具有自動(dòng)糾錯(cuò)功能的汽車油位指示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王建華

（十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，湖北 十堰 442000）

目前汽車上的油位指示系統(tǒng)，主要由燃油表和油位傳感器組成。燃油表大多為電磁式指針表，其結(jié)構(gòu)是在表盤上通過(guò)多條均勻刻線把燃油量分成三格，通過(guò)指針指示燃油量的多少。這種結(jié)構(gòu)的油位指示系統(tǒng)，通過(guò)傳感器把油位信息轉(zhuǎn)換成電阻，然后把這個(gè)電阻串接到汽車蓄電池中，構(gòu)成直流回路，回路中電流的大小和電阻成反比，這樣就可以用電流的大小來(lái)反映油位的高低，把電流計(jì)的刻度用油位（滿油位、半油位、低油位）來(lái)標(biāo)記，就形成了汽車油位表。

這種結(jié)構(gòu)的油位指示系統(tǒng)，傳感器只有一支，當(dāng)汽車在上、下坡或是車身傾斜時(shí)，油位的液面并不是水平方向，傳感器反映的油位并不是真正的油位，顯示的只是大概的油位，無(wú)法得到準(zhǔn)確的油位信息，為了得到準(zhǔn)確的燃油信息，就必須對(duì)現(xiàn)有的油位顯示系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

一、傳統(tǒng)油位顯示系統(tǒng)工作原理及缺點(diǎn)

圖1 傳統(tǒng)油位傳感器的組成

傳統(tǒng)的油位傳感器安裝在燃油箱內(nèi)，由浮子、轉(zhuǎn)軸杠桿及滑動(dòng)變阻器組成，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1：其浮子漂浮在油面上，浮子通過(guò)杠桿帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)端旋轉(zhuǎn)，隨著杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，接入回路中的電阻也隨著改變，回路中的電流也隨著改變［1］。當(dāng)油箱在空油位時(shí)，浮子在油箱的底端，這時(shí)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)端在最高位，接入電路的電阻R′最大，回路的總電阻R總＝R′＋R（R是回路中的限流電阻），回路中的電流I＝ U／R總＝U／（R′＋R），U是汽車蓄電池的電壓，根據(jù)公式可知此時(shí)I最小，油表指針指在最左邊，這個(gè)位置就代表油位在最低位，亦即空油位；當(dāng)給油箱加入燃油時(shí)，隨著油位的上升，浮子也逐漸上升，杠桿帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)端向下旋轉(zhuǎn)，接入回路中的電阻逐漸減小，回路中的電流逐漸增加，指針也逐漸向右偏轉(zhuǎn)，當(dāng)油箱中的油加滿后，浮子就上升到最高點(diǎn)，這時(shí)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)端就旋轉(zhuǎn)到最下端，接入電路的電阻R′就為0，回路中的電流I就最大，指針就指在最右邊，這個(gè)位置就代表了油位在最高位，即滿油位。這種傳統(tǒng)油位傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低，且只有一支傳感器，當(dāng)汽車水平方向時(shí)，油位的液面和油箱的底部平行，油位指示還比較準(zhǔn)確，但是當(dāng)汽車在上、下坡或是車身傾斜時(shí)，油位的液面和油箱的底部不平行（具體細(xì)見(jiàn)圖2），這樣油表指示的油位就不準(zhǔn)確，為了能在任何時(shí)候都能得到準(zhǔn)確的油位，就必須對(duì)傳統(tǒng)的油位表進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 不同狀態(tài)下油箱的油位示意圖

二、具有自動(dòng)糾錯(cuò)功能的汽車油位指示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.油位傳感器的改進(jìn)

傳統(tǒng)的油位傳感器的核心是滑動(dòng)變阻器，滑動(dòng)變阻器主要是用康銅絲（銅鎳合金）繞制而成，其電阻溫度系數(shù)較高，在炎熱的夏季和寒冷的冬季其電阻變化較大；另外潮濕對(duì)其性能影響也很大，線繞電阻器在潮濕條件下使用時(shí)，會(huì)發(fā)生阻值減小、阻值增大、阻值不穩(wěn)以及斷線等故障，失效率相當(dāng)高［2］，這樣油位測(cè)量結(jié)果誤差很大。

為了準(zhǔn)確指示油位，就需要選擇溫度系數(shù)低的電阻組成傳感器，目前金屬膜材料制作的精密電阻，就是很好的替代品，這種電阻，在夏季和冬季其電阻誤差一般都低于1%，油位傳感器的測(cè)試精度可達(dá)到1級(jí)，比傳統(tǒng)的油位傳感器提高了幾十倍以上。

2.測(cè)量電路的改進(jìn)

滑動(dòng)變阻器在使用過(guò)程中，滑動(dòng)端始終和電阻器接觸，觸點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間的摩擦，觸點(diǎn)部位就會(huì)形成一層粉末，造成觸點(diǎn)的接觸電阻變大，而且滑動(dòng)端的觸點(diǎn)很容易被油箱里揮發(fā)出來(lái)的燃油腐蝕，使觸點(diǎn)接觸電阻變大或者絕緣，造成電路故障，甚至還會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)卡滯，致使燃油表指示不準(zhǔn)［3］，所以需要一種新的元器件取代滑動(dòng)變阻器。

