《某电容式燃油液位传感器的结构改进设计案例综述》4900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\u29931某电容式燃油液位传感器的结构改进设计案例综述 1104671.1传感器材料选择 1148151.1.1传感器探杆材料 1308971.1.2传感器底座材料 2157691.2影响传感器因素分析 399091.2.1探杆长度误差影响分析 3204981.2.2温度对传感器探杆的影响与分析 5167321.2.3传感器装配误差的影响与分析 548791.2.4边缘效应的影响与理论分析 792661.3对传感器的改进分析 10146591.1.1传感器探杆结构设计及分析 10202461.1.2电气组件 11结合前面章节的理论分析，电容测量探杆选择同轴非变径电容器结构作为改进设计方向，更加简单有效。传感器的设计主要集中在探杆材料的选择，传感器的结构设计和装配等方面。1.1传感器材料选择1.1.1传感器探杆材料传感器探杆，即由内、外极板共同构成的电容器结构，是直接和被测介质接触，感应电容量变化的单元，是整个电容式传感器中非常重要的一部分，而组成探杆的内、外极板则是其核心部件，对传感器的灵敏度、精确度等指标有直接影响，所以对探杆的极板材料选取的分析是必要的。根据第二章的内容分析，该传感器用于对燃油等绝缘液体的测量，因此可以选择塑性良好状态稳定的金属作为极板。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，温度变化会使金属的尺寸发生变化影响测量结果。因此，综合上述分析，应选择可塑性好、耐腐蚀、线膨胀系数小的金属材料作为传感器的极板材料。一般常用的金属材料有黄铜、不铸钢及铝合金等，有特殊要求时，也可使用钛合金等。铅合金材料散热好，成本低，但线膨胀系数较大，受热变形量较大，不适合作为测量电极材料；黄铜的线膨胀系数比铝合金的线膨胀系数低，加工方便，耐磨，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。1.1.2传感器底座材料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、耐磨性、耐腐蚀性，能够承受强酸、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的腐蚀，是作为传感器电极连接固定很好的绝缘材料。聚四氟乙烯材料容易加工，也为传感器的装配组装提供了方便。1.2影响传感器因素分析传感器设计时，依据基本原理，考虑各种环境因素对测量结果的影响，经过分析初步得出对传感器造成影响的因素有以下几个方面：探杆长度、温度、传感器装配、极板边缘效应等。1.2.1探杆长度误差影响分析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=2πε0（则附加电容ΔC＇为：ΔC＇=C＇-C=2πε0Δ设附加电容在总电容中占比为K，则：K=ΔC＇C＇=ΔLL+定义探杆长度相对误差α=ΔL/L，则式（2-13K=ΔC＇C＇=α1+α+（从式（3-4）可以看出，在探杆长度相对误差不变的情况下，附加电容占比随液位升高而降低。而当液位高度不变时，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，假设液位高度等其他参数不变化，极板相对误差从0变化到0.3时，附加电容在总电容中占比近似呈线性增加。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，在生产加工传感器探杆极板时，应保证在长度方面的误差尽量小，尽量减小由长度误差所带来的附加电容影响。1.2.2温度对传感器探杆的影响与分析所有材料都具有热胀冷缩的性质，温度对探杆的影响，就是传感器探杆的热胀冷缩效应。当温度发生变化时，探杆极板的尺寸也会改变，进而影响电容量，这个变化程度与极板材料的线膨胀系数有关。与电容量有关的变量有：内外极板直径R0、R1和极板长度L。若设温度变化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油L附加电容量相对于原电容量的比例K＇为：K＇=ΔC＇C=α1Δt（3-7由式3-7可以看出，电容量变化与极板的线膨胀系数和温度变化量有关。传感器极板材料为钛合金时，其线膨胀系数为8.2e-6/℃，若Δt=10℃，此时K＇约为0.008%。由此可知，温度变化较小时，传感器极板热胀冷缩带来的电容量变化比较小，对传感器总电容量占比非常小，在一定范围内可忽略不计。