具有自动纠错功能的汽车油位指示系统的设计

王建华

（十堰职业技术学院 电子工程系，湖北 十堰 442000）

目前汽车上的油位指示系统，主要由燃油表和油位传感器组成。燃油表大多为电磁式指针表，其结构是在表盘上通过多条均匀刻线把燃油量分成三格，通过指针指示燃油量的多少。这种结构的油位指示系统，通过传感器把油位信息转换成电阻，然后把这个电阻串接到汽车蓄电池中，构成直流回路，回路中电流的大小和电阻成反比，这样就可以用电流的大小来反映油位的高低，把电流计的刻度用油位（满油位、半油位、低油位）来标记，就形成了汽车油位表。

这种结构的油位指示系统，传感器只有一支，当汽车在上、下坡或是车身倾斜时，油位的液面并不是水平方向，传感器反映的油位并不是真正的油位，显示的只是大概的油位，无法得到准确的油位信息，为了得到准确的燃油信息，就必须对现有的油位显示系统进行改进。

一、传统油位显示系统工作原理及缺点

图1 传统油位传感器的组成

传统的油位传感器安装在燃油箱内，由浮子、转轴杠杆及滑动变阻器组成，具体结构见图1：其浮子漂浮在油面上，浮子通过杠杆带动滑动变阻器的滑动端旋转，随着杠杆的转动，接入回路中的电阻也随着改变，回路中的电流也随着改变［1］。当油箱在空油位时，浮子在油箱的底端，这时滑动变阻器的滑动端在最高位，接入电路的电阻R′最大，回路的总电阻R总＝R′＋R（R是回路中的限流电阻），回路中的电流I＝ U／R总＝U／（R′＋R），U是汽车蓄电池的电压，根据公式可知此时I最小，油表指针指在最左边，这个位置就代表油位在最低位，亦即空油位；当给油箱加入燃油时，随着油位的上升，浮子也逐渐上升，杠杆带动滑动变阻器的滑动端向下旋转，接入回路中的电阻逐渐减小，回路中的电流逐渐增加，指针也逐渐向右偏转，当油箱中的油加满后，浮子就上升到最高点，这时滑动变阻器的滑动端就旋转到最下端，接入电路的电阻R′就为0，回路中的电流I就最大，指针就指在最右边，这个位置就代表了油位在最高位，即满油位。这种传统油位传感器，结构简单，制造成本较低，且只有一支传感器，当汽车水平方向时，油位的液面和油箱的底部平行，油位指示还比较准确，但是当汽车在上、下坡或是车身倾斜时，油位的液面和油箱的底部不平行（具体细见图2），这样油表指示的油位就不准确，为了能在任何时候都能得到准确的油位，就必须对传统的油位表进行改进。

图2 不同状态下油箱的油位示意图

二、具有自动纠错功能的汽车油位指示系统的设计

1.油位传感器的改进

传统的油位传感器的核心是滑动变阻器，滑动变阻器主要是用康铜丝（铜镍合金）绕制而成，其电阻温度系数较高，在炎热的夏季和寒冷的冬季其电阻变化较大；另外潮湿对其性能影响也很大，线绕电阻器在潮湿条件下使用时，会发生阻值减小、阻值增大、阻值不稳以及断线等故障，失效率相当高［2］，这样油位测量结果误差很大。

为了准确指示油位，就需要选择温度系数低的电阻组成传感器，目前金属膜材料制作的精密电阻，就是很好的替代品，这种电阻，在夏季和冬季其电阻误差一般都低于1%，油位传感器的测试精度可达到1级，比传统的油位传感器提高了几十倍以上。

2.测量电路的改进

滑动变阻器在使用过程中，滑动端始终和电阻器接触，触点长时间的摩擦，触点部位就会形成一层粉末，造成触点的接触电阻变大，而且滑动端的触点很容易被油箱里挥发出来的燃油腐蚀，使触点接触电阻变大或者绝缘，造成电路故障，甚至还会导致触点转动卡滞，致使燃油表指示不准［3］，所以需要一种新的元器件取代滑动变阻器。

