汽车油箱液位测量.doc

测试技术课程设计

设计题目：

汽车油箱液位检测
专 业

班 级

学 生

指导教师

、

2012
年
秋季
学期

目录
第一章 引言………………………………………………………………………………3
1.1研究问题提出及意义……………………………………………………………………3
1.1.1 研究问题的提出…………………………………………………………………3
1.1.2 研究的意义………………………………………………………………………3
1.2 国内外相关传感器研究现状 …………………………………………………………3
1.2.1 光钎压力传感器…………………………………………………………………3
1.2.2 电容式真空压力传感器…………………………………………………………4
1.2.3 耐高温压力传感器………………………………………………………………4
1.2.4 硅微机械加工传感器……………………………………………………………4
1.2.5 具有自测试功能的压力传感器…………………………………………………4
1.2.6本文研究的任务 …………………………………………………………………4
第二章 汽车油箱中的传感器 …………………………………………………………5
2.1液位传感器………………………………………………………………………………5
2.1.1 弹簧开关式液位传感器 …………………………………………………………5
2.1.2 热敏电阻式液位传感器 …………………………………………………………5
2.1.3 可变电阻式液位传感器 …………………………………………………………6
2.2汽车油箱液位监测………………………………………………………………………7
2.2.1 概述 ……………………………………………………………………………7
2.2.2 电路工作原理 ……………………………………………………………………8
2.3 汽车油箱检测报警器 …………………………………………………………………9
2.3.1 概述 ……………………………………………………………………………9
2.3.2 系统方案图………………………………………………………………………10
2.3.3 工作原理…………………………………………………………………………10
2.4 电阻应变式传感器的设计应用………………………………………………………11
2.4.1电阻式应变传感器组成……………………………………………………11
2.4.2电阻式应变传感器的优点与缺点…………………………………………12
2.4.3电阻式应变传感器的工作原理……………………………………………12
2.4.4电阻式应变传感器在汽车油箱液位检测中的应用………………………12
2.4.5汽车油箱液位显示电路…………………………………………………………14
第三章 设计总结…………………………………………………………………………14
参考文献……………………………………………………………………………………14

