某電容式燃油液位傳感器理論分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u11055某電容式燃油液位傳感器理論分析綜述 1199141.1電容式液位測量的基本原理 126621.2某電容式燃油液位傳感器基本構(gòu)成及主要技術(shù)指標(biāo) 4180401.1.1基本構(gòu)成 5243221.1.2主要技術(shù)指標(biāo) 720081.3存在的主要問題 7276241.4微小電容檢測方法的選擇 816947（1）振蕩法 97505（2）直流充放電法 9422（3）交流電橋法 101162（4）調(diào)頻式諧振法 10310811.5系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 121.1電容式液位測量的基本原理電容式液位傳感器實(shí)際上可以看作一個(gè)可變電容式傳感器，它的基本特性是將外部非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容值的變化，這一特性利用的是電容器充電和放電的性質(zhì)。根據(jù)基本工作原理，電容式液位傳感器可以有多種分類，比如變極板間距型、變極板面積型和變被測介質(zhì)型。其中變介質(zhì)型電容式液位傳感器可以對(duì)不同類型的介質(zhì)進(jìn)行高度測量，同時(shí)，也可以利用電容電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)會(huì)因環(huán)境溫度變化而變化這一特點(diǎn)，來測量介質(zhì)的溫度、濕度等。圖1.1（a）是一種常用的檢測介質(zhì)位移的平板電容傳感器。圖1.1（b）則是另一種變介質(zhì)型電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)，它可以通過改變內(nèi)外電極間的介質(zhì)占比的方式測量液位的高度。（a）平板電容傳感器（b）同軸圓筒式電容傳感器圖1.1變介質(zhì)型電容傳感器結(jié)構(gòu)圖根據(jù)以上原理，被測液體介質(zhì)的液位是可以用裝入介質(zhì)中的電容器的電容計(jì)算得出的，而按照容器的材質(zhì)和液體介質(zhì)屬性又可分為下面幾種具體的測量結(jié)構(gòu)：1、導(dǎo)電容器中儲(chǔ)存絕緣液體。當(dāng)容器為能夠?qū)щ姷慕饘賵A筒形或矩形材料，并且存有絕緣液體介質(zhì)時(shí)，由于金屬的導(dǎo)電性，則可以將容器的內(nèi)壁作為構(gòu)成電容器的一個(gè)外電極，而電容器的另一個(gè)電極則可以用柱形金屬棒或金屬板來代替，共同組成一個(gè)電容器。但是，這種方式要求容器的尺寸不能過大，否則也許會(huì)因?yàn)檩^大的邊緣效應(yīng)導(dǎo)致很大的誤差。2、絕緣容器中儲(chǔ)存導(dǎo)電液體。當(dāng)容器為絕緣材料，并且存有導(dǎo)電液體時(shí)，利用介質(zhì)的導(dǎo)電性，把導(dǎo)電液體當(dāng)做電容器的一個(gè)電極，若要構(gòu)成電容器的另外一個(gè)電極，則可以在液體中插入一根金屬導(dǎo)體作為電極，但金屬導(dǎo)體不能與液體直接接觸，否則就會(huì)發(fā)生短路，因此需要的金屬導(dǎo)體外部進(jìn)行絕緣處理，比如覆蓋絕緣層或者穿上絕緣套管等。3、絕緣容器中儲(chǔ)存絕緣液體。類似這種情況，因?yàn)槿萜骱鸵后w都不導(dǎo)電，所以必須在液體中同時(shí)加入兩個(gè)金屬電極才可以構(gòu)成電容器，用于液位的測量。經(jīng)過上述分析，同時(shí)綜合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通常的電容式液位傳感器可以分成兩種：平板式和同軸圓筒式。而在實(shí)際應(yīng)用中，油液一般都是絕緣的，儲(chǔ)存在金屬或非金屬容器中，應(yīng)用較多的就是同軸圓筒式液位傳感器，即使是要應(yīng)用于導(dǎo)電液體中，也可以通過在內(nèi)電極外部增加絕緣層實(shí)現(xiàn)。如圖1.2，就是典型的同軸圓筒式液位傳感器，它由兩根同軸的空心圓柱管內(nèi)管（外徑半徑為R0）和外管（內(nèi)徑半徑為R1），以及被測介質(zhì)（介電常數(shù)為ε）共同構(gòu)成金屬圓柱形電容器的探桿形式。兩根同軸的內(nèi)管、外管分別作為電容器的內(nèi)、外電極，頂部和底部分別用絕緣材料固定絕緣隔開，外管管壁上和底部布有通孔，以便被測液體的進(jìn)入。

當(dāng)液位高度H=0時(shí)，兩電極間全部為空氣，忽略雜散電容和邊緣效應(yīng)，傳感器的初始電容量C0為：C0式中：ε0圖1.2探桿測量原理結(jié)構(gòu)圖當(dāng)液位高度上升至H時(shí)，內(nèi)外電極之間就充滿兩種介質(zhì)，例如油和氣，此時(shí)會(huì)有一個(gè)油氣界面，下部為油，高度為H，介電常數(shù)為ε油，根據(jù)式2-1，推理可得，其電容量C油C油=2πε油氣界面上部為空氣，高度為（L-H），介電常數(shù)為ε0，所產(chǎn)生的電容C空C空=2πε則，此時(shí)傳感器總的電容量C與液位高度H的關(guān)系式為：C=C油+C空=2πε油H又因?yàn)榇藭r(shí)傳感器的電容量CH應(yīng)該為初始電容量C0與電容變化量ΔC的疊加，即：C=C0+ΔC（2-5）綜合式2-4和式2-5，當(dāng)液位由零增加至H時(shí)，傳感器的電容變化量ΔC為：ΔC=2π（ε?ε由式2-6可知，理想狀態(tài)下，忽略其它外部條件干擾后，參數(shù)ε0、ε、R0、R11.2某電容式燃油液位傳感器基本構(gòu)成及主要技術(shù)指標(biāo)鑒于電容式液位傳感器的特點(diǎn)與優(yōu)勢，為某改型裝甲車輛配套的電容式燃油液位傳感器便是采用類似同軸圓筒式電容結(jié)構(gòu)，其與傳統(tǒng)同軸式電容傳感器不同之處在于，內(nèi)電極采用的變徑設(shè)計(jì)，在原有條件下，最大限度的保證傳感器信號(hào)的線性度。1.1.1基本構(gòu)成該型號(hào)電容式燃油液位傳感器結(jié)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成：底座、電氣組件（安裝于底座內(nèi)）、測桿，如圖1.3。探桿底座及電氣組件探桿底座及電氣組件圖1.3某電容式燃油液位傳感器外形示意圖由于探桿與電氣組件部分對(duì)傳感器輸出信號(hào)影響較大，本節(jié)著重介紹電氣組件與探桿，底座部分不做贅述。電氣組件目前該型電容式油位傳感器所采用的方波信號(hào)產(chǎn)生電路應(yīng)用比較廣泛，是基于555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩電路，將傳感器被測電容量的變化轉(zhuǎn)換為振蕩頻率的變化，再經(jīng)BD237三極管進(jìn)行放大隔離，提高其帶負(fù)載能力。555振蕩器原理圖如圖1.4。圖1.4某電容式燃油液位傳感器測量電路（芯片寫上型號(hào)）其工作原理就是，接通電源后，通過CX不斷的充、放電，電路就在高、低電平之間來回翻轉(zhuǎn)——振蕩，輸出端產(chǎn)生矩形脈沖，電路振蕩頻率即是傳感器輸出信號(hào)，其數(shù)值可通過計(jì)算脈沖周期得到。1）電容CX充電時(shí)間tw1電容充電時(shí)，時(shí)間常數(shù)τ1=（R1+R2+R3+R4）CX，起始值UCX（0+）=V3/3，終了值UCX（∞）=V3、轉(zhuǎn)換值UCX（tw1）=2V3/3,代入RC過渡過程計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：tw1=τ1lnUcx∞?UCX2）電容CX放電時(shí)間tw2電容放電時(shí)，時(shí)間常數(shù)τ2=（R2+R3+R4）CX，起始值UCX（0+）=2V3/3，終了值UCX（∞）=0、轉(zhuǎn)換值UCX（tw1）2V3/3,代入RC過渡過程計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：tw2=τ2lnUcx∞?UCX3）電路振蕩頻率f振蕩周期T：T=tw1+tw2=0.7（R1+2R2+2R3+2R4）CX（2-9）振蕩頻率f：f=1T=1其振蕩頻率是由待測電容量CX與外部電路中的R，CX等來共同決定的，這種方法較為簡單。缺點(diǎn)則是不能對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行控制，一旦R1、R2、R3、R4電阻的初始值確定，測量過程中就不能再對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行修改。