《某电容式燃油液位传感器理论分析6200字》

某电容式燃油液位传感器理论分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u170某电容式燃油液位传感器理论分析综述 1282081.1电容式液位测量的基本原理 15141.2某电容式燃油液位传感器基本构成及主要技术指标 425425 44933 7187381.3存在的主要问题 7209221.4微小电容检测方法的选择 81575（1）振荡法 822530（2）直流充放电法 818811（3）交流电桥法 1025252（4）调节频率式谐振作用法 1098181.5系统总体设计 111.1电容式液位测量的基本原理电容式液位传感器实际上可以看作一个可变电容式传感器，它的基本特性是将外部非电量的变化转换为电容值的变化，这一特性利用的是电容器充电和放电的性质。根据基本工作原理，额定电容式标准液位感应设备能够有很多种不同分类，例如变极板有效实际间距型、变极板实际有效面积型与变被测中间介质型。在这其中，变中间介质型额定电容式标准液位感应设备可以对不同类型的介质进行高度测量，同时，也可以利用电容电极之间介质的介电常数会因环境实际温度改变而改变这类特征，来测量确定中间介质的实际温度、实际湿度等。图1.1（a）是一类普遍常用的测试中间介质位移的平板额定电容感应设备。图1.1（b）就是另一类变中间介质型额定电容式标准液位感应设备组成结构，它能够经过转变内外工作电极之间的中间介质比例的模式测量确定标准液位的实际高度。（a）平板额定电容感应设备（b）同轴圆筒式额定电容感应设备图1.1变中间介质型额定电容感应设备组成构造示意图参考依据以上理论，被测液体中间介质的标准液位是可以用装入介质中的电容器的电容计算得出的，而按照容器的材质和液体介质属性又可分为下面几种具体的测量结构：1、导电容器设备里保存绝缘液体。当容器设备是可以导电的金属圆筒形或者矩形物质材料，而且存有绝缘液体中间介质的时候，因为金属的导电物理性能，则能够把容器设备的内壁作为组成电容器设备的一个外工作电极，而电容器设备的另一个工作电极则能够用柱形金属棒或者金属板来替代，一起构成一个电容器设备。但是，这类模式需求容器设备的有效尺寸不可以太大，不然有可能会由于比较多的分布边缘作用效应造成巨大的有效误差。2、绝缘容器设备里保存导电液体。当容器设备是绝缘性生产原材料，而且存有导电液体的时候，使用中间介质的导电物理性能，将导电液体当做电容器设备的一个工作电极，假如想要组成电容器设备的除此之外一个工作电极，则能够在液体里插入一条金属导体作为工作电极，但金属导体不能与液体直接接触，否则就会发生短路，所以要求的金属导体外界展开绝缘全面处理，例如全面覆盖绝缘保护层或穿上绝缘套管等。3、绝缘容器设备里保存绝缘液体。相似这类实际状况，由于容器设备与液体都不导电，所以必须在液体中同时加入两个金属电极才可以构成电容器，用于液位的测量。经过上述分析，同时综合结构特点，通常的电容式液位传感器可以分成两种：平板式和同轴圆筒式。而在实际应用中，油液一般都是绝缘的，储存在金属或非金属容器中，应用较多的就是同轴圆筒式液位传感器，即使是要应用于导电液体中，也可以通过在内电极外部增加绝缘层实现。如图1.2，就是典型的同轴圆筒式液位传感器，它由两根同轴的空心圆柱管内管（外径半径为R0）与外管（实际有效内径有效半径是R1），包括被测中间介质（介电常量是ε）一起组成金属圆柱形电容器设备的探杆方式。两根同轴的内管、外管依次作为电容器设备的内、外工作电极，顶端与底端依次用绝缘性生产原材料固定绝缘隔开，外管管壁上与底端布有通孔，方便被测液体的全面进入。

当标准液位实际高度H=0的时候，两工作电极间所有是空气，忽视杂散额定电容与分布边缘作用效应，感应设备的初始电有效容量C0是：C0式中：ε0图1.2探杆测量原理结构图当液位高度上升至H时，内外工作电极相互之间就充满两大类中间介质，举例油与气，这个时候会有一个油气页面，下部是油，实际高度是H，介电常量是ε油，根据式2-1，推理可得，其电容量C油C油=2πε油气界面上部为空气，高度为（L-H），介电常数为ε0，所产生的电容C空C空=2πε此时传感器总的电容量C与液位高度H的关系式为：C=C油+C空=2πε油H又因为此时传感器的电容量CH应该为初始电容量C0与电容变化量ΔC的叠加，即：C=C0+ΔC（2-5）综合式2-4和式2-5，当液位由零增加至H时，传感器的电容变化量ΔC为：ΔC=2π（ε−ε由式2-6可知，理想状态下，忽略其它外部条件干扰后，参数ε0、ε、R0、R11.2某电容式燃油液位传感器基本构成及主要技术指标鉴于电容式液位传感器的特点与优势，为某改型装甲车辆配套的电容式燃油液位传感器便是采用类似同轴圆筒式电容结构，其与传统同轴式电容传感器不同之处在于，内电极采用的变径设计，在原有条件下，最大限度的保证传感器信号的线性度。