某電容式燃油液位傳感器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u29931某電容式燃油液位傳感器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計案例綜述 1104671.1傳感器材料選擇 1148151.1.1傳感器探桿材料 1308971.1.2傳感器底座材料 2157691.2影響傳感器因素分析 399091.2.1探桿長度誤差影響分析 3204981.2.2溫度對傳感器探桿的影響與分析 5167321.2.3傳感器裝配誤差的影響與分析 548791.2.4邊緣效應(yīng)的影響與理論分析 792661.3對傳感器的改進(jìn)分析 10146591.1.1傳感器探桿結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析 10202461.1.2電氣組件 11結(jié)合前面章節(jié)的理論分析，電容測量探桿選擇同軸非變徑電容器結(jié)構(gòu)作為改進(jìn)設(shè)計方向，更加簡單有效。傳感器的設(shè)計主要集中在探桿材料的選擇，傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配等方面。1.1傳感器材料選擇1.1.1傳感器探桿材料傳感器探桿，即由內(nèi)、外極板共同構(gòu)成的電容器結(jié)構(gòu)，是直接和被測介質(zhì)接觸，感應(yīng)電容量變化的單元，是整個電容式傳感器中非常重要的一部分，而組成探桿的內(nèi)、外極板則是其核心部件，對傳感器的靈敏度、精確度等指標(biāo)有直接影響，所以對探桿的極板材料選取的分析是必要的。根據(jù)第二章的內(nèi)容分析，該傳感器用于對燃油等絕緣液體的測量，因此可以選擇塑性良好狀態(tài)穩(wěn)定的金屬作為極板。同時，由于傳感器要在油液中長期應(yīng)用，還應(yīng)具有良好的耐腐蝕性，且由于熱脹冷縮效應(yīng)的影響，溫度變化會使金屬的尺寸發(fā)生變化影響測量結(jié)果。因此，綜合上述分析，應(yīng)選擇可塑性好、耐腐蝕、線膨脹系數(shù)小的金屬材料作為傳感器的極板材料。一般常用的金屬材料有黃銅、不鑄鋼及鋁合金等，有特殊要求時，也可使用鈦合金等。鉛合金材料散熱好，成本低，但線膨脹系數(shù)較大，受熱變形量較大，不適合作為測量電極材料；黃銅的線膨脹系數(shù)比鋁合金的線膨脹系數(shù)低，加工方便，耐磨，但成本要比鋁合金稍高，且如果表面處理不好，變色氧化等現(xiàn)象較常見；不誘鋼材料的線膨脹系數(shù)比黃銅更小，且硬度更高，比較耐腐蝕和磨損，如果對重量參數(shù)要求不高時，可以作為電極材料使用；相對而言，鈦合金材料在各項(xiàng)性能指標(biāo)方面均優(yōu)于前三種金屬材料，硬度更高，更耐鹽霧腐蝕和磨損，受熱基本不發(fā)生變形，且對于目前軍事裝備輕量化要求常態(tài)化的形勢，對比分析后相對稍高的材料成本也在可以接受的范圍之內(nèi)，因此，將鈦合金材料作為本文中電容探桿的極板材料使用比較適合。1.1.2傳感器底座材料傳感器探桿須由金屬材料制成，為了使其有效隔離，確保內(nèi)外電極之間的絕緣性，應(yīng)選用絕緣材料作為電極的連接固定材料。另一方面，傳感器底座與油箱之間的連接是依靠帶螺栓孔的法蘭進(jìn)行固定的，需要有足夠的抗壓強(qiáng)度，采用合適的金屬材料才能滿足產(chǎn)品所需的機(jī)械應(yīng)力需求。綜上所述，本文沿用之前已有的傳感器底座結(jié)構(gòu)，采取兩種部件復(fù)合組裝的方法構(gòu)成傳感器安裝底座。