測桿從式（2-10）可以看出，電路輸出的頻率是與電容器的電容值成反比例函數(shù)關(guān)系，但是按照技術(shù)指標(biāo)要求，信號(hào)與液位高度應(yīng)呈線性關(guān)系，且R1、R2、R3、R4電阻只能在確定傳感器零位起始參數(shù)時(shí)起到一定的調(diào)節(jié)作用，并不能對(duì)整個(gè)測量范圍內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，因此，傳感器測桿在外電極狀態(tài)固定的前提下，只能進(jìn)行變徑設(shè)計(jì)，通過測量范圍內(nèi)指標(biāo)參數(shù)反向推算內(nèi)電極各階段外徑，即改變內(nèi)、外電極間距間接改變電容量，來滿足輸出線性要求，實(shí)物如圖1.5。（a）橫向視圖（b）縱向視圖圖1.5某電容式燃油液位傳感器變徑內(nèi)電極為了最大限度的保持測量范圍內(nèi)電容的線性變化，在設(shè)計(jì)、加工內(nèi)電極過程中，對(duì)內(nèi)電極分多段設(shè)計(jì)、加工，每段車削直徑各不相同，然后將各段進(jìn)行裝配鉚合。不同傳感器的內(nèi)管分段數(shù)不同，少則分3段，多則需要4或5段。這種加工方式車削難度大，同軸度等形位公差較難保證。1.1.2主要技術(shù)指標(biāo)該型號(hào)電容式燃油液位傳感器主要技術(shù)指標(biāo)有：（1）工作電壓：12±1VDC；（2）測量范圍：0～526mm；（3）輸出信號(hào)：方波頻率信號(hào)；（4）基本誤差：±100Hz；已知現(xiàn)有的油箱是規(guī)則的，因此油液高度H與傳感器輸出信號(hào)f應(yīng)該呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1.1所示。表1.1油液高度H與傳感器輸出信號(hào)f對(duì)應(yīng)關(guān)系H（mm）0138238338438526f（Hz）6000521346434072350230001.3存在的主要問題綜合某電容式燃油液位傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)所述，在介電常數(shù)、溫度、濕度等條件不變的環(huán)境下，傳感器輸出的頻率信號(hào)f與測得的電容量C成反比例函數(shù)，那么傳感器的輸出信號(hào)則f與液位高度H成反比例關(guān)系，傳感器必然出現(xiàn)輸出信號(hào)不線性，此為目前該電容式燃油液位傳感器存在問題的一方面，即自身電路測量非線性。另一方面即使是探桿在采取變徑設(shè)計(jì)后可以對(duì)線性度進(jìn)行補(bǔ)償，但是，變徑設(shè)計(jì)只能理論上趨近于線性，且加工一致性、裝配同軸度并不能保證，致使測量數(shù)值分布不均，甚至偏離過大。以某批次測量結(jié)果為例：表1.2輸出信號(hào)參數(shù)表標(biāo)準(zhǔn)值（Hz）600052134643407235023000實(shí)測值（Hz）1#5850505045103910339028802#5870506045003930338028903#613054404780417036003090根據(jù)上述內(nèi)容的分析可知，現(xiàn)有的測量電路存在無法保證傳感器測量線性度、不能多點(diǎn)調(diào)節(jié)傳感器輸出參數(shù)等弊端，所以測量電路需要重新設(shè)計(jì)才能從根本上解決這一問題。另外，同等條件下，不考慮被測液體介電常數(shù)等其它因素的影響，相比于變徑式電容器結(jié)構(gòu)，同軸非變徑電容器結(jié)構(gòu)要簡單很多，加工效率提升極大且能夠較大程度的保證線性度的實(shí)現(xiàn)。因此，考慮到變徑設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，在現(xiàn)有測桿的原理基礎(chǔ)上，進(jìn)行一定的改進(jìn)，同時(shí)配合對(duì)硬件電路進(jìn)行改良，從而解決這一問題。1.4微小電容檢測方法的選擇通常情況下，由于油箱的體積或形狀的限制，電容式傳感器測桿長度有限，所以傳感器的電容量級(jí)別屬于比較微小的皮法級(jí)，而且電容的變化量同樣較小，往往只有幾百甚至幾十PF的變化量。因此需要用微小電容檢測方法來測量電容，再將其轉(zhuǎn)換為頻率、電壓、電流或者數(shù)字信號(hào)等電信號(hào)輸出。對(duì)這種微小電容的檢測電路要有較好的實(shí)時(shí)性、線性度，并且受寄生電容干擾要小、不易漂移等要求。幾種比較常用的電路有：振蕩法、直流充放電法、交流電橋法、調(diào)頻式諧振法等。