一种电容式液位传感器在燃油液位测量中的应用.pdf

-105-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 2 期三星推荐及的许多技术仍存在不足，在测量的精度和可靠性方面还有待提高。例如光纤液位传感器的技术难度大，工艺复杂，低温光纤的成本高昂，普通光纤的温度特性又不佳，因此并未得到广泛使用。电容式传感器由于其价格低廉，结构简单，稳定可靠，使用寿命长，广泛应用于油量测量领域。但是传统的电容传感器在使用时，由于温度、杂质等因素的影响，会导致燃油的介电常数发生改变，这就使得其测量精度和可靠性会受到影响。如果要保证测量的准确，就需要经常进行校准。但是经常校准十分不便，为测量带来了很大的困难。于是对电容传感器在结构上进行改进，使其减小由于燃油介电常数改变对测量造成的影响。同时给出了测量系统的整体设计，并设计实验对测量系统进行了验证。传统的电容式液位传感器的测量原理传统的电容式液位传感器是由两块同轴安装的极板构成，其结构如图 1 所示。其原理是在传感器中，液面和传感器之间会形成一个电容器。当燃油液位变化时，传感器的电容值也会发生变化。通过测量传感器的电容值，然后使用公式转化得出液位高度。传感器电容的大小取决于介质的介电常数、极板的面积以及极板间距等参数。当传感器置于空气中时，电容传感器处于零位，记此时传感器的电容量为 C0，其值由式（1）给出：（1）其中，0为空气的介电常数，L 为极板的总长度，R 为外极板的半径，r 为内极板的半径，此时电容器的电容值为最小。当液位高度 H 不等于 0 时，此时电容器的电容值可表示为：（2）1为燃油的介电常数。由于 10，于是由式（1）和式（2）可知，当燃油液位高度为 H 时，传感器电容值的变化量 C 为：（3）由式（3）可知在排除外部干扰条件后，参数0、1、L、R、r 均为常量，所以传感器电容值的变化量 C 与燃油液位高度H 成线性关系，只需测出电容值即可计算出燃油液位高度。上述的理论推导是建立在空气与燃油的介电常数恒定不变的基础之上的。一般情况下空气的介电常数可以视为真空的介电常数，可以看作是已知量和常量。但是进行实际测量时，由于受到温度、杂质等因素的影响，燃油的介电常数会行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种电容式液位传感器在燃油液位测量中的应用王 兴 唐庆如 李世林 刘 亮王 兴1 唐庆如1 李世林1*刘 亮21.中国民航飞行学院2.四川新川航空仪器有限责任公司王兴（1998），四川内江，硕士研究生，机械，研究方向：嵌入式开发，传感器技术。通信作者：李世林在飞机运行过程中，对飞机燃油进行准确的检测，是保证飞机燃油系统正常运行的一个关键环节，对于完成飞行任务、保障飞行安全和社会安全，有着重要意义。燃油测量装置的测量精度、可靠性和可维护性对飞机的整体性能有着重要的影响。随着现代科技的快速发展，社会对于燃油测量系统的性能、精度、可靠性等方面有了更高的要求。针对燃油液位测量，国内外采取的技术和产品很多。传统使用的传感器包括浮子式传感器、电容式传感器，随着科学技术的发展，近年来也逐渐出现了许多新型的传感器，如光纤液位传感器、超声波式液位传感器、导波雷达式液位传感器等。但在新型液位传感器的设计上，国内与国外相比存在较大差距，所涉中国科技信息 2024 年第 2 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-106-三星推荐发生改变。因此需要对燃油介电常数变化对测量结果造成影响这一问题进行补偿，于是考虑对传感器在结构上做出改进。改进的电容式液位传感器的测量原理改进的电容式液位传感器在底部增加了一段较短的极板，这一段极板在测量过程中一直完全浸没在燃油当中。上、下两段同样是由同轴的圆柱构成，长度分别为 l、L，内、外半径分别为 r、R。两段之间的间隙很小，在当前的加工技术下可以忽略不计。