傳感器底座主體由常用的黃銅材料加工制作，易加工成型；同時，底座主體與內(nèi)外電極的隔離則選用聚四氟乙烯材料。由于使用環(huán)境的影響，長期處于油氣浸泡環(huán)境下，一般常用的絕緣材料，比如云母、陶瓷等，絕緣性可以滿足要求，但比較難加工，加工成本較高。相對而言，聚四氟乙烯材料，良好的絕緣性、耐高低溫性、耐磨性、耐腐蝕性，能夠承受強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化劑、還原劑和各種有機(jī)溶劑的腐蝕，是作為傳感器電極連接固定很好的絕緣材料。聚四氟乙烯材料容易加工，也為傳感器的裝配組裝提供了方便。1.2影響傳感器因素分析傳感器設(shè)計時，依據(jù)基本原理，考慮各種環(huán)境因素對測量結(jié)果的影響，經(jīng)過分析初步得出對傳感器造成影響的因素有以下幾個方面：探桿長度、溫度、傳感器裝配、極板邊緣效應(yīng)等。1.2.1探桿長度誤差影響分析對電容量進(jìn)行計算時，可以將傳感器探桿即內(nèi)外極板，其長度看作一個理論值，但在實(shí)際加工過程中，探桿長度與理論值之間難免會有誤差，有必要對其進(jìn)行分析。仍以圖2.2為例，假設(shè)探桿長度為L，存在誤差記為ΔL，那么電容量變?yōu)椋篊＇=C油+C空=2πε0（則附加電容ΔC＇為：ΔC＇=C＇-C=2πε0Δ設(shè)附加電容在總電容中占比為K，則：K=ΔC＇C＇=ΔLL+定義探桿長度相對誤差α=ΔL/L，則式（2-13K=ΔC＇C＇=α1+α+（從式（3-4）可以看出，在探桿長度相對誤差不變的情況下，附加電容占比隨液位升高而降低。而當(dāng)液位高度不變時，可將分母的部分內(nèi)容記作常數(shù)S，則附件電容的占比可用K=α/(S+α)。在兩種情況下，分別將非變量作為定值，那么附加電容占比K與變量H，K與變量α之間可以對應(yīng)關(guān)系可以如圖1.1和圖1.2所示。圖1.1α不變時附加電容占比K與液位高度H的變化曲線圖如圖1.1，假設(shè)極板長度300mm，相對誤差保持不變設(shè)為定值0.17%，附加電容在總電容中占比Ｋ隨高度增加減小。如圖1.2，假設(shè)液位高度等其他參數(shù)不變化，極板相對誤差從0變化到0.3時，附加電容在總電容中占比近似呈線性增加。圖1.2H不變時附加電容占比K與相對誤差α的變化曲線圖綜上所述，在生產(chǎn)加工傳感器探桿極板時，應(yīng)保證在長度方面的誤差盡量小，盡量減小由長度誤差所帶來的附加電容影響。1.2.2溫度對傳感器探桿的影響與分析所有材料都具有熱脹冷縮的性質(zhì)，溫度對探桿的影響，就是傳感器探桿的熱脹冷縮效應(yīng)。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，探桿極板的尺寸也會改變，進(jìn)而影響電容量，這個變化程度與極板材料的線膨脹系數(shù)有關(guān)。與電容量有關(guān)的變量有：內(nèi)外極板直徑R0、R1和極板長度L。若設(shè)溫度變化Δt，則變化后的電容量為：C＇=2πε油L（1+式中，α1為極板軸向線膨脹系數(shù)；α2為極板徑向線膨脹系數(shù)；此時，附加電容ΔC＇為：ΔC＇=C＇-C=2πε油L附加電容量相對于原電容量的比例K＇為：K＇=ΔC＇C=α1Δt（3-7由式3-7可以看出，電容量變化與極板的線膨脹系數(shù)和溫度變化量有關(guān)。傳感器極板材料為鈦合金時，其線膨脹系數(shù)為8.2e-6/℃，若Δt=10℃，此時K＇約為0.008%。