（1.同濟大學汽車學院，上海01804；.聯(lián)合汽車電子有限公司，上海0106）

汽車油位傳感器及其發(fā)展動向

徐巍巍1，2，陳慧2
（1.同濟大學汽車學院，上海201804；2.聯(lián)合汽車電子有限公司，上海201206）

詳細論述了汽車油位傳感器的技術現狀，對4種接觸式傳感器（厚膜電阻式、繞線電阻式、密封式、磁性開關式）和4種非接觸式傳感器（霍爾式、磁性浮子霍爾式、電容式、超聲波式）的結構和工作原理進行了介紹，對各傳感器的優(yōu)缺點進行了分析比較。結合目前主流傳感器的發(fā)展動態(tài)，對傳感器的發(fā)展方向進行了總結歸納。

汽車油 位傳感器 接觸式 非接觸式

1 引言

汽車油位傳感器由于持續(xù)浸泡在各種燃油中，使用環(huán)境惡劣，所以其失效一直是售后投訴的重點，也是傳感器供應商研究改進的最重要的課題。

目前市場使用的油位傳感器種類繁多，原理各異，使用環(huán)境也千差萬別，故十分必要對各傳感器的特點進行歸納總結，為新型傳感器的研發(fā)提供參考。油位傳感器主要分為接觸式和非接觸式。

接觸式主要有厚膜電阻式和繞線電阻式等，其制造簡單，價格便宜，應用最廣泛，是目前油位傳感器的絕對主流。為應對復雜的油品，針對厚膜電阻式傳感器的各種改進設計，方興未艾。

非接觸式有霍爾式、超聲波式、電容式等，其電特性不受油品腐蝕影響，但由于成本較高，目前應用很少。但其耐腐蝕優(yōu)勢明顯，仍然是一個發(fā)展的重要方向。

2 接觸式油位傳感器及其特點

2.1 厚膜電阻式

厚膜電阻式油位傳感器結構非常簡單，由厚膜電阻片、電刷（含觸點）、支架和一些傳輸導線組成，再輔助以繞電刷回轉中心轉動的浮子桿組件，如圖1所示。

厚膜電阻式傳感器的優(yōu)點：適應性很強，設計周期短；即便是全新設計，也可僅通過調整電阻片導帶和電阻印刷等工藝來快速實現，具有極高的性價比。通常情況下，其它非接觸式傳感器的一個核心電子器件都有可能超過整個厚膜電阻傳感器的造價。

厚膜電阻式傳感器按照觸點類型進行分類，一般分為單觸點、多觸點和帶狀觸點。觸點多采用貴金屬合金或者銅鍍金制成，具有良好的耐腐蝕能力和導電特性，如圖2所示。

圖1 厚膜電阻式傳感器結構圖

圖2 金觸點

（1）單觸點：屬較落后的設計，材料一般采用貴金屬，接觸區(qū)為圓形點接觸，現在一般不再采用，參見圖3。

圖3 單觸點傳感器

（2）多觸點：目前應用最廣泛的方案，采用冗余設計。觸點材料有貴金屬，也有銅鍍金。圖4是一種雙觸點傳感器。最近幾年針對此類觸點的改進層出不窮，主要集中在改進有效接觸面積、觸點形狀和觸點壓力，優(yōu)化材料組合，減少貴金屬使用等方面。圖5是2種改進設計的觸點形狀。

圖4 雙觸點傳感器

圖5 2種不同形狀的觸點

（3）帶狀觸點：將電刷簧片末端分割成多個觸片，同時壓在電阻片上，其特點是冗余設計，防止一個觸片接觸不良。觸片表面多采用貴金屬鍍層。圖6是2種新型的帶狀觸點結構。

圖6 2種帶狀觸點結構

2.2 繞線電阻式

這種傳感器采用電阻絲纏繞方式，工藝簡單，成本低廉，精度低，多用于輕型卡車等低端市場，如圖7所示。由于其繞線電阻結構原理所限，其阻值變化幅度是一圈電阻線的阻值，所以其電阻值不能非線性設計，設定的油位點也不能過多。

