专利名称：用于液位感应测量的传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量液位的传感器。
背景技术：
液位计用于测量存储容器中的液体量。例如，在汽车应用领域中，一液位计、例如 一燃料液位计通常测量燃料箱中的燃料量并向车辆的燃料表提供一信号。现有的油位传感器包括一浮动的磁体，该浮动的磁体停留在油底壳中的油的顶部 并基于油底壳中油位的变化而改变位置。随着浮子改变位置，其操纵一簧片开关。但是，该 簧片开关仅给出高油位或低油位的指示。某些现有的燃料液位传感器由于燃料成分而经受氧化退化。特别地，退化的汽油 会加速(传感器的)氧化退化。某些燃料液位传感器具有一连接到浮子的滑臂。当浮子随 着燃料液位上升时，所述滑臂与一通常包括电阻材料带的可变电阻相接触并构成一电路。 氧化降解增加了电路的电阻并引起滑臂与电阻材料之间的接触故障。
发明内容
因此，需要一种高精度、耐用/稳健的液位计。(本发明)提出一种用于测量液位 的传感器，其包括一浮子，该浮子可以由钢或其他影响磁通的材料制成。该传感器还包括一 壳体，该壳体限定一构造成接纳浮子的空腔。该壳体可以、而非必须为管状，该空腔可以为 柱形。至少一个磁线圈沿空腔卷绕在所述壳体上。该线圈可以围绕壳体卷绕。浮子能被放 置在流体中以在所述空腔内与液位相关地移动。线圈的电感与浮子在空腔内的位置相关 地、进而与液位相关地变化。相应地，传感器响应于一如交变电流或脉冲数字电流的输入信 号，提供一指示电感、从而指示液位的输出信号。在若干实施例中，线圈被构造成提供沿空腔的轴向长度变化的电感。相应地，浮子 无需延伸超出壳体，也无需超出线圈，因为对于浮子在空腔内的具体位置存在唯一的输出 信号水平，即使浮子的长度小于空腔的长度也是如此。由此实现了对容器中液位的完整测 量范围，同时使传感器的整体高度以及相应的封装空间最小化。在至少一个实施例中使用多个线圈，每个线圈围绕空腔的相应轴向部段卷绕。可 使用一复式(多路复用)部件，通过扫描各线圈的输出值(例如电流消耗/实际电流)来 判定浮子接近哪个线圈，从而判定液位。接近浮子的线圈是很明显的，因为其输出信号会由 于浮子对线圈电感的影响而变化。联系附图、由以下对实施本发明的最佳方式的详细描述，可显见本发明的上述特 征和有益效果以及其他的特征和有益效果。
图1是流体容器内的液位传感器的第一实施方式的示意性局部剖视图；图2是容器内的液位传感器的第二实施方式的示意性局部剖视图3是电感(微亨)关于图2的传感器中使用的第一浮子和第二浮子的浮子移动 距离(毫米)的映射图；图4是容器内的液位传感器的第三实施方式的示意性局部剖视图；图5是容器内的液位传感器的第四实施方式的示意性局部剖视图；图6是图5的液位传感器的局部透视图；图7是是容器内的液位传感器的第五实施方式的示意性局部剖视图。
具体实施例方式参考附图，在这几个视图中为相同的部件使用相同的附图标记，图1示出一流体 容器10，例如但不限于汽车燃料箱或油底壳。流体容器10容纳有流体12，显示为第一液位 A。一液位传感器14被设置在流体容器10中使其至少部分地浸入流体12中。液位传感器 14是长形的，优选但非必须地，被设置成当容器10水平放置时中轴线C大体是竖直的。液位传感器14包括一壳体16，被示意性示出的该壳体利用一托架17安装到容器 10上。将传感器14安装到容器10上的其他方法包括穿过容器10的开口安装传感器14 或者将传感器14安装在一从容器10的底部伸出的定位器上。这些方法中的任意一种都可 以被流体测量或流体传感器一例如被应用在汽车领域(例如燃料箱和发动机)中的传感 器一的领域的技术人员想到和理解。在图1所示的实施例中，壳体16是一塑料管件。壳 体16界定一空腔18，该空腔18在该实施例中基本呈柱形。在空腔18内设置一金属浮子 20。浮子20采用较薄的金属材料、例如钢。将一塞子22安装到壳体16的底端上以在空腔 18内容纳浮子20。