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专利名称：燃料系统静电电位差液位传感元件及硬件/软件结构的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及燃料系统中的液位传感器，尤其涉及一种在燃料系统中用于测量燃料的静电电位差液位传感元件。
背景技术：
典型的汽车燃料系统包括安装在油箱内的燃料输送系统，该燃料输送系统包括用于通过油箱容纳燃料的储液器。设置在储液器内部的燃料泵从储液器中提取燃料并将其输送至一内燃机。当从储液器中提取出燃料时，燃料检测装置通过传感器测量油箱中剩余的燃料的液位。液位测量机构例如包括浮子臂机构、压力传感器、电容传感器以及超声波传感器。浮子臂机构需要设置在储液器内部的活动件，需要时间来安装，并且有可能会产·生导致错误测量的接触问题。通常，与电路相互作用的浮子被枢转地安装至燃料液位组件，该燃料液位组件与电路相互作用，以根据浮子的上浮位置测量油箱中燃料的液位。电容传感器采用一个电容器用于测量，并采用另一个电容器用于参考。用于测量的电容器通常超过油箱的整体高度，并且其电容量根据油箱内的燃料的液位而不同。参考电容器长期浸在燃料中，并提供燃料的介电常数的参考值。电子电路确定了油箱内燃料的液位。电容器可以是扁平板或圆柱形板，燃料可以在这些板之间下降和上升，从而影响其电容量。这些传感器也可以采用通过干涉效应相互作用的叉指电极形式存在。美国专利号5，001, 596公开了用于液位传感器的电容器，该液位传感器具有细长的可扩展的电容器极板，这些电容器极板相互间隔安装，以形成用于测量表示容器中液体的数据的电容器。这些电容器极板可不断扩展以适应容器形状的任何变化。美国公开号2007/0240506公开了一种感应储液器中的液位的传感组件。一励磁电路与第一端口和第二端口电连接，以用于接收电压信号并产生励磁信号。一接收电路设置于邻近励磁电路的位置，并定义了一个随励磁电路可变的电容。该接收电路产生一输出电压，由于液体使电介质发生了改变，因此励磁电路和接收电路之间的电容量改变，借此使该输出电压随着储液器中的液位而变化。

发明内容
本发明涉及一种燃料系统中的传感元件，尤其涉及一种在燃料系统中用于测量燃料液位和燃料类型的静电电位差液位传感元件。传感元件包括两块安装在一介电材料上并固定至一屏蔽板的电极板。该传感元件被挤压形成一个三维传感元件(例如盘旋的线圈)，该三维传感元件具有增强的电容检测能力，以测量燃料类型及液位。在本发明的一个实施例中，存在一种电容传感元件，其包括至少两块相互间隔设置并连接至一介电材料的细长板，以及偶联至该至少两块细长板的电容元件，从而构成一个电容，其中，电容元件测量的介电常数随着液体和空气介质的变化而变化，且该电容传感元件可以扩展和收缩。
在本发明的一个方面中，该至少两块细长板被挤压形成可扩展和可收缩的大致盘旋的形状，从而改变电容传感元件的高度。在本发明的另一个方面中，该至少两块细长板被挤压至一类似弹簧的材料上，以形成可扩展和可收缩的大致呈螺旋形的形状，从而改变电容传感元件的高度。在本发明的又另一个方面中，该至少两块细长板交错，以形成一个可扩展和可收缩的元件。
在本发明的又另一个方面中，测得的介电常数对应于液位或液体类型。在本发明的另一个方面中，该传感元件向专用集成电路(ASIC)输出一个与测得的介电常数对应的电容量，该专用集成电路将电容量转换为电压，然后该电压被输出至单片机，该单片机将改变输出电路的阻抗，并在一显示器上显示结果。在本发明的又另一个方面中，该液体是用于车辆的燃料，并且该电容传感器适用于扩展和收缩成保存燃料的燃料箱的不同的形状和尺寸。在本发明的另一个实施例中，存在一种采用电容传感元件测量储液器中液体的方法，其包括将至少两块细长板相互间隔设置，并连接至一介电材料，然后将一电容元件偶联至该至少两块细长板，从而构成一电容，其中，电容元件测量的介电常数随着液体和空气介质的变化而变化，且该电容传感元件可以扩展和收缩。在本发明的一个方面中，该方法进一步包括挤压该至少两块细长板以形成可扩展和可收缩的大致盘旋的形状，从而改变电容传感元件的高度。