当传感器置于空气中时，记此时的电容值为零位，可得到参考极板和测量极板的初始电容量分别为 C01、C02，则有：（4）当整个电容传感器完全浸入燃油时，标记此时的电容值，记为满位，参考极板和测量极板的满位分别记为 C11、C12，则有：（5）记当前标记时刻的燃油介电常数为。当进行实际的燃油测量时，燃油的介电常数会受到温度等因素的影响从而发生变化，记每次测量时燃油的介电常数为 r，该参数为一变量。将每次测量时参考极板和测量极板的测量电容值记为 Cx1、Cx2，则有：（6）将式（4）、（5）带入式（6），可得：（7）从式（7）可知，当电容传感器的尺寸固定后，R、r、L、l、0均为已知常数，只有被测燃油的介电常数会发生改变。因此将式（7）进一步化简可得：（8）通过式（8）可知，当采用改进后的分段式构后，被测燃油的液位高度只与电容传感器在各个时段的电容量有关，其中 C01、C02、C11、C12在使用前进行标定实验的时候可以测得，Cx1、Cx2在每次测量时可以测得。由上述公式推导可以看出，改进后的电容传感器采用了分段式结构，也就是在传感器底部增加了一段参考极板，上段称为测量极板。参考极板在测量时的电容值相当于用来表示燃油介电常数的变化，然后把结果反馈给测量极板，最终计算出燃油液位高度。系统总体设计硬件设计由于测量系统是使用电容式液位传感器来测量燃油液位。因此测量过程中涉及微小电容值的检测。目前针对微小电容的检测有以下两种方法：采用分立元件搭建的微小电容检测电路以及采用专用集成芯片搭建的微小电容检测电路。针对微小电容的检测，使用分立元件搭建的检查电路都是模拟电路，其结构复杂，容易引入噪声，维护性不好，抗干扰能力差，同时其测量范围难以扩展，不适用于目前的燃油液位测量。最终通过对比并根据实际需要，选取了德国 Acam公司生产的电容数字转换芯片 Pcap01 来进行电容的测量。该芯片采用mm mm，QFN32 的封装，工作范围温度在-4085，其集成化程度高，体积小，因此在一定程度上也能够简化外围电路，同时具有超低功耗（最低能达到几 A）的优势。Pcap01 的设计基于 ACAM 公司提出的 PICOCAP 测量原理，利用电容器充放电时间与电容值的关系来测量微电容。在转换时间范围内，Pcap01 最快能达到2us 快速测量，测量范围为几 fF 到几百 nF。同时其内部自带 DSP 处理单元，能够把测得的电容值自动转换为 24bit的数字信号输出，也可同时测量多组电容（接地模式下 8 组，漂移模式下 4 组），这也满足改进后的电容传感器的分段式结构，方便了后续信号的处理，也简化了电路结构。整个系统选取 STM32 作为主控芯片，负责整个测量系统的管理、控制以及数据处理等任务。STM32 是一个基于ARM Cortex M3 内核的 32 位处理器，其内部有 RC 振荡器、定时器、SPI 接口、IIC 接口等丰富的片上资源，具图 2 改进的电容式液位传感器的结构示意图图 1 传统的电容式液位传感器的结构示意图-107-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 2 期三星推荐有极高的集成度，同时其便于调试，成本和功耗较低，能完全满足本测量系统的要求。在选取了电容测量芯片和整个系统的控制芯片以后，得到了整个系统的框图 3。测量系统的信号采集工作由 Pcap01 以及相应的外围电路来完成，选取的参考电容的大小为 10pF。由于 Pcap01 的工作电压为 2.13.6V，STM32 的工作电压为 2.03.6V，于是电路采用 28V 的外电源供电，通过降压为 3.3V 后为整个硬件电路供电。一般情况下，飞机上使用的电压为 28V，所以电源模块的功能是将实际电压转换为 3.3V 的使用电压，因此该设计也符合实际应用情况。降压芯片选择的是 L78L33，它是一款三端正电压调节器，最大输入电压为 30V，能提供热过载保护和短路保护，无需外部组件，具有较低的噪声，由此简化了电路结构，能够充分满足需要。软件设计软件部分在 Keil uVision5 集成开发环境下，使用 C 语言进行编写。