一种高精度燃油油位测量系统及测量方法与流程

1.本发明属于油箱内油位高度实时测量技术领域，具体地说，涉及一种高精度燃油油位测量系统及测量方法。


背景技术：

2.传统的电容式燃油油量传感器能够连续将油箱内的液位高度转换成电容值输出，结合燃油计算机使用，是一种较为通用的的液位测量方法，尤其是在大型飞机燃油测量系统中，更是广泛采用，其缺点是不能单独为飞机提供油位输出。目前很多小型飞机，如直升机或无人机，由于其研发资金及传感器安装位置受限，不能使用燃油测量系统，多采用能直接输出油位高度或者燃油体积等信息的数字式油位传感器。
3.但目前的数字式油位传感器普遍存在造价偏高、采集电路较复杂（通常包括运算放大器、电桥转换电路、信号激励源、模数转换器等）、用于放置采集转换电路所需安装空间较大、且没有考虑集成于传感器内部的采集电路及元器件在不同工况和干扰环境下会由于本身技术参数漂移带来的采样误差，从而会造成油位测量出现偏差等问题，抗干扰能力较低。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的上述缺点，提出了一种高精度燃油油位系统及测量方法，与传统的油位传感器相比，结构简单，造价成本低，采集的电路简单，并通过设置了参考电路和测量电路，提高了抗干扰的性能，且本发明的占用空间极小。
5.本发明具体实现内容如下：本发明提出了一种高精度燃油油位测量系统，安装在燃油油箱上，所述高精度燃油油位测量系统包括被测电容c、c-f变换电路、隔离比较电路、信号处理电路、上位机；所述c-f变换电路包括测量电路和参考电路；所述被测电容依次与测量电路、隔离比较电路、信号处理电路构成一条信号流转处理通路；所述参考电路依次与隔离比较电路、信号处理电路构成另一条信号流转处理通路；所述信号处理电路输出端还与上位机连接；所述参考电路与测量电路使用元器件及元器件参数完全一致。
6.为了更好地实现本发明，进一步地，所述测量电路包括运算放大器a1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4；所述被测电容c接地后搭接在运算放大器的负极输入端；所述电阻r4在输入端连接电源vcc后输出端搭接在运算放大器a1的正极输入端上；所述电阻r3输入端搭接在电阻r4的输出端上，所述电阻r1输入端连接被测电容c，所述运算放大器a1的输出端连接电阻r2后分别与电阻r1的输出端、电阻r3的输出端连接共同构成测量电路的输出端并与隔离比较电路连接。
7.为了更好地实现本发明，进一步地，所述参考电路包括运算放大器a2、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、参考电容c1；所述电阻r5输入端连接电源vcc后搭接在运算放大器a2的正极输入端，所述参考电容c1接地后搭接在运算放大器a2的负极输入端；所述电阻r8的输入端与参考电容c1连接，所述电阻r6的输入端与电阻r5的输出端连接，所述运算放大器a2的输出端连接电阻r7后与电阻r6的输出端、电阻r8的输出端共同构成参考电路的输出端并与隔离比较电路连接。
8.为了更好地实现本发明，进一步地，所述隔离比较电路包括运算放大器a3、电阻r9、电阻r10、三极管q1、运算放大器a4、电阻r11、电阻r12、三极管q2；所述三极管q1的基极作为隔离比较电路与测量电路连接的输入端，三极管q1的集电极连接电源vdd，发射极接地且接出一路与运算放大器a3的负极输入端连接；所述电阻r9输入端连接电源vdd后与运算放大器a3的正极输入端连接，所述运算放大器a3的输出端连接电阻r10后与信号处理单元连接；所述三极管q2的基极作为隔离比较电路与参考电路连接的输入端，三极管q2的集电极连接电源vdd，发射极接地且接出一路与运算放大器a4的负极输入端连接；所述电阻r11输入端连接电源vdd后与运算放大器a4的正极输入端连接，所述运算放大器a4的输出端连接电阻r12后与信号处理单元连接。
9.本发明还提出了一种高精度燃油油位测量方法，基于上述的高精度燃油油位测量系统，所述高精度燃油油位测量方法包括以下步骤：步骤s1：使用c-f变换电路采集被测电容c的信号，并将采集到的电容信号转换为频率信号；步骤s2：将转换得到的频率信号发送到隔离比较电路进行隔离和调整，得到隔离和调整后的频率信号；步骤s3：通过信号处理电路接收隔离和调整后的频率信号，并进行插值计算求出当前油箱的燃油液位高度并发送给上位机。
10.为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s1中收集被测电容c的电容信号转换得到频率信号f1，收集参考电容c1的电容信号转换得到频率信号f2发送到隔离比较电路。
11.为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s2中，接收到频率信号f1和频率信号f2后，通过隔离比较电路对频率信号f1和频率信号f2进行调整频率信号峰峰值，过滤掉方波信号中的干扰分量，最终得到隔离和调整后的频率信号。
12.为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s3中，通过信号处理电路分别接收频率信号f1和频率信号f2，并转换为与被测电容c的电容信号成正比例关系的周期型号t1和周期型号t2；所述周期型号t1和周期型号t2与液位高度h成正比例关系，通过对周期型号t1和周期型号t2进行插值计算得出当前油位高度h；设经过隔离比较电路处理后的频率信号f1和频率信号f2；产生的偏移分别为
△
f1、
△
f2，通过参考电路计算出偏移
△
f2，然后根据偏移
△
f2计算出偏移
△
f1，并使用
△
f1对进行频率信号f1修正。
13.本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
c-f变换电路，用于实时将待测电容的电容信号转换成频率信号，其电路仅由运算放大器及电阻等基础元器件组成，电路原理简单，相比于其他数字式燃油测量传感器所采用的燃油测量方法，其成本将大大降低，电路所需安装空间也大大缩小，能很好的解决现在越来越多无人机或者直升机所面临的研发资金受限、数字式油位传感器的采集转换电路安装空间不够等问题。且c-f变换电路集成了测量电路和参考电路，可消除受电路外界干扰产生的硬件参数偏移而带来的转换误差，提高电路的测量精度，抗外界干扰能力强。
附图说明
14.图1是本发明电路结构框图；图2是c-f变换电路原理示意图；图3是隔离比较电路示意图。
具体实施方式
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
17.实施例1：本实施例提出了一种高精度燃油油位测量系统，安装在燃油油箱上，如图1所示，所述高精度燃油油位测量系统包括被测电容c、c-f变换电路、隔离比较电路、信号处理电路、上位机；所述c-f变换电路包括测量电路和参考电路；所述被测电容依次与测量电路、隔离比较电路、信号处理电路构成一条信号流转处理通路；所述参考电路依次与隔离比较电路、信号处理电路构成另一条信号流转处理通路；所述信号处理电路输出端还与上位机连接；所述参考电路与测量电路使用元器件及元器件参数完全一致。
18.实施例2：本实施例在上述实施例1的基础上，如图2所示，为了更好地实现本发明，进一步地，所述测量电路包括运算放大器a1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4；所述被测电容c接地后搭接在运算放大器的负极输入端；所述电阻r4在输入端连接电源vcc后输出端搭接在运算放大器a1的正极输入端上；所述电阻r3输入端搭接在电阻r4的输出端上，所述电阻r1输入端连接被测电容c，所述运算放大器a1的输出端连接电阻r2
后分别与电阻r1的输出端、电阻r3的输出端连接共同构成测量电路的输出端并与隔离比较电路连接。
19.为了更好地实现本发明，进一步地，所述参考电路包括运算放大器a2、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、参考电容c1；所述电阻r5输入端连接电源vcc后搭接在运算放大器a2的正极输入端，所述参考电容c1接地后搭接在运算放大器a2的负极输入端；所述电阻r8的输入端与参考电容c1连接，所述电阻r6的输入端与电阻r5的输出端连接，所述运算放大器a2的输出端连接电阻r7后与电阻r6的输出端、电阻r8的输出端共同构成参考电路的输出端并与隔离比较电路连接。
20.工作原理：所述c-f变换电路包括测量电路和参考电路，所述测量电路测量被测电容的电容信号，并将其转换成相应的频率信号，所述参考电路产生固定频率信号，参阅图2；测量电路和参考电路产生的频率信号经所述隔离比较电路进行隔离比较处理，产生供信号采集电路采集的频率信号；测量电路和参考电路产生的经隔离比较电路处理后的频率信号接入信号处理电路的处理器i/o接口，由处理器对其进行计算处理，计算出c-f变换电路因外界干扰而产生的变换误差，用以消除外界干扰带来的测量误差，并以此提高c-f变换电路的变换精度和抗干扰能力，处理器将频率信号f换算成与传感器浸油高度成正比的周期信号，并对所述测量电路和所述参考电路产生的周期信号做分析处理，然后通过插值计算出当前油位高度，最终将计算得出的油位高度信息发往上位机。
21.本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