该型号电容式燃油液位传感器结构主要由三部分构成：底座、电气组件（安装于底座内）、测杆，如图1.3。探杆底座及电气组件探杆底座及电气组件图1.3某电容式燃油液位传感器外形示意图由于探杆与电气组件部分对传感器输出信号影响较大，本节着重介绍电气组件与探杆，底座部分不做赘述。电气组件目前该型电容式油位传感器所采用的方波信号产生电路应用比较广泛，是基于555定时器构成的多谐振荡电路，将传感器被测电容量的变化转换为振荡频率的变化，再经BD237三极管进行放大隔离，提高其带负载能力。555振荡器原理图如图1.4。图1.4某电容式燃油液位传感器测量电路（芯片写上型号）其工作原理就是，接通电源后，通过CX不断的充、放电，电路就在高、低电平之间来回翻转——振荡，输出端产生矩形脉冲，电路振荡频率即是传感器输出信号，其数值可通过计算脉冲周期得到。1）额定电容CX接通充电作用时间tw1额定电容接通充电的时候，作用时间常量τ1=（R1+R2+R3+R4）CX，起始数值UCX（0tw1=τ1lnUcx∞−U2）额定电容CX对外放电作用时间tw2额定电容对外放电的时候，作用时间常量τ2=（R2+R3+R4）CX，起始数值UCX（0tw2=τ2lnUcx∞−U3）电路振荡频率f振荡周期T：T=tw1+tw2=0.7（R1+2R2+2R3+2R4）CX（2-9）振荡频率f：f=1T=1其振荡频率是由待测电容量CX与外部电路中的R，CX等来共同决定的，这种方法较为简单。缺点则是不能对输出信号进行控制，一旦R1、R2、R3、R4电阻的初始值确定，测量过程中就不能再对传感器信号进行修改。测杆从式（2-10）可以看出，电路输出的频率是与电容器的电容值成反比例函数关系，但是按照技术指标要求，信号与液位高度应呈线性关系，且R1、R2、R3、R4电阻只能在确定传感器零位起始参数时起到一定的调节作用，并不能对整个测量范围内的参数进行控制调节，因此，传感器测杆在外电极状态固定的前提下，只能进行变径设计，通过测量范围内指标参数反向推算内电极各阶段外径，即改变内、外电极间距间接改变电容量，来满足输出线性要求，实物如图1.5。（a）横向视图（b）纵向视图图1.5某电容式燃油液位传感器变径内电极为了最大限度的保持测量范围内电容的线性变化，在设计、加工内电极过程中，对内电极分多段设计、加工，每段车削直径各不相同，然后将各段进行装配铆合。不同传感器的内管分段数不同，少则分3段，多则需要4或5段。这种加工方式车削难度大，同轴度等形位公差较难保证。该型号电容式燃油液位传感器主要技术指标有：（1）工作电压：12±1VDC；（2）测量范围：0～526mm；（3）输出信号：方波频率信号；（4）基本误差：±100Hz；已知现有的油箱是规则的，因此油液高度H与传感器输出信号f应该呈线性对应关系，如表1.1所示。表1.1油液高度H与传感器输出信号f对应关系H（mm）0138238338438526f（Hz）6000521346434072350230001.3存在的主要问题综合某电容式燃油液位传感器工作原理及结构所述，在介电常数、温度、湿度等条件不变的环境下，传感器输出的频率信号f与测得的电容量C成反比例函数，那么传感器的输出信号则f与液位高度H成反比例关系，传感器必然出现输出信号不线性，此为目前该电容式燃油液位传感器存在问题的一方面，即自身电路测量非线性。另一方面即使是探杆在采取变径设计后可以对线性度进行补偿，但是，变径设计只能理论上趋近于线性，且加工一致性、装配同轴度并不能保证，致使测量数值分布不均，甚至偏离过大。以某批次测量结果为例：表1.2输出信号参数表标准值（Hz）600052134643407235023000实测值（Hz）1#5850505045103910339028802#5870506045003930338028903#613054404780417036003090根据上述内容的分析可知，现有的测量电路存在无法保证传感器测量线性度、不能多点调节传感器输出参数等弊端，所以测量电路需要重新设计才能从根本上解决这一问题。