新型数字电容式液位传感器

摘要 介绍了一种用于测量汽车油箱液位的技术，利用电容量随极板间介质变化的原理，以液晶显示的方式显示油箱剩余燃油量和箱内温度。用于信号采集的电容探头具有自动补偿功能，确保测量结果不受温度和杂质的影响。电容信号检测使用高集成的电容数字转换器，提高了测量精度。信号传输网络易于和车身网络系统集成，显示结果准确、实时。
关键词 油箱液位；电容探头；自动补偿；电容数字转换器

随着汽车工业和电子技术的发展，汽车电子化程度日益提高，各种机械式部件逐渐被电子产品替代，为人们提供了更加便捷、舒适的行车环境。为了适应机电一体化发展，本文阐述了一种数字电容式液位传感器，替代传统投入浮子式油箱液位传感器。利用电容量随电容极板间介质的介电常数变化这一原理，通过测量变化的电容量得到剩余燃油量，同时监控油箱内部的温度。测量结果不但可以通过LCD显示，而且能够和行车速率等信息一起传给车载ECU，计算汽车的续航里程数。传感器主体由电容探头、信号采集和处理电路、信号传输电路和信号显示电路4部分组成。数字电容式液位传感器带自补偿功能，消除了温度和燃油杂质对测量结果产生影响，无可动部件的设计增加了它的使用寿命，测量结果准确，实时。

1 传感器探头设计
河流、水库或者容器中液体的液位，可以通过监测浸在液体的两极板之间的电容值得到。以轿车油箱为例，为了有更大的储油空间，通常使用吹塑加工得到一个异形的油箱。不规则的形状虽然给测量增加了难度，但油箱内部各个液位高度和容积是一一对应的关系，获取实时的燃油高度，即可以得到此高度下的剩余燃油量。对于导电液体，为了避免短路，两极板至少有一个需要绝缘，对于非导电液体，极板不需要绝缘。汽车行驶所用的燃油是不导电的液体混合物，可以用两个金属极板作为电容的电极。
电容量和极板的正对面积，间距和极板间介质的介电常数有关，当其中两个量保持不变，第3个量发生变化时，电容值随之变化。基于这一原理，研制出了数字电容式液位传感器。电容探头结构如图1所示，金属极板A和极板B平行正对组成一对电容器，金属极板A和极板C平行正对组成第二对电容器，极板B和极板C之间的空隙很小，可忽略不计。如图2所示，测量汽车油箱的剩余油量时，电容探头竖直地安装在油箱中。极板B和极板C共用极板A，因此，设极板A和极板B之间产生的电容为测量电容c1，极板A和极板C之间产生的电容为参考电容c2。

εr表示燃油的相对介电常数；ε0表示常温下空气的介电常数；d表示两极板之间的间距；L和L2分别表示极板B和极板C的长度；极板A、B和C的宽度都为W。