塞子22具有至少一个开口 24，所述开口允许流体12进入空腔18并包 围浮子20。也可以在塞子22中或在壳体16的侧(面)中设置另外的开口。液位传感器14包括一能被激励/供电的感应线圈23，该感应线圈围绕壳体16的 一部分卷绕成基本上包围空腔18。线圈23可以具有一涂层，如喷涂或涂布的环氧树脂或塑 料覆层，以保护线圈免于暴露于液体。线圈23是一单体连续的线圈，该线圈被螺旋卷绕以 形成一轴向长度L。线圈23的第一端部26接地(电位)28，如连接到容器10的一侧。地 (电位)28可以替代地位于其他位置，如位于电力电子单元32中的地(电位)，其类似于下 面描述的图5中的接地环。线圈23的第二端部30连接到电力电子单元32，该电力电子单 元32如图1所示与传感器14形成一整体(即安装到壳体16上使得电力电子单元32与传 感器14的其他部件被组合成一模块)，但是该电力电子单元也可以替换代地远离该传感器 14并与之操作连接，例如穿过容器10中的开口进行连接。线圈23被卷绕成各匝间的距离 相等(即节距不变)。浮子20被构造成浮在流体12中，使得最上端略高于流体12的上表面。因此，随 着液位上升，例如上升到液位D，浮子20在空腔18内上升，进入卷绕线圈23的中央。随着 容器10中的液位从液位A上升到液位D，浮子20接近的线圈23的线匝的数目增大。因此， 浮子20在空腔18内的每一个位置在线圈23中引起唯一的电感。线圈23是一磁感应线圈。因此，当电子单元32为线圈提供变化的电流、例如交变 电流或脉冲宽度(受控)的直流时，线圈23的电感根据浮子20的位置而变化。替代地，线 圈23可用作振荡电路的一部分。振荡频率与线圈23的电感成比例，因此与浮子20在壳体 16内的位置成比例。随着浮子20从图1所示的最低位置移动到一该浮子不再能在空腔18中上升的最高位置(由于与壳体16的上部的干涉)，线圈23的侧向邻近浮子20的线匝数 连续地变化。因此，被激励的电磁线圈23的磁力线在相邻的金属浮子20的影响下连续地 集中，线圈23的电感连续地增加，从当浮子20位于图1所示的位置时的较低的第一水平增 加到当浮子20的顶面34接触到壳体16的上端部的底面36时的较高水平。由于单体线圈 23的节距不变，所以在本实施例中，卷绕有线圈23的壳体16的单位轴向长度上的电感不 变。为了提供连续改变的电感，进而为每一个浮子位置(和相应的液位)提供唯一的指示， 浮子20的高度H必须基本上等于卷绕线圈23的长度L。高度较小的浮子20在不同的液位 下会被定位在空腔18内的不同位置处，但是该浮子邻近的线圈23的线匝数相等，因此使得 对于不同的(浮子)位置，线圈的电感水平相等。相应地，传感器14不能唯一地识别出低 于液位A的液位。参考图2，在流体容器10中示出液位传感器14A的另一实施例。液位传感器14A 使带有卷绕线圈23A的壳体16的每单位轴向长度具有不同的电感，因此实现更短的浮子 20A。与参照图1所示出和说明的部件相同的部件被以相同的附图标记示出。液位传感器 14A也利用一单体卷绕线圈23A，但该线圈沿着壳体16以变化的节距卷绕，使得传感器14A 在壳体16的单位轴向长度上的电感变化，以允许使用轴向高度Hl明显更短的浮子20A。利 用较短的浮子20A，传感器14A在容器10内液位的一扩展范围上、从液位Al到液位D提供 指示浮子位置的输出信号。线圈23A是一单体线圈，一端部26A接地(电位)28，而另一端部30A连接到电力 电子单元32。随着浮子20A从图2所示的位置上升到表面34A贴靠壳体16的表面36的位 置，线圈23A的电感连续地变化。相邻线圈线匝之间的节距可从导线的一端到另一端连续 地变化，随着浮子20A在壳体16内向上运动，每个线匝距前一线匝或者更近(参考图2)，或 者更远。替代地，卷绕线圈23A的部段或区域可以卷绕成节距相等，只要卷绕线圈23A的、 沿轴向长度Ll的、在轴向相邻的线圈之间具有一致的节距的每个区域不长于浮子20A的高 度Hl即可。