由此可知，溫度變化較小時，傳感器極板熱脹冷縮帶來的電容量變化比較小，對傳感器總電容量占比非常小，在一定范圍內(nèi)可忽略不計。1.2.3傳感器裝配誤差的影響與分析以同軸空芯圓筒形電容傳感器為例，理論計算是默認(rèn)為嚴(yán)格同軸，但是由于在實(shí)際裝配過程中，兩個圓筒的軸心有可能并不在一條直線上，因此軸心不同而會引入裝配誤差，所以存在軸偏離時對傳感器電容量的影響也是需要分析研究的。兩圓筒不同軸的示意圖如圖1.3所示。圖1.3內(nèi)外極板不同軸兩個內(nèi)外圓筒的半徑分別為R0和R1，由于裝配的誤差造成它們的軸偏距為ｄ時，可以恨據(jù)公式3-8計算其電容值：C＇＇=2πε油L由上式可以看出，軸偏距越大，傳感器的電容值C也越大。當(dāng)傳感器極板滿足條件d＜R1-R0＜＜R0時，可得：C≈2πε油L因此，由軸偏距所造成的附加電容ΔC＇＇近似為：ΔC＇＇≈2πε油LR1?R附加電容量相對于總電容量的比例K＇＇為：K＇＇=ΔC＇C=dR1?假設(shè)軸偏距比例為β，d能夠滿足：d=β（R1-R0）（3-12）綜合式3-11與式3-12，可得：K＇＇=β1?β（3-13）將β設(shè)定在0-0.1之間，式3-13可以轉(zhuǎn)換為一條曲線，該曲線如圖1.4所示。圖1.4附加電容占比K＇＇受軸偏距比例β的影響曲線結(jié)合式3-13和圖1.4可以看出，隨著裝配時偏差變大，附加電容占比也隨之增大，近似呈線性。因此，要盡量減小裝配時的誤差，避免較大的裝配誤差對傳感器測量所得的電容量造成影響。1.2.4邊緣效應(yīng)的影響與理論分析按照理論情況分析，電容器的理想模型下，其正負(fù)兩極板間存在的電場線應(yīng)該是垂直的，且應(yīng)均勻分布。但從多種研究及實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況看，存在于極板電容器內(nèi)部的電場分布是均勻的，極板邊緣的電場線則會呈現(xiàn)出向外分散彎曲的現(xiàn)象，而這種在電容器極板邊緣發(fā)生的電場分散現(xiàn)象我們將其稱為電容器的邊緣效應(yīng)。因?yàn)檫吘壭?yīng)的存在，電容器的靈敏度就會降低，非線性增加，從而引起電容式液位傳感器測量靈敏度的降低和非線性分布。在實(shí)際應(yīng)用中，如果邊緣效應(yīng)對電容值的測量影響很小，小到一定程度時，鑒于簡化原理和公式分析，可以將其邊緣效應(yīng)忽略不計。但是若邊緣效應(yīng)過大，對電容值測量影響很大，則此時的電容器邊緣效應(yīng)就不能忽略。以圓盤式平板電容器為例，電容器極板半徑定義為R，極板間距定義為D，極板厚度為d，中間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε0C0=ε0π式3-14即忽略了邊緣效應(yīng)影響的理想電容器電容值計算公式，其理論電場線分布如圖1.5所示，兩極板的電場線應(yīng)是均勻垂直分布的，邊緣不存在發(fā)散現(xiàn)象。圖1.5忽略邊緣效應(yīng)的電容器電場分布圖圖1.6考慮邊緣效應(yīng)的電容器電場分布圖如圖1.6所示，考慮到邊緣效應(yīng)，極板的邊緣會存在向外擴(kuò)散電場的現(xiàn)象，從而引入了附加電容的影響。因此，引入附加電容后的電容計算公式為：C=ε0πR2式3-15中，C0=ε0πR2D表1.1函數(shù)fdD與極板厚度間距之間比值d0.020.040.060.080.100.51.0f0.0970.1670.2310.2830.3330.941.40通過表1.1能夠得出規(guī)律，極板厚度間距之比越大，函數(shù)的值也就越大，由極板邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的擴(kuò)散電場引入的附加電容就越大，對測量的電容量的準(zhǔn)確性影響也就越大。