃料成分)。较小的向上的高峰186是由于反方向上相同的影响，随着场效应管115断开，交替振荡器逐步实行期间。这些向上的高峰在下面的电路中忽略不计。结点102上的电压向上移动，峰值被后面的高速峰值检波器125检测到，在地和Vkef之间提供一个模拟输出信号。
[0032]图10显示了高速峰值检波器125的一个方案。电容器106的输入端126连接到上拉电路132，该电路包括运算放大器133 (LM158)，正相输入端连接到Vkef，反相输入通过电阻134连接到V+，输出通过电阻135 (IOK)连接到端子126和它的反相输入。该电路把结点102上的电压向上移动到VKEF，使它对于后面的电路是高于地的，图5中的隔直电容106分离该电路某些部分的不同电压水平。
[0033]端子126也连接到快速比较器130 (LT1016)正相输入，它的输出提供到与非门锁存器140的一个输入端，该锁存器包括与非门141和142，另一个输入139连接到低频振荡器100的输出。锁存器140的输出通过二极管143和电阻144 (100K)提供给运算放大器145 (LMl58)的反相输入,其正相输入具有来自分压器的固定参考电压,该分压器包括电阻146和147串联，两端电压V+。运算放大器145的输出通过电容150(0.33 μ F)反馈到反相输入，进一步作为传感器的输出和快速比较器130的反相输入的参考。运算放大器145的反相输入通过电阻151 (750Κ)连接到地。快速比较器130需要一个比正常的慢比较器更大的直流偏置电流，该电流由电路132提供。在图7 (C)中的向下高峰185期间，电路132具有高阻抗以减小传感器误差，就是由于这个高直流偏置电流。
[0034]图10中电路的剩余部分的工作将会关于图7 (D)-7 (F)描述。传感器电压Vsrc取决于一个积分电路，它包括运算放大器145和它的反馈电容150，如图7(F)中的波形188所示。在每半个振荡器周期内，振荡器输出很低，与非门142的锁存器输出保持低电平，电容150被允许通过电阻151放电。电阻151相对较高的阻值，对于缓慢上升的Vsrc保证了缓慢的放电。在振荡器100相反的半个周期内，振荡器输出高电平，锁存器的输出仍是低电平，除非高速比较器的输出变低，当结点102上的电压的向下高峰，被电路132向上移动，低于传感器电压Vsk时，那将会发生。快速比较器130的输出如图7 (D)中的波形190所示；显示了一个这样的向下高峰191。锁存器140的响应是用来转换它的输出，如7 (E)中的波形192所示，高电平用于振荡器半个周期的剩余部分，如图193所示。电容150将会通过二极管143和电阻144充电，以一种比放电快的多的速率，这是由于电阻144具有更小的阻值；传感器电压Vsrc因此将会相对迅速地降低；如波形188中的部分195所示。Vsig通常不变的缓慢上升，如波形188中的部分196和197所示，被更简短，更快的下降所打断，如部分195所示，Vsk跟随结点102上电压的向下高峰来维持在一个水平，该水平表明了电容传感器103的电容量，因此表明燃料成分。
[0035]电压Vkef-GND应用在电阻116两端，并且使图5传感器电路中，图9的场效应管115开关。Vkef也提供到根据图10描述的上拉电路140。图5，8，9和10的传感器电路的等价方程式是:Vsig-GND= (Veef-GND) X (1-CAPkatio)。
[0036]CAPeatio 是电容比 Cltll/ (C1Q1+C1Q3+Cstray)，其中 Cltll 和 Cltl3 是参考电容 101 和电容传感器103的电容量，Cstray是传感器的杂散电容。
【权利要求】