在本发明的另一个方面中，该方法进一步包括挤压该至少两块细长板至一类似弹簧的材料上，以形成可扩展和可收缩的大致呈螺旋形的形状，从而改变电容传感元件的高度。在本发明的又另一个方面中，该方法包括使该至少两块细长板交错，以形成一个可扩展和可收缩的元件。在本发明的又另一个方面中，测得的介电常数对应于液位或液体类型。在本发明的另一个方面中，该方法进一步包括向一个专用集成电路(ASIC)输出一个与测得的介电常数对应的电容量，该专用集成电路将电容量转换为电压，然后将该电压输出至单片机，该单片机将改变输出电路的液位阻抗，并在一显示器上显示结果。在本发明的又另一个方面中，该液体是用于车辆的燃料，并且该电容传感器适用于扩展和收缩成保存燃料的燃料箱的不同的形状和尺寸。


结合下文详细描述的优选实施方案、最佳实施例、所附权利要求和附图，本发明的这些及其它方面、特性和优点将更加容易理解，其中图IA示出了根据本发明的传感元件的剖视图；图IB示出了图IA中的传感元件的剖视面的分解图；图2示出了根据本发明的带有可变高度的传感元件线圈侧视图；图3示出了图2的传感元件线圈的剖视图；图4示出了根据本发明的带有传感元件的系统结构；图5示出了根据图4的实施例的传感元件的电路原理图6说明了如现有技术公知的米用三种尚散频率的电压输出和电容量；图7说明了本发明的呈Z字形的传感元件的典型实施例；图8说明了本发明的呈蛇形的传感元件的典型实施例。
具体实施例方式图IA示出了根据本发明的典型传感元件。此处描述的传感元件被用于测量被感应的液体的液位和/或确定被感应的液体的类型。例如，在汽车环境中，可以使用传感元件测量燃料箱中的燃料的液位，也可以确定燃料箱中的燃料是什么类型。请参考图1A，更详细地描述了传感元件105。在该典型的实施例中，传感元件105具有被挤压至基板SBST上的 两个电极El和E2，该基板SBST安装在屏蔽板SH2上，该屏蔽板SH2可当作固定的参考平面。图IA示出了受挤压的传感元件105的截面AA，这将在下面的说明书中变得容易理解。图IB示出了图IA中的传感元件的分解图。在该分解图中，示出了带有屏蔽板SH2的两块电极板El和E2。正如本领域内容易理解的那样，电容器C2连接电极El和E2，而电容器Cl和C3分别将电极El和E2连接至屏蔽板SH2。电容量可以通过介电常数K 1、K2和Κ3，电极板El和Ε2的面积以及板El和Ε2之间的距离D来衡量，他们的函数关系可以表示为
(.pixkoxkr)C2 =-——^--
(Inx ；[4(\v + d)]/w})其中ko是测试液体的介电常数，kr是基板的介电常数，pi是pi，w是导线(trace)的宽度，以及d是两根导线之间的距离。然而，可以理解的是，两块以上的电极板可以用于产生足够的面积，以实现电容感应。在所述的实施例中，一块板El可当作无源线路(地)，而另一块板E2可当作有源线路(通过一正弦波触发脉冲，未示出)。该有源板将会根据介电常数(燃料或空气)在无源板上感生一正弦波。这两块板(或多个交错的板)并排设置。这些板的封装可以保护这些板免遭磨损或损坏，还可以提高其结构的刚度。图2示出了根据本发明的一个实施例中的传感元件。如图所示，在这个实施例中，该传感元件105呈高度可变的三维盘旋或螺旋线圈形状。然而，可以理解的是，盘旋或螺旋形状是典型的形状，还可以采用各种不同的式样或形状。其式样和形状用于产生足够的表面积，以增强电容感应。该传感元件105的顶端和底端可以机械连接至安装在车辆的储液器或容器中的燃料泵组件。或者，该传感元件105可以安装至一个支架，该支架作为安装在储液器内部的独立装置。在所示的传感元件105的顶部安装有一电路板(PCB)，下文对此进行说明。虽然PCB被安装在传感元件105的顶部，但是该PCB也可以安装在车辆的远离传感元件105的任何位置上。尽管这些设备可以防止燃料吸附，但不可避免的是，经过一定时间以后，它们还是会吸附一些燃料。为了最小化这种吸附，该PCB优选地这样安装该PCB最小程度地浸在燃料中。因此，优选将其安装在传感元件105的顶部，以防止燃料吸附，并且还可以为该传感器提供电路和最接近的位置。在传感元件105的底部设有用于确定燃料箱内燃料的介电常数的校正/检测传感元件107，其将在下文中结合参考附图3进一步说明。