1.引言
1.1 研究问题提出及意义
1.1.1问题的提出
在汽车使用中，对于油箱中油量的检测是十分必要的。因为，如果司机不能及时的了解油箱的油量，就会对出行造成很大的麻烦。而且，油箱的泄漏也会造成极大的能源和经济上的浪费，尤其对像我国一样能源非常紧俏的国家，问题显得尤为突出。所以对于油箱密封性的检测有很重大的实际意义和经济效益。此外，可以设定不同的测试条件，并自动进行合格和不合格的判断。针对由于汽车油箱的各种问题，包括油箱爆炸、汽油油量测量不准确等问题，进行的研究。
1.1.2研究的意义
进行此项研究，旨在尽量减少由于汽车油箱的各种问题所造成的各种事故，以汽油油量测量不准确为主开展此项研究，主要是对于传感器的应用研究，使得传感器的应用得以扩展，开发新式的测量方式。放眼国内外，现在对于油量的测量，主要用到的传感器有光钎压力传感器、电容式真空压力传感器、耐高温压力传感器、硅微机械加工传感器、具有自测试功能的压力传感器。
1.2国内外研究现状
从世界范围看压力传感器的发展动向主要有以下几个方向。
1．2.1 光纤压力传感器
这是一类研究成果较多的传感器,但投入实际领域的并不是太多。它的工作原理是利用敏感元件受压力作用时的形变与反射光强度相关的特性,由硅框和金铬薄膜组成的膜片结构中间夹了一个硅光纤挡板,在有压力的情况下,光线通过挡板的过程中会发生强度的改变,通过检测这个微小的改变量,我们就能测得压力的大小。这种敏感元件已被应用与临床医学,用来测扩张冠状动脉导管气球内的压力。可预见这种压力传感器在显微外科方面一定会有良好的发展前景。
1．2.2 电容式真空压力传感器
E + H公司的电容式压力传感器是由一块基片和厚度为0. 8～2. 8mm的氧化铝(Al2O3) 构成,其间用一个自熔焊接圆环钎焊在一起。该环具有隔离作用,不需要温度补偿,可以保持长期测量的可靠性和持久的精度。测量方法采用电容原理,基片上一电容CP位于位移最大的膜片的中央,而另一参考电容CR 位于膜片的边缘,由于边缘很难产生位移,电容值不发生变化,CP 的变化则与施加的压力变化有关,膜片的位移和压力之间的关系是线性的。遇到过载时,膜片贴在基片上不会被破坏,无负载时会立刻返回原位无任何滞后,过载量可以达到100 %,即使是破坏也不会泄漏任何污染介质。因此具有广泛的应用前景。
1.2.3 耐高温压力传感器
新型半导体材料碳化硅(SiC)的出现使得单晶体的高温传感器的制作成为可能。Rober. S.Okojie报导了一种运行试验达500 ℃的α(6H)SiC压力传感器。实验结果表明,在输入电压为5V ,被测压力6.9MPa的条件下,23500 ℃时的满量程输出44.66～20.03mV ,满量程线度为20.17 % ,迟滞为0.17 %。在500 ℃条件下运行10h ,性能基本不变,在100 ℃500℃两点的应变温度系数(TCGF),分别为20.19 %/℃和- 0.11%/℃。这种传感器的主要优点PN结泄漏电流很小,没有热匹配问题以及升温不产生塑性变型,可以批量加工。Ziermann ,Rene 报导了使用单晶体n型β-SiC材料制成的压力传感器,这种压力传感器工作温度可达573K,耐辐射。在室温下,此压力传感器的灵敏20.2muV/ VKPa。
1.2.4 硅微机械加工传感器
在微机械加工技术逐渐完善的今天,硅微机械传感器在汽车工业中的应用越来越多。而随着微机械传感器的体积越来越小,线度可以达到1～2mm ,可以放置在人体的重要器官中进行数据的采集。Hachol ,Andrzej ;dziuban ,Jan Bochenek报导了一种可以用于测量眼球的眼压计,其膜片直径为1mm。在内眼压为60mmHg时,静态输出为40mV ,灵敏度系数比较高。
1.2.5 具有自测试功能的压力传感器
为了降低调试与运行成本,Dirk De Bruyker 等人报导了一种具有自测试功能的压阻、电容双元件传感器,它的自测试功能是根据热驱动原理进行的,该传感器尺寸为1.2mm ×3mm×0.5mm ,适用于生物医学领域 。
1.2.6本文研究的任务
针对由于汽车油箱的各种问题，包括油箱爆炸、汽油油量测量不准确等问题，进行的研究。旨在发现不同的传感器在汽车上的应用，拓展传感器的应用范围，创新出传感器在油量测量方面的新应用。
2.汽车油箱中的传感器
2.1液位传感器
2.1.1浮子弹簧开关式液位传感器
这种传感器是由树脂圆管制成的轴和可沿轴上下移动的换状浮子组成的。圆管状轴内装有由易磁化的强磁性材料制成的触点（笛簧开关），浮子内嵌有永久磁铁。笛簧开关的内部是一对很薄的金属触头，随浮子位置的不同触头之间或者闭合，或者断开，由此就可以判定出液量是达到规定量，还是少于规定量。
2.1.2 热敏电阻式液位传感器
由于热敏电阻对液位反应敏感，所以可利用热敏电阻式液位传感器检测汽油、柴油的油位。这是利用了热敏电阻上加有电压时，就有微小的电流通过，在电流的作用下，热敏电阻自身就要发热这一性质。热敏电阻的温度特性如图1所示。当热敏电阻置于油中时，因为其上的热量容易散出，所以热敏电阻的温度不会升高而是其阻值增加；反之，当油量减少，热敏电阻暴露在空气中时，因为其上的热量难以散出所以热敏电阻的阻值降低。用热敏电阻与指示灯等组成电路，如图2所示，通过指示灯的亮、灭，就可以判断燃油量的多少。