另外，同等条件下，不考虑被测液体介电常数等其它因素的影响，相比于变径式电容器结构，同轴非变径电容器结构要简单很多，加工效率提升极大且能够较大程度的保证线性度的实现。因此，考虑到变径设计的复杂性，在现有测杆的原理基础上，进行一定的改进，同时配合对硬件电路进行改良，从而解决这一问题。1.4微小电容检测方法的选择通常情况下，由于油箱的体积或形状的限制，电容式传感器测杆长度有限，所以传感器的电容量级别属于比较微小的皮法级，而且电容的变化量同样较小，往往只有几百甚至几十PF的变化量。因此需要用微小电容检测方法来测量额定电容，再把其交换是频次、工作电压、工作电流或数据信号等电力信号自动输出。对这类微小额定电容的测试工作电路要有良好的实时在线性、线性度，而且受寄生额定电容干扰影响要小、不容易漂移等需求。几大类比较普遍常用的工作电路有：（1）振荡法振荡法的原理是将待测电容即传感器电容加入到振荡回路里，利用RC电路的充放电和集成电路将电容的变化量转换成频率进行输出，也可进一步转换为振幅输出。比较典型的方法就是应用555定时器作为振荡器实现C/F转换。这种电路具有较高的灵敏度，电路简单，操作简便。本课题研究的某电容式燃油液位传感器目前就是采用的该原理电路。（2）直流充放电法直流充放电法，也可以称作开关充放电电路，其理论是经过控制开关对被测额定电容展开接通充电，之后再展开对外放电，在控制时钟操作控制下以—定的频次往复充电放电，使电荷发生转移得到电流，再将电流转换为电压，然后平滑得到直流电压。其原理如图1.6所示，受时钟信号SW控制，开关K1和K2在一定的频率下接通或者断开，当时钟信号为高电平时，K1接通则K2断开，当时钟信号发生改变，由高压电平发展为低压电平的时候，则K1切断则K2联通。当K1联通K2切断的时候，CX被联通至VCC工作电源上，对CX展开接通充电，位于对外放电分布状态，排放掉所有电荷，排放的电荷是：Q=V图1.6直流充放电法测量原理图假定充电放电控制时钟数据信号频次是f，在控制时钟数据信号SW的操作控制下重复展开充电放电的发展过程，则其平均对外放电工作电流是：I=这个电流通运转过Rf交换是工作电压：V这个工作电路组成结构比较简易，运营费用少，测量确定速率快。但是因为运用CMOS控制开关，所以简单引发比较多的漂移。（3）交流电桥法交流电桥电路把待测额定电容桥接接到电桥的某一个桥臂设备，另一个桥臂设备连接到固定的额定电容，使用可以调控额定阻抗连接到感应设备另一极，经过调节控制参照额定阻抗使整个桥路平衡。这类应用模式合适精密额定电容测量确定，准确度高，但是没有自动智能平衡措施手段，所以使用里要求频繁多次的人是校对分析。（4）调节频率式谐振作用法调节频率式谐振作用法是将能够调节控制频次的数据信号源接到待测额定电容极板的两侧，再并行连接一个固定的额定电感，把其放入串联型高频振荡器设备的谐振循环回路里，当数据信号源的频次产生转变，一直到额定电容极板形成的容抗和并行连接额定电感的感抗相同的时候，能够计算得知极板之间的电有效容量。当被测额定电容改变的时候，谐振控制器设备的振荡频次也随后产生改变最终交换是振荡幅值改变，一旦测出振荡幅值的改变就能够推导出被测电有效容量改变。这类模式具备灵活性高，抗电磁影响干扰水平强的优势，但是缺点不足是此模式的测量确定工作电路庞杂，其自动输出非线性关联比较多，环境产生微小漂移都会对准确度影响巨大，为了维持测量确定准确度要求频繁多次的人力校对分析，不太符合科技化第二产业需要。调节频率式谐振作用法基本原理示意图，如下示意图1.7：图1.7调节频率式谐振作用法测量确定原理示意图以上几大类测量确定工作电路的特征如下表1.3所示。表1.3几种微小电容检测方法的对比检测方法特点振荡法灵敏度高，电路简单，操作简便直流充放电法结构简单，成本相对较低，存在电荷注入问题和较大漂移交流电桥法精度高，输出阻抗高，稳定性差调频式谐振法灵敏度高，抗干扰，但结构复杂，非线性大，易漂移通过上述几种微小电容检测模式的研究分析不难得知，这几大类模式都存在各自的优点和缺点与适用行业领域，但是在处理和解决旧有传统类型的圆筒式同轴额定电容式标准液位感应设备的线性度以及容数值偏小所导致的灵活性矛盾问题上还存在改善的分布空间，在目前应用操作环境的测量确定使用里好的测量确定模式应该尽可能简易，稳定，高准确度以及大量的作用控制范围。在本文中，笔者把旧有传统类型的振荡处理法的工作电路展开了改善并且添加了数据工作电路全面处理，最终进行了对照测试实