干簧管就是取代滑动变阻器的最好元件，它作为一种电磁元器件，其电磁特性很早就被应用于液位测量领域，但是因为制作工艺的限制，没有被广泛应用，直到近几年铑金属材料的开发，使得干簧管触点磁化后消磁时间大大降低，已经可以在液位测量领域广泛应用了图3所示就是一种用干簧管制作的新型油位传感器，现已逐渐取代传统的油位传感器，其内部电路详见图4所示。

干簧管式传感器，其测量原理是：把永久磁铁装入油浮子里面，磁铁随着油位的升降，磁化同一位置的干簧管，干簧管磁化后就导通，其相应位置的电阻就接入到汽车蓄电池，构成直流回路，回路中电流的大小就可以反映油位高低。

干簧管式油位传感器测量油位时，浮子不与测量元件直接接触，这样就可以有效避免电路接触不良的问题，并且因为干簧管触点开关次数能达到亿次规模，使得传感器的整体使用寿命轻松达到10年以上，比传统的滑动电阻式传感器高出很多倍，所以取代其地位也就不言而喻了。

3.纠错功能的设计

当用一支传感器测量油位时，不管传感器有多好，当汽车在上、下坡或是车身倾斜时油箱的油位一边多一边少，这样测量结果无法准确，当用两支传感器组合测量油位时，测量的结果就非常准确了。

图5 双干簧管式油位传感器电路图

用两支传感器组合测量油位的具体电路见图5所示，在油箱左右两边分别放置一支相同的干簧管式油位传感器，把这两支传感器串联接入到电路，产品安装时左边传感器中干簧管SW1～SW6分别对应右边传感器中的干簧管SW7～SW12，且每组对应的干簧管都在同一水平位置，电阻R1～R6分别对应右边传感器中的R7～R12，且有R6＝R12＝6R1、R5＝ R11＝5R1、R4＝ R10＝4R1、R3＝ R9＝3R1、R2＝ R8＝2R1、R1＝R7，当油面处在油箱的某个位置时，左右两边传感器中就会有一只干簧管导通，对应位置的电阻就会接入回路，回路中的总电阻就是R总＝R左＋R右，回路中的电流I＝U／R总＝U／（R左＋R右），和传统的油位传感器一样，此电流反映了油位的高低。

当汽车在上、下坡或是车身倾斜时油面就与油箱底部不平行，油位是一边高一边低，如汽车在上坡时，就是这种情况，其具体油位如图6所示。

图6 汽车在斜坡上的油位示意图

以汽车在水平方向时的油面作一条虚线（具体见图7所示），根据三角形全等条件，不难得到⊿ABC≌⊿EDC，由此得到油位左边上升的高度AB和右边油位右边降低的高度DE端相等，那么左边传感器因油位上升而减少的电阻和右边传感器因油位降低而增加的电阻就相等，即△R增＝△R降，则接入回路中的总电阻R总＝（R左-△R降）＋（R右＋△R增）却没有发生任何变化，从而达到了自动纠错功能。

图7 斜坡上油位分析

三、结束语

新型燃油表在安装了由干簧管组成的油位传感器后，不管汽车运行在任何路面都能精确显示油箱中的油位，从而给驾驶员带来极大的方便.本文中的燃油箱为长方体形状，对于不规则的燃油箱，只要油箱底部是水平的，依然可以通过双传感器电路准确测量出油箱中的油位。

［1］丁左武.具有自纠偏功能的数字式燃油表设计［J］.山东理工大学学报，2007（3）：52.

［2］汪源济.潮湿对精密线绕电阻器性能的影响［J］.电子产品可靠性与环境试验，1994（4）：50.

［3］赵德刚.贵金属在油位传感器上的应用［J］.汽车电器，2010（11）：18.