图1 热敏电阻的温度特性

图2 热敏电阻式液位传感器电路
2.1.3 可变电阻式液位传感器
可变电阻式液位传感器是浮子、内装滑动电阻的本体以及连接这两者的浮子臂构成，如图3所示，浮子可随液位上下移动，这时滑动臂就在电阻上滑动，从而改变搭铁与浮子之间的电阻值，利用这一阻值变化来控制回路中电流的大小，并在仪表上显示出来。

图3 可变电阻式液位传感器

2.2汽车油箱液位检测
2.2.1概述
本文介绍的油量指示器可随时监视油箱，当存油量低于规定油位时就通过LED指示器通知你，并在接近危险油位时发出可闻警报。燃油检测系统由装在油箱上的漂浮传感器和电流表（油表）组成。浮漂物驱动的传感器连接至油箱内部的变阻器，变阻器在油箱变空时呈高电阻，在油箱变满时电阻减小。
2.2.2电路工作原理
燃油监视电路的工作过程是：通过检测油表两端的电压变化，在油箱几乎要变空之前激活蜂鸣器。电路的A点连接至油箱的内端子，B点与车身相连。指示电路由运放芯片CA3140（IC1）、两块555定时器芯片（IC2和IC3）和十进计数器CD4017（IC4）组成。IC1接成电压比较器，其反相输入端②连接基准电压，同相输入端③脚则通过R1连接至油表输入端，抽取出变化的电压。当③脚电压高于②脚电压时，IC2的输出变高，使绿色，LED（LED1）发光，这一状态一直维持到③脚电压低于②脚电压时为止。③脚电压变低后，IC1输出从高至低，经C1送出一负脉冲去触发单稳电路IC2。IC2触发后，其输出变高，并维持由R5和C2决定的一段单稳时间，大约为4分钟。IC2的输出经二极管D2对弛张振荡器IC3供电，其振荡由R6、R7、VR2和C4控制。从图中元件值计算，振荡时接通时间为27秒，断开时间为18秒。IC3的输出脉冲送至IC4的时钟输入脚，其输出也随着输入脉冲逐个变高。当电路接通时，如果车辆油箱里燃油足够，LED1和LED2便发光。当燃油在最低存油线以下时，IC1的输出变低，LED1熄灭，同时IC2的②脚收到负脉冲，IC2的输出变高并维持4秒左右时间，在这段时间里，IC4的脚从IC3的输出接收时钟脉冲（由低至高）。第一个脉冲输入后，IC4的Q0输出变高，表示安全油位的绿色指示灯LED2发光约50秒。　第二个脉冲输入后，IC4的Q1输出变高，表示低油位的黄色指示灯LED3发光约45秒，同时电路发出音频警报，提醒你燃油即将用完。第三个脉冲输入后，LED3熄灭，蜂鸣器停止鸣叫。从此刻至Q5输出变高之前还有2分半钟的间隙。到Q5输出变高时，表示最低油位的红色指示灯LED4发光约4分钟，此后，IC3供电中断。Q5的输出状态不变，一直维持到其脚又收到下一个由低至高的时钟输入为止。所以LED4将一直发光，蜂鸣器也一直鸣叫，这表示汽车燃油马上就要耗完。IC4的Q6输出经D3连接至其复位脚，这表示从Q5变高之时起，计数总是从O0开始。C5用作在S1合上时对IC4复位。IC1的输出也经D1连接至IC4的复位脚，因此只要油箱内的油量在最低油位以上，LED2总是发光，指示油箱中的油量足够。电路装好后调整VR1使IC1②脚上的电压降至1.5V为止。在A点连接至油表接漂浮传感器的一端后，绿色指示灯LED1和LED2发光，表示燃油量正常。VR2可用来设定IC3的接通时间在20秒左右。