因此，随着浮子20A移动穿过一区域，线圈为浮子20A的每个位置提供不同的 电感水平。当浮子20A向上或向下移动到另一区域时，导线23A的节距不同，其中与前一区 域相比相邻线圈彼此间的距离更小或更大。参考图3，曲线100示出以微亨为测度的电感关于浮子20A的以毫米(为单位)的 距离(的映射关系)，其中浮子20A的高度Hl为2英寸并从图2所示的位置测起在空腔18 中向上移动一距离，该距离最高为约95mm(即，95mm的液位范围)。电感从约200微亨变化 到约700微亨。线圈23A是(线径)30gage的179匝导磁线。曲线102示出在浮子20A被 图2所示的传感器14A中的、高度为0. 6英寸的浮子代替的情况下电感关于距离(的映射 关系)。在相同的浮子移动距离(液位范围)上，电感从约120微亨变化到160微亨。因 此，更大的浮子20A在液位范围上提供更精确的液位读数校正。参考图4，在流体容器10中示出液位传感器14B的另一实施例。与参照图1和图 2所示出和说明的部件相同的部件被以相同的附图标记示出。液位传感器14B利用一单体 卷绕线圈23B，但是线圈23B卷绕成形成堆叠相邻的层，所述各层沿壳体16的轴向长度(逐 渐)减小。相应地，传感器14B的每单位长度的电感沿着卷绕线圈23B的轴向长度Ll变化， 以允许使用具有明显更短的轴向高度Hl的浮子20A。如图2所示的实施例，利用更短的浮 子20A，传感器14B在一扩展范围上、从液位Al到液位D提供指示浮子位置的输出信号。
线圈23B是一单体线圈，一端部26B接地(电位)28，该地(电位)28为图示目的而 在容器10的底部附近示出但也可以位于电力电子单元32处，而另一端部30B连接到电力 电子单元32的输出部。由于线圈23B被卷绕成堆叠的层，线圈23B的电感将随着浮子20A 从图4所示的位置上升到表面34A贴靠壳体16的表面36的位置而连续变化。线圈23B卷 绕出第一内层40，该第一内层40从端部26B起沿壳体16的外表面向上在整体长度Ll上延 伸。在第一层40的端部处，再向下继续进行卷绕，在第一层40上部分地延伸以形成具有较 短长度L2的第二层42。然后从L2继续向上卷绕到壳体16的上端部，然后向下卷绕一轴 向长度L3，再返回壳体16的上端部以形成第三层44。每一层由径向方向上的两排线匝形 成。卷绕继续，其中每相邻的两层之间的轴向长度差(即长度Ll与L2之差；L2与L3的长 度差)不大于浮子20A的高度HI。相应地，浮子20A的每个位置、进而是每个液位都在线 圈23B中产生唯一的电感水平。用于形成堆叠层40，42，44的线圈线匝的总数的增加会使 电感(微亨)更大并使电感读数的范围更大，该读数范围与浮子20A在空腔18内沿着线圈 23B的轴向长度Ll的移动相关。参考图5，其中示出设置在图1，2和4的流体容器10中的传感器114的另一实施 例。传感器114具有一壳体116，也称作一指示件，因为其构造成形成被沿径向延伸的肋部 119分开的10个轴向部段或卷绕区域。每个轴向部段接纳一单独的线圈123A-123J。一复 式(复用)电子装置150被安装在壳体116的上端部上。如图6所示的示例线圈123H，线 圈123H的一个端部126H接地连接到一接地环152的接线柱。线圈123H的另一端部130H 被连接到输出接线柱154。每个线圈123A-123J被分别卷绕，从最远的线圈123A开始，通过 将接地端126H连接到接地环152，沿着肋部119中的径向排列的狭槽156向下将线圈引导 到适当的卷绕区域。然后将线圈卷绕成偶数层(2、4或6等)，使得线圈的另一端部能穿过 邻近的狭槽156向上延伸以连接到接线柱154。所述重式电子装置150利用接地线158接地连接到接地环152的其中一个接线 柱，并利用相应的输出导线160连接到每个输出接线柱154。在壳体116的顶部形成一流体 开口 162，该流体开口与在壳体底部中的开口 124(参见图5) —起允许流体进入空腔118。 开口 124、162可以设计成衰减壳体116内的晃动。