干簧管就是取代滑動(dòng)變阻器的最好元件，它作為一種電磁元器件，其電磁特性很早就被應(yīng)用于液位測(cè)量領(lǐng)域，但是因?yàn)橹谱鞴に嚨南拗?，沒(méi)有被廣泛應(yīng)用，直到近幾年銠金屬材料的開(kāi)發(fā)，使得干簧管觸點(diǎn)磁化后消磁時(shí)間大大降低，已經(jīng)可以在液位測(cè)量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用了圖3所示就是一種用干簧管制作的新型油位傳感器，現(xiàn)已逐漸取代傳統(tǒng)的油位傳感器，其內(nèi)部電路詳見(jiàn)圖4所示。

干簧管式傳感器，其測(cè)量原理是：把永久磁鐵裝入油浮子里面，磁鐵隨著油位的升降，磁化同一位置的干簧管，干簧管磁化后就導(dǎo)通，其相應(yīng)位置的電阻就接入到汽車蓄電池，構(gòu)成直流回路，回路中電流的大小就可以反映油位高低。

干簧管式油位傳感器測(cè)量油位時(shí)，浮子不與測(cè)量元件直接接觸，這樣就可以有效避免電路接觸不良的問(wèn)題，并且因?yàn)楦苫晒苡|點(diǎn)開(kāi)關(guān)次數(shù)能達(dá)到億次規(guī)模，使得傳感器的整體使用壽命輕松達(dá)到10年以上，比傳統(tǒng)的滑動(dòng)電阻式傳感器高出很多倍，所以取代其地位也就不言而喻了。

3.糾錯(cuò)功能的設(shè)計(jì)

當(dāng)用一支傳感器測(cè)量油位時(shí)，不管傳感器有多好，當(dāng)汽車在上、下坡或是車身傾斜時(shí)油箱的油位一邊多一邊少，這樣測(cè)量結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確，當(dāng)用兩支傳感器組合測(cè)量油位時(shí)，測(cè)量的結(jié)果就非常準(zhǔn)確了。

圖5 雙干簧管式油位傳感器電路圖

用兩支傳感器組合測(cè)量油位的具體電路見(jiàn)圖5所示，在油箱左右兩邊分別放置一支相同的干簧管式油位傳感器，把這兩支傳感器串聯(lián)接入到電路，產(chǎn)品安裝時(shí)左邊傳感器中干簧管SW1～SW6分別對(duì)應(yīng)右邊傳感器中的干簧管SW7～SW12，且每組對(duì)應(yīng)的干簧管都在同一水平位置，電阻R1～R6分別對(duì)應(yīng)右邊傳感器中的R7～R12，且有R6＝R12＝6R1、R5＝ R11＝5R1、R4＝ R10＝4R1、R3＝ R9＝3R1、R2＝ R8＝2R1、R1＝R7，當(dāng)油面處在油箱的某個(gè)位置時(shí)，左右兩邊傳感器中就會(huì)有一只干簧管導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)位置的電阻就會(huì)接入回路，回路中的總電阻就是R總＝R左＋R右，回路中的電流I＝U／R總＝U／（R左＋R右），和傳統(tǒng)的油位傳感器一樣，此電流反映了油位的高低。

當(dāng)汽車在上、下坡或是車身傾斜時(shí)油面就與油箱底部不平行，油位是一邊高一邊低，如汽車在上坡時(shí)，就是這種情況，其具體油位如圖6所示。

圖6 汽車在斜坡上的油位示意圖

以汽車在水平方向時(shí)的油面作一條虛線（具體見(jiàn)圖7所示），根據(jù)三角形全等條件，不難得到⊿ABC≌⊿EDC，由此得到油位左邊上升的高度AB和右邊油位右邊降低的高度DE端相等，那么左邊傳感器因油位上升而減少的電阻和右邊傳感器因油位降低而增加的電阻就相等，即△R增＝△R降，則接入回路中的總電阻R總＝（R左-△R降）＋（R右＋△R增）卻沒(méi)有發(fā)生任何變化，從而達(dá)到了自動(dòng)糾錯(cuò)功能。

圖7 斜坡上油位分析

三、結(jié)束語(yǔ)

新型燃油表在安裝了由干簧管組成的油位傳感器后，不管汽車運(yùn)行在任何路面都能精確顯示油箱中的油位，從而給駕駛員帶來(lái)極大的方便.本文中的燃油箱為長(zhǎng)方體形狀，對(duì)于不規(guī)則的燃油箱，只要油箱底部是水平的，依然可以通過(guò)雙傳感器電路準(zhǔn)確測(cè)量出油箱中的油位。

［1］丁左武.具有自糾偏功能的數(shù)字式燃油表設(shè)計(jì)［J］.山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（3）：52.

［2］汪源濟(jì).潮濕對(duì)精密線繞電阻器性能的影響［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，1994（4）：50.

［3］趙德剛.貴金屬在油位傳感器上的應(yīng)用［J］.汽車電器，2010（11）：18.