圖7 繞線電阻式傳感器

2.3 密封式

電阻式傳感器具有成本優(yōu)勢，O形圈全密封式的厚膜電阻傳感器應運而生。其結構與普通厚膜電阻傳感器類似，區(qū)別是將觸點、電阻片等易腐蝕的零件密封，轉軸處O型圈密封，密封腔如圖8所示。該類型應用較為狹窄，價格稍貴，主要是針對惡劣油品市場，如巴西。

圖8 密封式厚膜電阻傳感器

2.4 磁性開關式

這種傳感器由膜片電阻片、簧片開關、磁鐵，密封罩、轉軸等組成，其原理如圖9所示。膜片電阻上貼磁性手指形的簧片開關，然后將膜片電阻和簧片開關密封，電阻片背面附有磁鐵；當磁鐵在密封罩外隨浮子擺動旋轉時，磁鐵會吸到該角度下的簧片，此處導帶接通，輸出該角度下的阻值。沒有磁力作用時，簧片會彈起，不會接觸導帶。

這種結構避免了燃油腐蝕而產生的接觸電阻，延長了使用壽命，但制作比較復雜，成本較高，目前還沒有得到廣泛使用。圖10是某公司研發(fā)的該型傳感器的主要部件解剖圖。

圖9 磁性開關傳感器原理圖

圖10 簧片開關式傳感器

3 非接觸式油位傳感器及其特點

3.1 霍爾傳感器式

該傳感器是基于霍爾效應的一種角度測量裝置，圖11是該類傳感器的一種結構形式[1]。當浮子桿旋轉時，磁鐵也跟隨轉動，從而導致霍爾元件周圍的磁場變化，霍爾元件將這種變化轉化為線性信號輸出，經過轉化計算，獲取油位信息。

圖11 一種霍爾傳感器

目前該類傳感器布置形式、種類繁多，但基本原理一致：當轉軸旋轉時，霍爾元件周圍磁場變化，引起霍爾元件輸出變化，進而算出油位。

隨著復雜燃油的應用，霍爾傳感器的耐腐蝕優(yōu)勢將凸現出來；同時，霍爾元件價格降低和質量提高，也促使研發(fā)廉價霍爾傳感器被提上日程，這將是非接觸傳感器的一個重要發(fā)展方向。

3.2 磁性浮子霍爾式

傳感器[2]結構如圖12，帶磁鐵的浮子隨油面在浮筒中上下移動，經過霍爾元件時，引起霍爾元件輸出變化，通過儀表的換算，得到油位的變化數據。

圖12 磁性浮子霍爾傳感器原理圖

目前該類型傳感器有少量應用于市場，其優(yōu)點是精度控制較好，無浮子桿占用空間少；缺點是霍爾元件多，成本很高，所以難以推廣。

3.3 電容式

電容式油位傳感器，多用于汽車油箱、油罐、油庫等油位的精確測量。由于沒有可移動或彈性部件，耐沖擊、安裝方便、可靠性高、精度高，可對汽油、柴油、液壓油等進行準確的測控，也適用于各種非導電液體的測量。

傳感器的主要部分是一個同軸的容器，當油進入容器后引起傳感器殼體和感應電極之間電容量的變化，這個變化量通過電路的轉換并進行精確的線性和溫度補償，輸出信號供給儀表。圖13是此類傳感器的一種結構形式。目前，由于價格高，儀表復雜，所以難以普及到普通轎車上。

3.4 超聲波式

該類傳感器多用于倉儲、化工等物料的測量，目前在汽車油位測量領域應用極少。圖14是某公司研發(fā)的超聲油位傳感器。其優(yōu)點是精度高，探測距離長，受液面晃動影響小，低磁滯作用；缺點是價格貴，約是普通油位傳感器的3倍。