所述复式电子装置150可以具有一处理 器，该处理器配置成依次扫描各输出柱154的输出读数(例如电流消耗)。优选地，每个轴 向部段与浮子20B的整体轴向高度基本相同。因此，应当只有线圈123A-123J中的一个的 电感或者线圈123A-123J中两个相邻线圈的电感被空腔内的浮子20B的位置所影响。输出 接线柱或提供不同的输出读数的接线柱将表示出浮子20B的位置。图7示出安装在容器10内的传感器14C的另一实施例。传感器14C具有一壳体 16C，该壳体16C利用一托架17安装到容器10上。优选地，壳体16C是一塑料管件。壳体 16C具有弯角并利用基本上竖直的第一部分16D安装到容器10上，而第二部分16E在第一 部分16D下方成角度地在容器10中延伸。壳体16C界定一空腔18C。空腔18C的每一端部 都具有开口 24C或包含一带开口的塞子，以允许流体12进入空腔18C，从而实现与容器10 中的液位A基本相同的(液)位。也可以在壳体16C中在其它位置处设置另外的开口。在 空腔内设有多个金属浮子20C。浮子20C彼此独立。所示的浮子20C为球，但也可以具有其 他形状。一能被激励的单体感应线圈23C在线圈线匝之间距离恒定(S卩，具有不变的节距)的情况下被卷绕在壳体16C的第一部分16D上。与图1的线圈23类似，线圈23C的一个端 部接地(电位)、例如接到容器10的一侧，而另一端部连接到一电力电子单元(未示出)， 该电力电子单元为线圈23C供电。在各浮子随着液位升高或降低而在壳体16C内上升或下 降时，各浮子20C保持彼此接触。单独的浮子20C组成的(浮子)堆与具有相同整体长度 的单个浮子性质相同。当(浮子)堆随液位变化移动时，由(浮子)堆的每个位置在线圈 23C中得到唯一的电感。因此，沿着卷绕线圈23C的整个轴向长度的液位能被传感器14C唯 一地识别出。由于壳体16C具有弯角，所以作为用于测量液位的执行部分的第一部分16D可更 低地延伸到容器10中，因为浮子20C的(浮子)堆或该浮子堆的一部分在液位较低时停留 在弯角的第二部分16E中。因此，线圈23C的轴向长度越长，便使液位测量范围越宽。如果 容器10受到振动，例如如果容器10是一发动机油底壳，振动将帮助浮子20C移动穿过形成 在壳体16C的第一部分16D与第二部分16E之间的肘部。在该实施例中示出的，壳体16C被安装在容器10内。替代地，壳体16C也可以安 装在容器10外，其中第二部分16E的端部与容器10流体连通。相应地，图1的实施例提供了一种相对简单的液位传感器14，该液位传感器可以 完全安装在流体容器10中。图2和图4的实施例针对每个浮子水平在传感器14A、14B中 产生唯一的电感，允许使用较短的浮子并且在容器10内实现了更宽的液位测量范围。图5 和6的实施例也允许使用较短的浮子20B并且扩展容器10内的液位测量范围。图7的实 施例通过利用一弯角的壳体16C和单独的浮子20C堆实现了容器10内的扩展的液位测量 范围。尽管实施本发明的最佳方式已得到详细描述，本发明涉及的技术领域的技术人员 可以在所附权利要求的保护范围内想到各种其它的设计以及用于实施本发明的实施方式。
权利要求
一种用于测量液位的传感器(14，14A，14B，114)，包括至少部分为金属的浮子(20，20A，20B)；一壳体(16，116)，该壳体限定一构造成接纳所述浮子的空腔(18，118)；至少一个磁线圈(23，23A，23B，123A 123J)，该至少一个磁线圈沿所述空腔卷绕在所述壳体上；其中所述浮子能被放置在流体中以在所述空腔内与液位(A，A1)相关地移动；其中，所述至少一个线圈的电感与所述浮子在所述空腔内的位置相关地、进而与液位相关地变化。
2.如权利要求1所述的传感器(14，14A，14B)，其特征在于，所述至少一个线圈是一沿 所述空腔的轴向长度(L，L1，L2，L3)卷绕成多个线匝的单体线圈(23，23A，23B)。
3.如权利要求2所述的传感器(14A)，其特征在于，所述线匝的节距是变化的。