图4 工作电路的整体电路图
2.3汽车油箱检测报警器
2.3.1概述
本次设计系统以 AT89S52 为核心，当测量液面超过设定的液面上下限时，启动蜂鸣器和指示灯报警显示稳定，从而达到自动报警的功能。随着社会的进步、生产工艺和生产技术的发展，人们对液位的检测提出了更高的要求。而新型电子 技术微电子技术和微型计算机的广泛应用于普及，单片机控制系统以其控制精度高，性能稳定可靠，设 置操作方便，造价低等特点，被应用到液位系统的控制中来。本文介绍了用液位检测集成芯片 LM1042 和 A/D 转换芯片 A/D574A，以及 AT89C51 单片机作为主控元件的液位检测的原理、电路及监控程序。用 LM1042 液位检测集成芯片测量液位，具有测量精度高、速度快、可靠、稳定等优点；采用单片机来控 制液位信息的采集，并且计算出真实液位值，通过运算判断是否超限报警，使检测具有更高的智能性。
2.3.2.系统方案框图
图5 系统方案框图
2.3.3.工作原理
当液位高于X1(X1<800mm) 时，鸣响振铃并点亮红色LED灯 ,液位低于X2(X2>0)时，鸣响振铃并点亮黄色LED灯；当液位处于X1和X2之间时，点亮绿色LED灯。如下图

图6 报警部分电路图
2.4电阻应变式传感器的设计应用
2.4.1电阻应变式传感器组成
电阻应变式传感器（straingauge type transducer ）以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。
电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。
导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。
直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。
下图为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源E：

图7 直流供电的平衡电阻电桥电路图
当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。
当忽略电源的内阻时，由分压原理有：

= （2.2）
当满足条件R1R3=R2R4时，即

（2.3）
=0，即电桥平衡,式（2.3）称平衡条件。
应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。
若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（2.2），则电桥输出为

(2.4)

应变片式传感器有如下特点：
（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。
（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。
（3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。
2.4.2电阻式应变传感器的优点与缺点
常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器（见转矩传感器）、应变式位移传感器（见位移传感器）、应变式加速度传感器（见加速度计）和测温应变计等。电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广,寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。
它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。
2.4.3电阻式应变传感器的工作原理　　
传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。
2.2.4电阻式应变传感器在汽车油箱液位检测中的应用
压力
压力传感器
放大电信号
A/D转换
压力信号
单片机

电阻应变式传感器的工作原理图

图8 汽车油箱结构图
1— 吸油管 2—网式过滤器 3—回油管 4—油箱顶盖 5—油面指示器
6、8—隔板 7—放油塞 9—金属箔片电阻应变片
工作原理：如图8所示，当油箱中储有汽油时，对底部产生一定的压力，即对金属应变片（9）产生应变力，使得其电阻值发生改变。经过仪器测量出其阻值变化，并将其转化为电信号并做相应的放大处理，经单片机处理后输出在仪表上。油箱中其他部分结构及原件，包括防爆装置等。

2.4.5汽车油箱液位显示电路
单片机输出信号
R‘’‘‘’‘’
E
油量表
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图9 汽车油箱液位显示电路
3.设计总结
我的研究题目是汽车油箱液位的检测。经过将近两周的课程设计，我上网、看书查阅资料，了解了汽车油箱的内部结构，传感器现阶段国内外的应用研究，同时也知道了几种液位传感器的工作原理，并且自己应用电阻应变式传感器设计测量电路，实现对汽车油箱液位的检测。在查询资料的过程中，我学会了对于文献、期刊的搜索、阅读，并且快速找到自己所需要的资料，从中提取自己所用的信息，整合。
参考文献
①方锡邦; 张路; 张肖康; 张敏; 黄万顺; 汪长根; 汪知望《车用燃油箱油位传感器》
②裴家华; 郝娟; 陶兵文《汽车油箱(L41AA)》