圖13 一種電容式油位傳感器

圖14 超聲波油位傳感器

4 油位傳感器的發(fā)展動向

在油品情況復雜的中國市場，應用最廣泛的厚膜電阻式油位傳感器也顯示出了其局限性。在售后失效中，80%以上是由于導帶觸點腐蝕而引起的電阻輸出不正確或不穩(wěn)定。

尤其是中國的油品市場，良莠不齊。各地出產的原油本身差異比較大，煉制工藝也千差萬別，燃油中所含活性硫、酸性物質也參差不齊。最近幾年風行的生物燃油，如E20，M15等也在一些省份大行其道。惡劣的燃油環(huán)境是傳感器發(fā)展中最大的阻礙。

另外，隨著汽車市場競爭日趨激烈，價格已成為傳感器研發(fā)不能回避的問題。因此，兼顧價格，改善和提高厚膜電阻式傳感器構件自身性能的嘗試非常多。諸如采用特殊的導帶和新型觸點貴金屬材料[3～6]、使用特殊的導帶制作工藝[7]等。

4.1 基于油位傳感器設計自身的改進策略

（1）采用冗余觸點結構設計，這是提高油位傳感器信號質量的有效途徑之一，如圖15所示。

圖15 一種冗余簧片觸點設計

冗余的結構設計不僅提高了傳感器流通環(huán)節(jié)抵抗灰塵等雜質的性能，從而降低油位傳感器的零公里投訴率，而且可以大幅度降低接觸惡劣油品后產生的接觸電阻的不利影響。

冗余結構可以顯著改善傳感器信號的質量。由于是多點接觸，即便是所有的觸點和導帶間均有接觸電阻的情形下，回路的接觸電阻也僅僅為和冗余量相當的多個獨立接觸電阻并聯(lián)之后的效果，接觸電阻會大幅度減小。

（2）增加有效接觸，通過合理設計降低貴金屬使用量。

在使用過程中，真正參與接觸的貴金屬其實只有接觸點附近表面的一小部分，其他用量可能僅僅起到固定支撐的作用，所以結構的合理設計可以減少貴金屬的使用量，降低成本，如圖16所示。觸點改為復合式，也是一種改進的方向。

圖16 改進的觸點結構原理圖

4.2 開發(fā)低成本的非接觸式傳感器

現今非接觸式傳感器的開發(fā)如火如荼，但由于價格較貴，至今還沒有一種能夠占據主導地位的傳感器出現。因此降低成本為這類型傳感器的首要目標。

霍爾式非接觸傳感器經過近幾年的發(fā)展，因其結構接近厚膜電阻式，方便替換，逐漸成為開發(fā)的主流。同時，由于應用擴大，其主要電氣部件——霍爾芯片的成本也逐漸降低。圖17是某公司開發(fā)的霍爾傳感器結構圖。但是，由于油位傳感器的測量角度最大達到100°，且測量精度要求高，目前霍爾芯片的一致性還無法滿足要求，霍爾傳感器距離廣泛應用還有相當長的路要走。

圖17 一種霍爾傳感器模型

4.3 改善傳感器的應用環(huán)境

4.3.1 改進油箱策略

將傳感器置于油箱容積中心可以減小車輛在上下坡時，燃油向油箱一端積聚導致浮子擺動而產生的油位輸出偏差。

建立油箱體積變化與溫度、使用時間的關系模型，并根據這些信息對信號進行修正，可以減少塑料油箱老化變形導致的油位輸出偏差。

4.3.2 改進儀表策略

儀表負責汽車油位傳感器的電源的供給、信號采集和信號處理，它對油位傳感器信號質量的影響是多方面的，同時也最直接、最顯著。

（1）屏蔽儀表電源對油位傳感器信號的干擾。儀表上增加一個對電源電壓的監(jiān)控端，使用輸出電壓的相對值，而非使用其絕對數值。

（2）采用三線結構的油位傳感器。銀基導帶或者觸點被活性硫攻擊后，在二者的結合面形成薄膜接觸電阻，見圖18。普通傳感器僅采集輸出電壓V1，所采集電壓信號摻雜了接觸電阻的Rcontact的分壓效果，不能如實反映燃油的實際狀況。

三線結構的采樣方式是同時采集V1和V2兩個端口的電壓輸出數值，通過在儀表中的電阻值計算，得出能夠剔除接觸電阻的影響。

（3）改進儀表所采集數據的處理方式策略。通常情況下，儀表對采集到的油位傳感器信號都會進行一些濾波處理，常見的方式是連續(xù)采樣，對采樣結果進行取平均值。取平均值的辦法只能夠起到非常有限的削弱接觸電阻對信號質量的影響作用。

圖18 三線結構改善信號質量

合理的處理方式是：不是取平均值，而是直接進行數值比較，選擇采集到的最小阻值。在用戶能夠接受的時間段內，儀表可以判定采集到了正確或者更接近真實狀況的數據，并實際利用之，則信號質量將更接近真實狀況。

（4）確保油位傳感器的最小工作電流。研究表明，在不至于產生電弧效應的前提下，隨電流增大，電流對薄膜電阻的擊穿效應就愈明顯，能夠有效消除接觸電阻的影響。這一電流的最小數值約在20 mA。因此，如果在儀表回路設計之初，能夠考慮電流的影響，不失為一條有效提高油位傳感器信號質量的策略。

5 結束語

從實際應用的角度出發(fā)，廣泛總結現有傳感器的特點，剖析其優(yōu)缺點，并結合實際應用情況，對傳感器的技術發(fā)展方向提出了自己的觀點，具有一定的工程參考價值。

1趙雷剛，莫易敏，孟麗君.基于霍爾元件的新型燃油液位傳感器的設計[J].機電工程技術，2008，37（3）.

2趙剛，陳文薌.基于霍爾效應的浮子式液位計.儀器儀表用戶[J].2001，8（5）.

3 Ireland H W,Farrar R L,Smith E F III,et al. Reliability Improvements for an Automotive Fuel Level Sensor[C].Electrical Contacts.Proceedings of the forty-sixth IEEE Holm conference,2000,pp. 216-224.

4 Ireland H W,Smith E F III.Optimization of the Contact Material and Conductive Ink used for an Automotive Fuel Level Sensor[C].20th International Conference on Electrical Contacts,Stockholm, Sweden,June,2002.

5 Flick S,Kersting R,Malanga D.Requirements for Thick Film Conductor Pastes for Fuel Level Senders [C].International Symposium on Microelectronics (IMAPS)proceeding,2005.

6 Smith E F III,Ireland H W.Design Guidelines for Automotive Fuel Level Sensors[C].SAE 2002-01-1074.

7 Dedert R,Heimann R,Hoffman C,et al.Fuel Tank Resistor Card Having Improved Corrosion Resistance. US 7002447 B2[P].Feb.21,2006.

Automotive Fuel Level Sensor and Its Development Direction

Xu Weiwei1,Chen Hui2
（1.Technical Center of UAES,Shanghai 201206,China; 2.School Of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804,China）

Automotive fuel level sensor can be divided into contact and non-contact types according to application.Technical status of the sensor,structures and working principles of 4-contact types(thick film resistance,winding resistance,sealed,magnetic switching)and 4 non-contact types(hall-type,magnetic float hall-type,capacitive,ultrasonic)are introduced.The advantages and disadvantages of each type are analyzed and compared.The development direction of fuel level sensor is summarized through examining analyzing the causes of complaints about such sensor,current difficulties,and current developments in the mainstream types of the sensor.

automotive,fuel level sensor,contact,non-contact

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.01.001

來稿日期：2010-10-12

徐巍?。?982-），男，在讀碩士研究生，主要研究方向為汽車電子技術。