用 C 语言进行系统软件开发的好处是代码效率高、软件调试和代码维护方便、代码的利用率高、便于代码移植等。软件部分的编写采取模块化的思想，即自顶向下进行编写。软件部分的顶层为主程序，下层为每个模块文件，模块与主程序之间、模块与模块之间的连接通过库文件的调用和函数的调用形式实现。主程序主要完成对各个子程序的调用以及整个系统的初始化（包括初始化 IO 口、Pcap01的配置、系统时钟等），其中 Pcap01 具有自己的一系列固定的操作码命令，初始化需要通信测试并向 SRAM 下载芯片厂商提供的固件，然后按照实际使用需求配置寄存器。信号采集子程序调用 Pcap01 芯片在一定工作频率下进行数据的采集。信号处理子程序对采集到的数据进行计算和处理，将电容值转化为对应的液位信息。通讯子程序完成模块之间的数据传输和控制。整个系统程序流程如图 4 所示。由图 4 可知，测量系统的程序工作流程如下：上电复位后，先进行系统初始化（包括 IO 端口初始化、时钟初始化、Pcap01 初始化等）；然后等待系统指令（收到校准指令，则进行零位或满位的校准；如果未收到校准指令，则直接开始测量）；开始测量，STM32收到Pcap01发送过来的数据，并对数据进行处理和分析；最后将处理结果发送到上位机，对数据进行显示和储存。实验结果及分析首先进行液位传感器的零位和满位校准。将电容传感器置于空气中，发送校准零位指令，将此时测得的电容值记为零位。然后搭建实验平台，考虑到实验室的安全因素，在测量时使用滑油代替燃油。将传感器置于油箱中，控制油泵进行放油，使得滑油完全浸没电容传感器，发送校准满位指令，记录此时测得的电容值，记为满位。然后用油泵进行抽油和放油，模拟飞机燃油的消耗情况，使用高精度激光位移传感器实时测量油箱内滑油的高度作为真实值。分别对 20和30下的滑油进行了测量，实验所得部分数据如表 1 和表 2。表 1 20液位测量实验数据真实值/mm测量值/mm绝对误差/mm相对误差/%3.63.662 90.062 91.7498.762 50.237 52.6316.917.482 90.582 93.4424.925.642 50.742 52.9833.532.892 40.607 61.8144.743.389 51.310 52.9356.855.693 41.106 61.9466.767.362 40.662 40.9973.372.165 91.134 11.5486.988.162 41.262 41.4597.998.963 51.063 51.08表 2 30液位测量实验数据真实值/mm测量值/mm绝对误差相对误差3.53.560 20.060 21.729.18.986 50.113 51.2416.617.165 90.565 93.4025.124.148 90.951 13.7833.132.656 90.443 11.3344.743.781 90.918 12.0556.955.697 11.202 92.1166.968.062 51.162 51.7373.472.134 51.265 51.7287.588.645 91.145 91.3098.299.363 41.163 41.18从上述数据中可以看出，在不同温度下，对应实验测量数据的最大相对误差分别为 3.44%、3.78%。同时两种情况下的最大误差不超过 1.5mm。然后计算出两种情况下的平均误差分别为 0.79mm、0.81mm。从实验结果可以看出该测量系统具有较高的测量精度和稳定性。结语本文提出了一种以电容式传感器为测量基础的飞机燃油液位测量方案，并对电容式液位传感器在结构上进行了改进。同时给出了测量系统的总体设计方案。实验结果表明，在温度变化导致被测介质介电常数发生变化时该测量系统也能够保持高精度的可靠测量，该测量系统的最大测量误差不超过1.5mm，平均误差低于 1mm，最大相对误差低于 4%。由此可见该系统的稳定性好，具有较高的可靠性和测量精度。该测量系统能为现代飞机燃油测量提供一种参考。图 4 系统程序流程图图 3 系统原理框图