红外光电数字式油量表的设计开发

　　1　引　　言

　　无论国产车[1,2],还是进口车[3,4],油量表都是基于浮子→滑线电阻→模拟显示(或模数转换→数字显示)的原理,机械传动装置(浮子)、触点接触电阻(滑线电阻)、模数转换都会带来误差,而且随着使用过程触点接触电阻的磨损,将不可避免地出现“零漂”和精度的偏移,使整个仪表寿命期内的精度很难保持一致。事实上,司机也往往是根据油量表刻度加上自己的经验来判断油箱里剩余油量的多少、要不要去加油等等。加油站缺斤少两屡禁不止,甚至发展到用遥控器更改节流系数对抗有关部门的稽查工作。开发新型精确车用油量表,对于规范油料市场,提高运输部门的管理水平意义重大。

　　新型油量表综合应用了红外光电、数字编码、微处理器、数显等技术,硬件设计上革除了常规仪表的模数转换部分,采用红外光电技术和格雷码相结合的手段,提高了测量精度,降低了成本,增强了抗干扰的能力。软件上采用了概率滤波等手段,使采集到的数据更可靠,并且使油量表具备一定的检错功能。

　　2　测量原理

　　新型油量表是通过液位测量来间接获取油量值的,它采用的光电式传感器如图1所示。编码筒内的顶部是一个点光源,通过汇聚透镜汇聚后可以向编码筒的下部投射近似的平行光。液面发生变化,浮子也会一起上下移动,编码筒内的浮子上有一个反光锥,理论上它可以对上部点光源发出的平行光进行全反射。编码筒外环绕编码筒的环状浮子上安装了光电接收管,可　　以接收通过编码筒上刻槽透过的光,进而产生光电信号,然后这些光电信号经过放大调理以后送到了数据处理部分。如果对编码筒的不同高度进行不同的槽刻,那么通过解读光电接收管的信号就可以知道现在浮子所处的位置,也就可以得到油箱内的液位和油量。

　　汽车油箱是标准组件,其高度约为40cm。这样,光在传播过程中的衰减(光强与光传播的距离的平方成反比)会使光电接收管在编码筒顶部和底部接收到的光强不一,因此应采用底部的光强作为设计参数。解释分析如下[6～8]:

　　光线经过锥形反射面反射到光电接收管上,可以假定:

　　(1)实际采用了近红外光(波长9600 ),介质的吸收率很小,可以忽略不计;

　　(2)反光锥体的光洁度很高,作镜面反射,无损失;

　　(3)由于经过了汇聚透镜的汇聚作用,而且R/X 1,故出射角θ很小,因此近似认为照到锥面上的光是均匀的。

　　根据几何光学理论推导出接收到的光电流:

　　当选用HG400砷化镓发射管,3D122型硅光电三极管时,由手册中特性曲线计算出: