《某电容式燃油液位传感器的结构改进设计案例5500字》

某电容式燃油液位传感器的结构改进设计案例综述目录TOC\o"1-2"\h\u14036某电容式燃油液位传感器的结构改进设计案例综述 113901.1传感器材料选择 119155 110744 2301391.2影响传感器因素分析 212615 221207 48063 523472 6240831.3对传感器的改进分析 96583 910065 101.1传感器材料选择传感器探杆，即由内、外极板共同构成的电容器结构，是直接与被测中间介质接触，自动感应电有效容量改变的基本单元，是整个额定电容式感应设备里十分关键的一些，而构成探杆的内、外极板就是其中心组成部件，对感应设备的灵活性、准确度等标准有严重影响，因此对探杆的极板物质材料选用的研究分析是非常重要的。参考依据第2章的主要内容研究分析，这个感应设备应用在对燃油等绝缘液体的测量确定，所以能够选用塑性优良分布状态持久的金属作为极板。同时，由于传感器要在油液中长期应用，还应具有良好的耐腐蚀性，且由于热胀冷缩效应的影响，实际温度改变容易导致金属的有效尺寸产生改变影响测量确定最终结果。所以，综合以上研究分析，应该选用可塑性好、耐腐蚀变质、线膨胀参数小的金属物质材料作为感应设备的极板物质材料。通常普遍常用的金属物质材料有铅黄铜、不锈钢及铝合金等，有特殊要求时，也能够运用钛合金等。铅合金物质材料散热好，运营费用少，但是线膨胀参数比较多，受热弯曲变形量比较多，不合适作为测量确定工作电极物质材料；黄铜的线膨胀参数比铝合金的线膨胀参数低，生产加工便利，但成本要比铝合金稍高，且如果表面处理不好，变色氧化等现象较常见；不诱钢材料的线膨胀系数比黄铜更小，且硬度更高，比较耐腐蚀和磨损，如果对重量参数要求不高时，可以作为电极材料使用；相对而言，钛合金材料在各项性能指标方面均优于前三种金属材料，硬度更高，更耐盐雾腐蚀和磨损，受热基本不发生变形，且对于目前军事装备轻量化要求常态化的形势，对比分析后相对稍高的材料成本也在可以接受的范围之内，因此，将钛合金材料作为本文中电容探杆的极板材料使用比较适合。传感器探杆须由金属材料制成，为了使其有效隔离，确保内外电极之间的绝缘性，应选用绝缘材料作为电极的连接固定材料。另一方面，传感器底座与油箱之间的连接是依靠带螺栓孔的法兰进行固定的，需要有足够的抗压强度，采用合适的金属材料才能满足产品所需的机械应力需求。综上所述，本文沿用之前已有的传感器底座结构，采取两种部件复合组装的方法构成传感器安装底座。传感器底座主体由常用的黄铜材料加工制作，易加工成型；同时，底座主体与内外电极的隔离则选用聚四氟乙烯材料。由于使用环境的影响，长期处于油气浸泡环境下，一般常用的绝缘材料，比如云母、陶瓷等，绝缘性可以满足要求，但比较难加工，加工成本较高。相对而言，聚四氟乙烯材料，良好的绝缘性、耐高低温性、耐磨损性、耐腐蚀变质性，可以承担强酸、强氧化化学试剂、自动还原化学试剂与多种有机化学溶剂的腐蚀变质，是作为传感器电极连接固定很好的绝缘物质材料。聚四氟乙烯物质材料简单生产加工，也是感应设备的装配设计组装设置供应了便利。1.2影响传感器因素分析感应设备综合系统设计时，参考依据基本理论，思考多种环境影响因素对测量确定最终结果的影响作用，通过研究初步基本上得知对感应设备导致影响的影响因素有如下多个层面：探杆有效长度、实际温度、感应设备装配设计、极板分布边缘作用效应等。对电容量进行计算时，可以将传感器探杆即内外极板，其长度看作一个理论值，但在实际加工过程中，探杆长度与理论值之间难免会有误差，有必要对其进行分析。仍以图2.2为例，假设探杆长度为L，存在误差记为ΔL，那么电容量变为：C＇=C油+C空=2πε则附加电容ΔC＇为：ΔC＇=C＇-C=2πε设附加电容在总电容中占比为K，则：K=ΔC＇C＇=ΔL定义探杆长度相对误差α=ΔL/L，则式（2-13）可以变换为：K=ΔC＇C＇=α根据计算方程式（3-4）能够得知，在探杆有效长度相对有效误差恒定的时候，附加额定电容比例随标准液位增高而减少。而当标准液位实际高度恒定时，可将分母的部分内容记作常数S，则附件电容的占比可用K=α/(S+α)。在两种情况下，分别将非变量作为定值，那么附加电容占比K与变量H，K与变量α之间可以对应关系可以如图1.1和图1.2所示。