（1）振蕩法振蕩法的原理是將待測電容即傳感器電容加入到振蕩回路里，利用RC電路的充放電和集成電路將電容的變化量轉(zhuǎn)換成頻率進(jìn)行輸出，也可進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為振幅輸出。比較典型的方法就是應(yīng)用555定時(shí)器作為振蕩器實(shí)現(xiàn)C/F轉(zhuǎn)換。這種電路具有較高的靈敏度，電路簡單，操作簡便。本課題研究的某電容式燃油液位傳感器目前就是采用的該原理電路。（2）直流充放電法直流充放電法，也可以稱作開關(guān)充放電電路，其原理是通過開關(guān)對(duì)被測電容進(jìn)行充電，然后再進(jìn)行放電，在時(shí)鐘控制下以—定的頻率往復(fù)充放電，使電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移得到電流，再將電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后平滑得到直流電壓。其原理如圖1.6所示，受時(shí)鐘信號(hào)SW控制，開關(guān)K1和K2在一定的頻率下接通或者斷開，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，K1接通則K2斷開，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生改變，由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，那么K1斷開則K2接通。當(dāng)K1接通K2斷開時(shí)，CX被接通至VCC電源上，對(duì)CX進(jìn)行充電。當(dāng)K1斷開K2接通時(shí)，CX一端被接地，另一端被接虛地，處于放電狀態(tài)，釋放掉全部電荷，釋放的電荷為：Q=VCCCX圖1.6直流充放電法測量原理圖假設(shè)充放電時(shí)鐘信號(hào)頻率為f，在時(shí)鐘信號(hào)SW的控制下反復(fù)進(jìn)行充放電的過程，則其平均放電電流為：I=該電流通過Rf轉(zhuǎn)換為電壓：V該電路結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低，測量速度快。但由于使用CMOS開關(guān)，因此容易引起較大的漂移。（3）交流電橋法交流電橋電路把待測電容橋接接到電橋的某個(gè)橋臂，另一個(gè)橋臂接入固定的電容，應(yīng)用可調(diào)阻抗接入傳感器另一極，通過調(diào)節(jié)參考阻抗使整個(gè)橋路平衡。該方法適合精密電容測量，精度高，但沒有自動(dòng)平衡措施，因此應(yīng)用中需要頻繁的人為校準(zhǔn)。（4）調(diào)頻式諧振法調(diào)頻式諧振法是把可以調(diào)節(jié)頻率的信號(hào)源接到待測電容極板的兩端，再并聯(lián)一個(gè)固定的電感，將其放入串聯(lián)型高頻振蕩器的諧振回路中，當(dāng)信號(hào)源的頻率發(fā)生改變，直到電容極板產(chǎn)生的容抗與并聯(lián)電感的感抗相等時(shí)，可以求得極板間的電容量。當(dāng)被測電容變化時(shí)，諧振器的振蕩頻率也隨之發(fā)生變化最后轉(zhuǎn)換為幅值變化，只要測出幅值的變化就可以推導(dǎo)出被測電容量變化。這種方法具有靈敏度高，抗電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是此方法的測量電路復(fù)雜，其輸出非線性較大，環(huán)境出現(xiàn)微小漂移都對(duì)精度影響很大，為了保持測量精度需要頻繁的人工校準(zhǔn)，不太滿足現(xiàn)代化工業(yè)需求。調(diào)頻式諧振法基本原理圖如圖1.7：圖1.7調(diào)頻式諧振法測量原理圖上述幾種測量電路的特點(diǎn)如表1.3所示。表1.3幾種微小電容檢測方法的對(duì)比檢測方法特點(diǎn)振蕩法靈敏度高，電路簡單，操作簡便直流充放電法結(jié)構(gòu)簡單，成本相對(duì)較低，存在電荷注入問題和較大漂移交流電橋法精度高，輸出阻抗高，穩(wěn)定性差調(diào)頻式諧振法靈敏度高，抗干擾，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非線性大，易漂移通過上述幾種微小電容檢測方法的分析不難看出，這幾種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用領(lǐng)域，但在解決傳統(tǒng)圓筒式同軸電容式液位傳感器的線性度以及容值偏小所