《某电容式燃油液位传感器的结构改进设计案例》5900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\u10552某电容式燃油液位传感器的结构改进设计案例综述 1125631.1传感器材料选择 111261 121628 2238701.2影响传感器因素分析 24711 216907 419830 51315 655031.3对传感器的改进分析 911958 929406 10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，是直接与被测中间液体介质接触，自动感应电容有效容量改变的基本单元，是整个可变电容式液位传感器里十分关键的部件，而构成探杆的内、外极板就是其中心组成零件，直接影响电容式液位传感器对液体中间介质检测的敏感性、准确度等指标，因此对探杆的极板物质材料选用的研究分析非常重要且必须。参考依据第2章的主要内容研究分析，这个电容式液位传感器原理应用在对燃油等绝缘液体的测量确定，必须选用特性合适的金属作为极板。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进而影响到最终的测量结果。所以，综合以上研究分析，应该选用塑性良好、耐液体侵蚀、直线膨胀系数小的金属物质作为传感器的探杆极板材料。在常规的工厂加工中使用的金属材料一般有铅黄铜、不锈钢及铝合金等，有特殊要求时，也可以使用钛合金等。对于铅合金材料来说，其优点有散热好，价格便宜，但是由于其直线膨胀系数大，导致长度方向上的直线变形量受热时变化大，因此不太适合作为测量电容的工作电极极板材料；铅黄铜相比于铝合金材料，其直线膨胀系数略低，且生产加工便利，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，强度也偏低；不诱钢材料的线膨胀系数比铅黄铜更小，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、耐腐化侵蚀性，对于一些强酸、强氧化物质、强还原性物质以及有机化学溶剂都具有一定的耐受性，是作为传感器电极连接固定很好的绝缘材料。聚四氟乙烯材料简单生产加工，使传感器机械结构上的组装更加便利。1.2影响传感器因素分析电容式传感器系统设计时，参考依据电容式液位测量的基本理论，同时也需要对影响检测数据的周边环境因素加以考虑。通过研究基本上能够得知，对影响传感器检测输出的多个因素：探杆有效长度、环境温度、探杆部件的装配误差、探杆两极板存在的边缘效应等。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根据计算式（3-4）能够得知，在探杆有效长度内相对误差恒定的时候，额外附加的可变电容比例随液位不断增高而逐渐减小。而当待测液位实际高度恒定不变时，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。图1.2H不变时附加电容占比K与相对误差α的变化曲线图如图1.2，假定待测液位实际高度等其他相关参数固定，仅仅探杆极板长度相对误差从0到0.3的变化过程中，附加可变电容在总计算电容里比例呈现出线性关系的增大。综上所述，在生产加工制造电容式液位传感器探杆的两侧极板的时候，应该保障在有效长度方面的相对误差尽可能小，尽可能降低长度相对误差产生的额外附加电容对整体的测量结果的影响。每一种物质材料都具有热胀冷缩的特性，受到实际温度影响，传感器探杆电容的两侧极板也会由于热胀冷缩效应的产生，而导致外形尺寸的相应变化。鉴于此，当实际环境温度产生变化的时候，探杆电容的极板有效尺寸相应的也发生了改变，从而影响该探杆电容的有效容量，电容的容量受影响的程度和制作电容极板的物质材料属性有关，确切的说是与材料的线膨胀系数有关。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根据计算式（3-7）能够得知，探杆电容的有效容量变化幅度跟探杆极板的线膨胀系数还有实际温度改变量息息相关。传感器电容探杆极板制作材料使用钛合金的时候，其线膨胀参数是8.2e-6/℃，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，传感器探杆极板由于热胀冷缩效应引入的附加电容影响相对较低，在构成传感器探杆电容器的总电容有效容量中的比例就微乎其微，在一定作用范围内可不予考虑。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内外极板不同轴组成电容器的探杆内、外部两个圆筒的有效半径依次是R0与R1，因为组装的时候不能严格同轴，造成两个圆筒的轴心出现偏差，假设由于装配过程误差导致的轴偏距为ｄ的时候，能够根据运算式3-8计算其可变电容数值：C＇＇=2πε根据以上推导公式能够得知，轴偏距愈大，传感器探杆电容器的可变电容数值C也愈大。当探杆电容器的极板尺寸数据达到基本条件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可变电容ΔC＇＇可等效于：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，由于组装过程中产生的装配误差引入的附加电容在电容器的总电容量中的占比，会随着装配误差的减小，而相应的呈现出线性减小的情况。所以，若要最大程度的规避由于装配误差对传感器最终检测的有效电容的影响，则需要在组装的过程中，要尽可能降低装配方面的同轴度偏差。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，存在于探杆电容器的两极板之间处于极板边缘内的工作电场射线是分布均匀的，而两极板边缘边界或边界外分布的工作电场线就会表现出向外分布弯曲变形的物理现象，物理学上，称这类在电容器两极板边界或边界外分布工作电场线向外弯曲分布的现象为电容器设备的边缘效应。由于电容器自身的边缘效应的作用影响，将会明显的降低其检测的灵敏性，而且线性度也会受到很大影响，检测结果非线性程度增加，进而影响可变电容式液位传感器实时测量的灵敏度与线性度。在常规的使用过程里，有一种情况可以忽略边缘效应，不去考虑其带来的影响，那就是电容器的边缘效应产生的影响作用小到某一程度，测量结果不会产生较大偏差时。但是如果边缘效应作用对可变电容数值测量结果影响巨大时，则这个时候的电容器边缘效应影响作用就不可以忽视。以圆盘式平板电容器设备为实践案例，电容器上下极板有效半径确定为R，两极板之间的有效实际间距确定为D，极板实际有效厚度是d，中间液体介质的介电常量是ε0C0式3-14也就是忽视了边缘效应作用影响的理想电容器设备可变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附加边缘效应的电容器设备工作电场分布示意图如示意图1.6所示，不能忽略边缘效应的作用影响，极板的分布边缘会存在向外扩散工作电场的实际现象，进而产生了附加可变电容的额外影响作用。所以，引入附加可变电容之后的可变电容运算方程式为：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，依次对其电容器设备的由于边缘效应作用所引入的额外附加电容依次展开运算研究分析。1、研究分析极板实际有效间距对附加电容的影响作用。设电容器极板有效半径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极板实际有效间距D和最终的电容运算结果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，极板实际有效间距越大，在边缘效应影响下，所产生的附加电容增加量相应减少，但是附加电容在检测得到的总电容量中的比例却越大。相比之下，附加电容的变化速度要比基本电容量的变化速度慢，假如可以使电容器的极板有效实际间距D减少，使基本可变电容量C0获得相应较大幅度的增加，而附加可变电容ΔＣ在总可变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、分析极板厚度对附加电容的影响。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极板实际有效厚度对附加可变电容占比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，假设可以维持其他系数恒定，仅增长极板实际有效厚度，由分布边缘效应所引进的附加可变电容比例就会随之加大。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，针对指定的可变电容式液位传感器，在组成结构有效尺寸维持恒定的时候，其探杆极板形成的电容有效容量和探杆极板间中间介质的介电常量为正比例关系。综合以上研究内容分析，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作为可以影响