1.一种具有缓慢振荡器和高速开关的电容性燃料成分传感器，其特征是:一种燃料成分传感器，用于内燃机中供油线中的燃料混合物，燃料混合物包括两种具有不同介电常数的燃料，相对浓度未知，至少一种燃料是导电的，传感器包括:燃料管线中的电容传感器，调整以适应经过那个燃料管线的燃料流量，这样，提供给发动机的燃料混合物就包括一个电介质，该电介质决定了其中的电容量，但也包括一个短路电导的电容器；一个具有固定电容量的参考电容，与电容传感器串联，形成一个分压器，该分压器有一个输出结点；电路装置，它包括一个方波振荡器和一个高速开关输出的场效应管，该场效应管与电源两端电阻串联，该参考及耦合电容器在场效应管两端串联，耦合电容器一个电极连接到电阻和场效应管的结点，该电路装置在相对较低的频率可以有效重复生产，参考电容及电容传感器的串联组合两端的预定快速电压变换，用于在输出结点产生一个相应的电压变换，这个预定的快速电压变换包括一个初始电压变换，该变换实质上与传感器以及参考电容的电容比成比例，随后是一个相反的电压变换，该变换是由于流过燃料混合物的泄露电流，凭借初始电压变换表明了燃料成分。
2.根据权利要求1所述的一种具有缓慢振荡器和高速开关的电容性燃料成分传感器，其特征是:场效应管有小于30纳秒的传导起始时间，以及一个传导控制门，用来在低频下交替地导通和断开场效应管，轮流地产生第一电压变换以及相反的电压变换，场效应管的门，使一个串联电阻与场效应管的内部电容形成一个RC延迟，来放慢传导起始时间到30纳秒。
3.根据权利要求1所述的一种具有缓慢振荡器和高速开关的电容性燃料成分传感器，其特征是:燃料混合物包括两种具有不同介电常数的燃料，相对浓度未知，至少一种燃料是导电的，该传感器包括:一个燃料管线中的电容传感器，调整以适应流过该管线的燃料流量，这样，提供给发动机的燃料混合物就包括一个电介质，该电介质决定了其中的电容量，但也包括一个短路电导的电容器；一个具有固定电容量的参考电容，与电容传感器串联，形成一个分压器，该分压器有一个输出结点；电路装置，用于在低频下重复生产，参考电容及电容传感器的串联组合两端的预定快速电压变换，用于在输出结点产生一个相应的电压变换，这个预定的快速电压变换包括一个初始电压变换，该变换实质上与传感器以及参考电容的电容比成比例，定义一个最高传感器电压，该电压表明了燃料成分，随后是一个相反的电压变换，该变换是由于流过燃料混合物的泄露电流，凭借初始电压变换表明了燃料成分；峰值检波器电路连接到该输出结点，提供一个燃料成分的连续信号，燃料成分来自连续的最大传感器电压。
4.根据权利要求3所述的一种具有缓慢振荡器和高速开关的电容性燃料成分传感器，其特征是:快速电压变换的持续时间大体上为30纳秒。
5.根据权利要求3所述的一种具有缓慢振荡器和高速开关的电容性燃料成分传感器，其特征是:所述低频实质上不大于6KHz。
6.根据权利要求3所述的一种具有缓慢振荡器和高速开关的电容性燃料成分传感器，其特征是:峰值检波器电路包括:信号差装置，第一输入连接到输出结点，第二输入和输出提供它们的差异；一个锁存器，它有第一状态和第二状态，锁存器响应该电路装置以及信号差装置，用来在第一时间段内保持第一状态，在与第一时间段相间的第二时间段内保持第二状态，并且当峰值传感器电 压超过信号差装置的第二输入端上的电压时工作；一个积分电容器，提供一个电压给信号差装置的第二输入端；电容充电装置，它响应锁存器，锁存器在第一状态时，在第一方向以第一速率给积分电容器充电，锁存器在第二状态时，在第二方向以更快的第二速率给积分电容器充电。
7.根据权利要求6所述的一种具有缓慢振荡器和高速开关的电容性燃料成分传感器，其特征是:进一步包括一个直流隔离电容，在输出结点和信号差装置的第一输入之间，还有一个电压电平移动电路，它连接到信号差装置的第一输入。
8.根据权利要求3所述的一种具有缓慢振荡器和高速开关的电容性燃料成分传感器，其特征是:所述电路装置包括一个方波振荡器，一个输出高速开关场效应管与电源两端的电阻串联，参考及耦合电容器在场效应管两端串联，耦合电容器有一个电极，该电极连接到电阻和场效应管的结点。
【文档编号】G01N27/22GK103645218SQ201310612081
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】不公告发明人 申请人:苏州贝克微电子有限公司