4.如权利要求2所述的传感器(14B)，其特征在于，所述线匝形成堆叠层(40，42，44)， 其中各相邻的层沿着壳体的轴向长度减小。
5.如权利要求1所述的传感器(114)，其特征在于，所述至少一个线圈包括多个线圈 (123A-123J)，其中所述多个线圈各自沿所述空腔的轴向相邻的相应部段卷绕。
6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，每个线圈都连接到一复式电子装置 (150)，该复式电子装置配置成处理从所述线圈接收的电子输出信号。
7.如权利要求1所述的传感器(14，14A，14B，114)，其特征在于，所述至少一个线圈响 应于交变电流提供一与可变化的所述电感相对应的电子输出信号。
8.如权利要求1所述的传感器(14，14A，14B，114)，其特征在于，所述至少一个线圈响 应于脉冲式直流电提供一与可变化的所述电感相对应的电子输出。
9.如权利要求1所述的传感器(114)，其特征在于，在所述空腔内，所述浮子不会沿轴 向延伸超出所述至少一个线圈。
10.一种用于测量液位的传感器(14，14A，14B, 114)，包括一钢质浮子(20，20A，20B)；一管状壳体(16，116)，该壳体限定一构造成接纳所述浮子的柱形空腔(18，118)；至少一个磁线圈(23，23A，23B，123A-123J)，该至少一个磁线圈沿所述空腔围绕所述壳 体螺旋卷绕；其中所述浮子能被放置在流体中以在所述空腔内与液位(A，Al)相关地移动；其中，所述至少一个线圈的电感与所述浮子在所述空腔内的位置相关地、进而与液位 相关地变化。
11.如权利要求10所述的传感器(114)，其特征在于，所述至少一个磁线圈包括多个线 圈(123A-123J)，所述多个线圈设置成沿所述壳体彼此轴向相邻。
12.如权利要求11所述的传感器(114)，其特征在于，所述浮子(20B)的轴向高度基本 上等于所述多个线圈中任一个的轴向高度。
13.如权利要求10所述的传感器(14，14A，14B)，其特征在于，所述至少一个感应线圈 (23，23A，23B)是一沿所述空腔的轴向长度(L，Li，L2，L3)卷绕成多个线匝的单体线圈，所 述多个线匝的节距不断增加。
14.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述至少一个感应线圈(23B)是一卷绕 成多个线匝的单体线圈，所述多个线匝形成堆叠层(40，42，44)，其中各相邻的层沿着壳体 的轴向长度(L1，L2，L3)减小。
15. 一种组件，包括一构造成容纳流体(12)的容器(10)；一能浮在所述流体中的浮子(20，20A，20B)；一壳体(16，116)，该壳体至少部分在所述容器内并限定一空腔(18，118)，该空腔构造 成接纳所述浮子，使得所述浮子在所述空腔内与所述容器中的液位(A，A1)相关地移动；至少一个磁线圈(23，23A，23B，123A-123B)，所述至少一个磁线圈沿所述空腔围绕所述 壳体卷绕；其中，所述至少一个线圈的电感与所述浮子在所述空腔内的位置相关地变化，使得所 述线圈的电输出与所述容器内的液位相对应。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量液位的传感器，包括一浮子，该浮子可以由钢或其他影响磁通的材料制成。该传感器还包括一限定空腔的壳体，该空腔用于接纳所述浮子。所述壳体可以是，但不必须是管状的，所述空腔可以是柱形的。至少一个磁线圈沿空腔卷绕在壳体上。所述线圈可以围绕所述壳体卷绕。所述浮子能被放置在流体中以在所述空腔内与液位(A，A1)相关地移动。
文档编号G01F23/72GK101900598SQ20101025081
公开日2010年12月1日 申请日期2010年4月28日 优先权日2009年4月28日
发明者G·V·毕奈科尔, R·D·科勒 申请人:伊顿公司