传感元件105通过由空气/燃料蒸汽相对液体燃料产生的介电常数的差值来检测容纳燃料的储液器中的燃料液位。如图2中的截面AA所示，在本实施例中，该传感元件105为由一个或多个交错的电极板以及一个屏蔽板SH2组成的盘旋或螺旋的线圈。由于燃料的介电常数非常低(low)，因此优选大的感应板面积，以进行精确测量。就这点而言，为了增加其表面积，可采用三维传感元件线圈设计，该元件可以被压缩或扩展，以适合不同的设计和几何结构，例如，适合燃料箱的尺寸和形状。由于传统的传感元件不易重构以适合多样的设计和结构，因此，上述这种元件是有优势的。如图3所示，位于传感元件105的底部的是由板E6和E7组成的校正/检测传感元件107。该校正/检测传感元件107确定燃料箱内燃料的介电常数。尽管在所示实施例中该校正/检测传感元件107被设置在传感元件105的底部，但其也可以放置在一个远端的位置上。或者，可以采用一个带有预校正的介电常数的元件来代替元件107。图3示出了校正/检测传感元件107的横截面BB，并且其具有一个用于在其中容纳燃料的开口。通过单片机(μ C) 115将该校正/检测传感元件107检测的介电值与对应的不同燃料类型的燃料介电常数的数据库相比较。通过这种方法，单片机115可以确定燃料箱中的燃料是什么类型和/或燃料是否可能被污染。由于知道了燃料的类型，因此，基于·所使用的燃料，车辆的车载计算机可以利用该信息来调整在燃烧阶段中的燃料/空气混合物。例如，用于弹性燃料(flex fuels)的燃料空气混合物与高级燃料不同。这样就不需要在车辆的其它地方使用更昂贵的传感装置。同样地，该校正/检测传感元件107可以用于感应燃料箱中的水或污染物，这是因为这两种材料的介电值与燃料的介电值明显不同。因此，该车载计算机可以提醒司机在车辆燃料箱中存在污染物。图4示出了根据本发明的带有传感元件的系统结构。如图4所示，总体系统100包括传感元件105、ASIC 110 (尽管可以理解为可以采用任何兼容的ASIC，但在本例中为现成的飞思卡尔 ASIC MC33941电场成像设备)、单片机115 (例如由美国微芯 、飞思卡尔 或德州仪器 制造的单片机)、用于控制基态并与单片机连接的电路120以及汽车的燃料计125。在工作中，该ASIC接收传感元件105检测到的信息，并将该传感器产生的电容量转换成对应比例的输出电压。该输出电压被输送至单片机，该单片机改变输出电路的阻抗以符合车辆的要求，然后将该改变的阻抗显示在汽车的燃料计上。图5示出了根据图4的实施例的传感元件的原理图。与传统燃料液位传感器不同，该传统燃料液位传感器需要一个连接至位于燃料箱中的浮子的可变电阻器，本发明具有一个不需要任何活动件即可控制电阻通路接地的固态电路。控制电阻通路的该固态电路由单片机115控制。如图6所示，单片机115接收电路(在本例中为ASIC 110，其产生与电容量成比例的电压输出)输出的模拟输入信号。输出至电极El的ASIC110基频可以通过一个分立电阻器选择。传感元件105由被计算宽度和间距的两个元件或导线(trace)组成。一根导线(电极El)作为发送导线，而另一根导线(电极E2)作为接收器或检测器，它们两者在ASIC110内部接地。在典型的工作过程中，当ASIC 110在电极El上产生一个具有近似5. OV峰间幅值的低射频正弦波时，在接收电极E2上产生一个相比之下相应减小的波。该接收到的波随后通过ASIC 110放大，然后将一个对应成比例的模拟输出电压输出给单片机115。在电极E2上测量的感生的电压作为电极El和E2之间电容量的反函数。电容量增大导致ASIC 110的输出电压减小。包含屏蔽板SH2是为了使沿连接线的电极信号最小化，并且在ASIC 110内的一电路提供了从电极E2返回的交流信号的缓冲信号。由于该交流信号的缓冲信号具有与电极信号几乎相同的幅值和相位，因此，这两个信号之间几乎没有电位差，从而消除任何电场。实际上，该屏蔽板SH2将电极信号和外部噪音隔离。该屏蔽板SH2可以被连接至用于连接电极El和E2的同轴电缆，并且也可以被连接至在电极El和E2背面使用的接地层，以消除会使交流信号衰减的任何噪音。图7和8示出了根据本发明的传感元件的不同实施例。在图7中，传感元件105被挤压形成Z字形状或图案。在图8中，传感元件105被挤压形成蛇形形状或图案。容易理解的是，本发明并不限于这些实例，且该传感元件可以被挤压形成本领域公知的任何形状或图案。