图1.1α不变时附加电容占比K与液位高度H的变化曲线图如图1.1，假设极板长度300mm，相对误差保持不变设为定值0.17%，附加电容在总电容中占比Ｋ随高度增加减小。如图1.2，假定标准液位实际高度等其他系数不改变，极板相对有效误差从0改变到0.3的时候，附加额定电容在总额定电容里比例相似呈线性增长。图1.2H不变时附加电容占比K与相对误差α的变化曲线图综上所述，在生产加工制造感应设备探杆极板的时候，应该保障在有效长度方面的有效误差尽可能小，尽可能降低由有效长度有效误差所创造的附加额定电容影响。每一个物质材料都具备热胀冷缩的特征，实际温度对探杆的影响作用，就是感应设备探杆的热胀冷缩效应。当实际温度产生改变的时候，探杆极板的有效尺寸也会转变，从而影响电有效容量，这一改变作用程度和极板物质材料的线膨胀参数相关。和电容量相关的变化量有：内外极板有效直径R0、R1与极板有效长度L。如果温度改变Δt，则变化后的电容量为：C＇=2πε油L（1+式中，α1为极板轴向线膨胀系数；α2为极板径向线膨胀系数；此时，附加电容ΔC＇为：ΔC＇=C＇-C=2πε附加电容量相对于原电容量的比例K＇为：K＇=ΔC＇C=α1根据计算方程式3-7能够得知，电有效容量改变和极板的线膨胀参数与实际温度改变量相关。感应设备极板物质材料是钛合金的时候，其线膨胀参数是8.2e-6/.0摄氏度，如果Δt=10.0摄氏度，这个时候K＇大概是0.008%。综上所述，实际温度改变较小时之后，感应设备极板热胀冷缩创造的电有效容量改变比较低，对感应设备总电有效容量比例比较小，在一定作用范围内可不考虑。以同轴空芯圆筒形电容传感器为例，理论计算是默认为严格同轴，但是由于在实际装配过程中，两个圆筒的轴心有可能并不在一条直线上，因此轴心不同而会引入装配误差，所以存在轴偏离时对传感器电容量的影响也是需要分析研究的。两圆筒不同轴的示意图如图1.3所示。图1.3内外极板不同轴2个内外部圆筒的有效半径依次是R0与R1，因为装配设计的有效误差导致它们的轴偏距是ｄ的时候，能够恨据运算方程式3-8运算其额定电容数值：C＇＇=2πε根据以上方程式能够得知，轴偏距愈大，感应设备的额定电容数值C也愈大。当感应设备极板符合基本条件d＜R1-R0＜＜R0的时候，可计算可知：C≈2πε所以，由轴偏距所导致的附加额定电容ΔC＇＇相似是：ΔC＇＇≈2πε油LR1附加电容量相对于总电容量的比例K＇＇为：K＇＇=ΔC＇C=d假设轴偏距比例为β，d能够满足：d=β（R1-R0）（3-12）综合式3-11与式3-12，可得：K＇＇=β1−β（3-13）将β设定在0-0.1之间，式3-13可以转换为一条曲线，该曲线如图1.4所示。图1.4附加电容占比K＇＇受轴偏距比例β的影响曲线结合式3-13和图1.4能够得知，伴随着装配设计时误差减小，附加额定电容比例也随后加大，相似呈线性。所以，要尽可能降低装配设计时候的有效误差，规避比较多的装配设计有效误差对感应设备测量确定所得的电有效容量导致影响。按照理论情况分析，电容器的理想模型下，其正负两极板间存在的电场线应该是垂直的，且应均匀分布。但从多种研究及实验的实际情况看，存在于极板电容器设备内部之间的工作电场分散是分布均匀的，极板分布边缘的工作电场线就会表现出向外分布弯曲变形的实际现象，而这类在电容器设备极板分布边缘产生的工作电场分布问题现象我们把其称之为电容器设备的分布边缘作用效应。由于分布边缘作用效应的产生存在，电容器设备的灵活性就会减少，非线性关联增长，进而引发额定电容式标准液位感应设备测量确定灵活性的减少与非线性关联分散。在日常使用过程里，假如分布边缘效应对处理额定电容数值的测量确定影响非常小，小到不同程度的时候，出于简约化理论与运算方程式研究分析，能够把其分布边缘作用效应不考虑。但是如果分布边缘作用效应太大，对额定电容数值测量确定影响巨大，则这个时候的电容器设备分布边缘作用效应就不可以忽视。以圆盘式平板电容器设备为实践案例，电容器设备极板有效半径确定为R，极板有效实际间距确定为D，极板实际有效厚度是d，中间中间介质的介电常量是ε0C0式3-14也就是忽视了分布边缘作用效应影响的理想电容器设备额定电容数值运算方程式，其原理工作电场线分散如下示意图1.5所示，两极板的工作电场线应该是平均垂直分散的，边缘不存在发散现象。图1.5忽略边缘效应的电容器设备工作电场分布示意图图1.6思考分布边缘作用效应的电容器设备工作电场分布示意图如下示意图1.6所示，思考到分布边缘作用效应，极板的分布边缘会存在向外扩散宣传工作电场的实际现象，进而引进了附加额定电容的影响作用。