1.2.3传感器装配误差的影响与分析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内外极板不同轴两个内外圆筒的半径分别为R0和R1，由于装配的误差造成它们的轴偏距为ｄ时，可以恨据公式3-8计算其电容值：C＇＇=2πε油L由上式可以看出，轴偏距越大，传感器的电容值C也越大。当传感器极板满足条件d＜R1-R0＜＜R0时，可得：C≈2πε油L因此，由轴偏距所造成的附加电容ΔC＇＇近似为：ΔC＇＇≈2πε油LR1−R附加电容量相对于总电容量的比例K＇＇为：K＇＇=ΔC＇C=dR1−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可以看出，随着装配时偏差变大，附加电容占比也随之增大，近似呈线性。因此，要尽量减小装配时的误差，避免较大的装配误差对传感器测量所得的电容量造成影响。1.2.4边缘效应的影响与理论分析按照理论情况分析，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，存在于极板电容器内部的电场分布是均匀的，极板边缘的电场线则会呈现出向外分散弯曲的现象，而这种在电容器极板边缘发生的电场分散现象我们将其称为电容器的边缘效应。因为边缘效应的存在，电容器的灵敏度就会降低，非线性增加，从而引起电容式液位传感器测量灵敏度的降低和非线性分布。在实际应用中，如果边缘效应对电容值的测量影响很小，小到一定程度时，鉴于简化原理和公式分析，可以将其边缘效应忽略不计。但是若边缘效应过大，对电容值测量影响很大，则此时的电容器边缘效应就不能忽略。以圆盘式平板电容器为例，电容器极板半径定义为R，极板间距定义为D，极板厚度为d，中间介质的介电常数为ε0C0=ε0π式3-14即忽略了边缘效应影响的理想电容器电容值计算公式，其理论电场线分布如图1.5所示，两极板的电场线应是均匀垂直分布的，边缘不存在发散现象。图1.5忽略边缘效应的电容器电场分布图图1.6考虑边缘效应的电容器电场分布图如图1.6所示，考虑到边缘效应，极板的边缘会存在向外扩散电场的现象，从而引入了附加电容的影响。因此，引入附加电容后的电容计算公式为：C=ε0πR2式3-15中，C0=ε0πR2D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，逐一对其对电容器的边缘效应所带来的附加电容分别进行计算分析。分析极板间距对边缘效应的影响。设电容器极板半径R为1.5cm，中间介质为空气，其介电常数ε0起的附加电容占总电容的比例为K，则有：K=∆CC0+∆C当极板间距D取不同的值时，其相应的计算结果如表1.2所示。表1.2极板间距D与对应的电容计算结果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，边缘效应引起的附加电容占比较大。但是，如果能够使电容器的极板间距D缩小，会使基本电容量C0获得相应的增加，而附加电容ΔＣ在总电容中的占比则会相应减小。因此，设计时应在适当范围内，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结果进行计算分析，计算结果如表1.3所示。表1.3不同极板厚度条件下附加电容占比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中数据可以看出，对于平板电容器来说，若能够保持其他参数不变，增加极板厚度，由边缘效应所引入的附加电容占比将会随之增大。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1.1.1传感器探杆结构设计及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，对于特定的电容式传感器，在结构尺寸保持不变的情况下，其电容量与极板间介质的介电常数成正比。而对于传感器本身，能影响其电容量的因素则有极板厚度、直径、长度以及极板间距等。根据通过电容的计算公式，当其他参数不变时，其极板越长，传感器的基础电容量越大，由其他因素引入的附加电容对整体的测量影响越小。因此，通过增加极板长度可以提高传感器的测量精度。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，因此，应在长度尺寸能够满足要求的所有范围内，尽量增加其长度，使传感器基础电容量获得增加，提高传感器灵敏度。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，同样极板的厚度也应在满足设计强度要求的前提下尽量