22.实施例3：本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，为了更好地实现本发明，如图3所示，进一步地，所述隔离比较电路包括运算放大器a3、电阻r9、电阻r10、三极管q1、运算放大器a4、电阻r11、电阻r12、三极管q2；所述三极管q1的基极作为隔离比较电路与测量电路连接的输入端，三极管q1的集电极连接电源vdd，发射极接地且接出一路与运算放大器a3的负极输入端连接；所述电阻r9输入端连接电源vdd后与运算放大器a3的正极输入端连接，所述运算放大器a3的输出端连接电阻r10后与信号处理单元连接；所述三极管q2的基极作为隔离比较电路与参考电路连接的输入端，三极管q2的集电极连接电源vdd，发射极接地且接出一路与运算放大器a4的负极输入端连接；所述电阻r11输入端连接电源vdd后与运算放大器a4的正极输入端连接，所述运算放大器a4的输出端连接电阻r12后与信号处理单元连接。
23.本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
24.实施例4：本实施例还提出了一种高精度燃油油位测量方法，基于上述的高精度燃油油位测量系统，所述高精度燃油油位测量方法包括以下步骤：步骤s1：使用c-f变换电路采集被测电容c的信号，并将采集到的电容信号转换为频率信号；步骤s2：将转换得到的频率信号发送到隔离比较电路进行隔离和调整，得到隔离和调整后的频率信号；
步骤s3：通过信号处理电路接收隔离和调整后的频率信号，并进行插值计算求出当前油箱的燃油液位高度并发送给上位机。
25.为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s1中收集被测电容c的电容信号转换得到频率信号f1，收集参考电容c1的电容信号转换得到频率信号f2发送到隔离比较电路。
26.为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s2中，接收到频率信号f1和频率信号f2后，通过隔离比较电路对频率信号f1和频率信号f2进行调整频率信号峰峰值，过滤掉方波信号中的干扰分量，最终得到隔离和调整后的频率信号。
27.为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s3中，通过信号处理电路分别接收频率信号f1和频率信号f2，并转换为与被测电容c的电容信号成正比例关系的周期型号t1和周期型号t2；所述周期型号t1和周期型号t2与液位高度h成正比例关系，通过对周期型号t1和周期型号t2进行插值计算得出当前油位高度h；设经过隔离比较电路处理后的频率信号f1和频率信号f2；产生的偏移分别为
△
f1、
△
f2，通过参考电路计算出偏移
△
f2，然后根据偏移
△
f2计算出偏移
△
f1，并使用
△
f1对进行频率信号f1修正。
28.工作原理：所述c-f变换电路仅通过运算放大器、电阻等器件实现对被测电容信号的变换。所述c-f变换电路包括测量电路和参考电路；其中，所述测量电路用于采集被测电容c的电容信号，将电容信号转换成与被测电容c对应的频率信号f1。为提高所述c-f变换电路抗干扰能力，c-f变换电路还提供一参考电路，其产生固定频率信号f2，用于补偿c-f变换电路中的测量电路受外界干扰因素而产生的变换误差。
29.进一步的，为了更好地实现本发明，c-f变换电路中测量电路和参考电路输出的频率信号f1、 f2均需通过所述隔离比较电路对其进行进一步处理；隔离比较电路作为中间级电路，其对c-f变换电路的采集变换无影响，将c-f变换电路与后级的信号处理电路进行隔离，同时调整频率信号峰峰值，并过滤掉方波信号中的干扰分量，最终得到纯净的频率信号，以实现更精确的采样变换，同时满足后级电路采集需求。
30.进一步的，为了更好地实现本发明，经隔离比较电路处理后的频率信号由信号处理电路进行采集并进行进一步的处理；所述信号处理电路由处理器及外围电路构成，信号处理电路通过处理器的不同i/o口分别采集c-f变换电路的测量电路和参考电路输出的经隔离比较电路处理后的频率信号，并将频率信号f1、 f2转换成与被测电容c成正比例关系的周期信号t1、 t2。由于被测电容c的电容值随油位高度h而变化，且成正比例关系，故计算出的周期信号t1也与高度h成正比例关系。信号处理电路可由该周期信号通过插值计算出当前油位高度。
31.所述高精度燃油油位测量方法抗干扰能力强在于其c-f变换电路集成了测量电路和参考电路，所述测量电路和所述参考电路的器件参数应完全一样，在受到外界干扰时，测量电路和参考电路对外界干扰的反应也基本一样，经隔离比较电路处理后的频率信号会偏移
△
f1、
△
f2，且
△f1≈
△
f2。
△
f2的值可通过参考电路输出的频率f2前后比较计算得出。信号处理电路在计算处理测量电路输出的频率f1时，可根据
△
f1排除测量电路在受到外界干扰时产生的偏移误差，进而得到精确的频率采样值。所述高精度燃油油位测量方法通过软件硬件结合方式，消除了绝大部分因外界干扰给测量电路带来的变换误差，确保在产品受到外界干
扰时的测量准确性。
32.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。