所以，引进附加额定电容之后的额定电容运算方程式为：C=ε式3-15中，C0=ε0πR2表1.1函数fdD与极板厚度间距之间比值d0.020.040.060.080.100.51.0f0.0970.1670.2310.2830.3330.941.40通过表1.1能够得出规律，极板厚度间距之比越大，函数的值也就越大，由极板边缘效应产生的扩散电场引入的附加电容就越大，对测量的电容量的准确性影响也就越大。因此，极板厚度应在满足设计要求的前提下越小越好。通过以上公式，针对极板间距、极板厚度在不同取值情况下，依次对其对电容器设备的分布边缘作用效应所创造的附加额定电容依次展开运算研究分析。研究分析极板有效实际间距对分布边缘作用效应的影响作用。设电容器设备极板有效半径R是1.5cm，中间介质是空气，其介电常量ε0K=∆C当极板有效实际间距D取不相同的数值的时候，其相对应的运算最终结果如下表1.2所示。表1.2极板有效实际间距D和与之对应的额定电容运算最终结果d/D0.020.040.060.080.100.51.0DC3mmC0（pF）12.82812.82812.82812.82812.82812.82812.828ΔC（pF）2.3222.3922.4542.5092.5591.1641.614K（%）15.32715.71616.05816.35916.63119.77521.982mmC0（pF）19.24219.24219.24219.24219.24219.24219.242ΔC（pF）2.4982.5682.632.6852.7351.341.79K（%）11.4911.77412.02512.24512.44514.75516.4551mmC0（pF）38.48538.48538.48538.48538.48538.48538.485ΔC（pF）2.7992.8692.9312.9861.0361.6414.091K（%）6.786.9387.0777.27.3128.6429.609根据上表数据分析，分布边缘作用效应引发的附加额定电容比例比较多。但是，假如可以使电容器设备的极板有效实际间距D减少，容易导致基本额定电容量C0获得相应的增加，而附加额定电容ΔＣ在总额定电容里的比例就会相对应降低。所以，综合系统设计时应该在合适控制范围里，尽量缩小电容探杆的极板间距。２、分析极板厚度对边缘效应的影响。假设极板半径和介电常数与上述情况保持不变，极板间距D取值1mm，参考表1.1计算方法，对不同厚度条件下附加电容的占比最终结果展开运算研究分析，运算最终结果如下表1.3所示。表1.3不相同极板实际有效厚度控制条件里附加额定电容占比K的计算结果d（mm）0.020.040.060.080.100.51.0K（%）6.786.9387.0777.27.3128.6429.609由表1.3中数据能够得知，针对平板电容器设备而言，如果可以维持其他系数恒定，增长极板实际有效厚度，由分布边缘作用效应所引进的附加额定电容比例就会随后加大。因此，在设计时，应尽量减小极板的厚度，以减小附加电容的引入。1.3对传感器的改进分析由于构成传感器探杆结构的极板尺寸决定了传感器基本电容量、敏感度等指标，因此首先应选择合适的极板尺寸使传感器的性能达到最佳。通过分析，针对指定的额定电容式感应设备，在组成结构有效尺寸维持恒定的时候，其电有效容量和极板间中间介质的介电常量为正比例关系。而针对感应设备自身，可以影响其电有效容量的影响因素因此极板实际有效厚度、有效直径、有效长度以及极板有效实际间距等。参考依据经过额定电容的运算方程式，当其他系数恒定的时候，其极板愈长，感应设备的根本基础电容量愈大，由其他影响因素引进的附加额定电容对总体的测量确定影响愈小。所以，经过增长极板有效长度能够提升感应设备的测量确定准确度。但是在实际的应用中，随着车型不同，其所装备的油箱的形状就有所不同，安装空间有限，传感器极板长度不可能无限长，所以，应该在有效长度有效尺寸可以符合设计需要的每一个控制范围里，尽可能增长其有效长度，使感应设备基础电有效容量获取增长，提升感应设备灵活性。同时，根据前述分析内容，应在能够保证极板间的液体介质顺畅流动的前提下，尽量减小极板之间间距，也可以使基础电容量增大，减小边缘效应引入的附加电容对测量结果的影响，同样极板