显然，鉴于上述教导，本发明可以有多种修改和变形。因此，应该理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以通过具体描述的方式以外的其它方式实现。
权利要求
1.一种电容传感元件，其特征在于，该元件包括 至少两块相互间隔设置并连接至介电材料的细长板；以及 偶联至该至少两块细长板的电容元件，以构成电容，其中，电容元件测得的介电常数随着液体和空气介质的变化而变化，且该电容传感元件为可扩展和可收缩的元件。
2.根据权利要求I所述的电容传感元件，其特征在于，该至少两块细长板被挤压形成可扩展和可收缩的大致盘旋的形状，从而改变电容传感元件的高度。
3.根据权利要求I所述的电容传感元件，其特征在于，该至少两块细长板被挤压至弹簧状材料上，以形成可扩展和可收缩的大致螺旋的形状，从而改变该电容传感元件的高度。
4.根据权利要求I所述的电容传感元件，其特征在于，该至少两块细长板交错，以形成可扩展和可收缩的元件。
5.根据权利要求I所述的电容传感元件，其特征在于，测得的介电常数对应于液位或液体类型。
6.根据权利要求I所述的电容传感元件，其特征在于，该传感元件向专用集成电路输出与测得的介电常数对应的电容量，该专用集成电路将电容量转换为电压，并且该电压被输出至单片机，该单片机改变输出电路的阻抗，并在显示器上显示结果。
7.根据权利要求I所述的电容传感元件，其特征在于，该液体是用于车辆的燃料，并且该电容传感器适用于扩展和收缩成保存燃料的燃料箱的不同的形状和尺寸。
8.一种利用电容传感元件测量储液器中液体的方法，其特征在于，该方法包括 设置至少两块相互间隔并连接至介电材料的细长板；以及 将电容元件偶联至该至少两块细长板，以构成电容，其中，电容元件测得的介电常数随着液体和空气介质的变化而变化，且该电容传感元件为可扩展和可收缩的元件。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括将该至少两块细长板挤压形成可扩展和可收缩的大致盘旋的形状，从而改变该电容传感元件的高度。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括将该至少两块细长板挤压至弹簧状材料上，以形成可扩展和可收缩的大致螺旋的形状，从而改变电容传感元件的高度。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将该至少两块细长板交错，以形成可扩展和可收缩的元件。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，测得的介电常数对应于液位或液体类型。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括向专用集成电路输出与测得的介电常数对应的电容量，该专用集成电路将电容量转换为电压，并且将该电压输出至单片机，该单片机改变输出电路的阻抗，并在显示器上显示结果。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该液体是用于车辆的燃料，并且该电容传感器适用于扩展和收缩成保存燃料的燃料箱的不同的形状和尺寸。
全文摘要
本发明涉及一种燃料系统中的传感元件，尤其涉及一种在燃料系统中用于测量燃料液位和燃料类型的静电电位差液位传感元件。传感元件包括两块安装在一介电材料上并固定至一屏蔽板的电极板。该传感元件被挤压形成一个三维传感元件(例如盘旋的线圈)，该三维传感元件具有增强的电容检测能力，以测量燃料类型及液位。
文档编号G01F23/26GK102918368SQ201180011352
公开日2013年2月6日 申请日期2011年1月4日 优先权日2010年1月7日
发明者罗伯特·麦戈伊, 约翰·特罗克斯勒 申请人:费德罗-莫格尔公司