因此，極板厚度應(yīng)在滿足設(shè)計要求的前提下越小越好。通過以上公式，針對極板間距、極板厚度在不同取值情況下，逐一對其對電容器的邊緣效應(yīng)所帶來的附加電容分別進(jìn)行計算分析。分析極板間距對邊緣效應(yīng)的影響。設(shè)電容器極板半徑R為1.5cm，中間介質(zhì)為空氣，其介電常數(shù)ε0起的附加電容占總電容的比例為K，則有：K=?CC0+?C當(dāng)極板間距D取不同的值時，其相應(yīng)的計算結(jié)果如表1.2所示。表1.2極板間距D與對應(yīng)的電容計算結(jié)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根據(jù)上表數(shù)據(jù)分析，邊緣效應(yīng)引起的附加電容占比較大。但是，如果能夠使電容器的極板間距D縮小，會使基本電容量C0獲得相應(yīng)的增加，而附加電容ΔＣ在總電容中的占比則會相應(yīng)減小。因此，設(shè)計時應(yīng)在適當(dāng)范圍內(nèi)，盡量縮小電容探桿的極板間距。２、分析極板厚度對邊緣效應(yīng)的影響。假設(shè)極板半徑和介電常數(shù)與上述情況保持不變，極板間距D取值1mm，參考表1.1計算方法，對不同厚度條件下附加電容的占比結(jié)果進(jìn)行計算分析，計算結(jié)果如表1.3所示。表1.3不同極板厚度條件下附加電容占比K的計算結(jié)果d（mm）0.020.040.060.080.100.51.0K（%）6.786.9387.0777.27.3128.6429.609由表1.3中數(shù)據(jù)可以看出，對于平板電容器來說，若能夠保持其他參數(shù)不變，增加極板厚度，由邊緣效應(yīng)所引入的附加電容占比將會隨之增大。因此，在設(shè)計時，應(yīng)盡量減小極板的厚度，以減小附加電容的引入。1.3對傳感器的改進(jìn)分析1.1.1傳感器探桿結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析由于構(gòu)成傳感器探桿結(jié)構(gòu)的極板尺寸決定了傳感器基本電容量、敏感度等指標(biāo)，因此首先應(yīng)選擇合適的極板尺寸使傳感器的性能達(dá)到最佳。通過分析，對于特定的電容式傳感器，在結(jié)構(gòu)尺寸保持不變的情況下，其電容量與極板間介質(zhì)的介電常數(shù)成正比。而對于傳感器本身，能影響其電容量的因素則有極板厚度、直徑、長度以及極板間距等。根據(jù)通過電容的計算公式，當(dāng)其他參數(shù)不變時，其極板越長，傳感器的基礎(chǔ)電容量越大，由其他因素引入的附加電容對整體的測量影響越小。因此，通過增加極板長度可以提高傳感器的測量精度。但是在實(shí)際的應(yīng)用中，隨著車型不同，其所裝備的油箱的形狀就有所不同，安裝空間有限，傳感器極板長度不可能無限長，因此，應(yīng)在長度尺寸能夠滿足要求的所有范圍內(nèi)，盡量增加其長度，使傳感器基礎(chǔ)電容量獲得增加，提高傳感器靈敏度。同時，根據(jù)前述分析內(nèi)容，應(yīng)在能夠保證極板間的液體介質(zhì)順暢流動的前提下，盡量減小極板之間間距，也可以使基礎(chǔ)電容量增大，減小邊緣效應(yīng)引入的附加電容對測量結(jié)果的影響，同樣極板的厚度也應(yīng)在滿足設(shè)計強(qiáng)度要求的前提下盡量