某電容式燃油液位傳感器的結構改進設計案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u29931某電容式燃油液位傳感器的結構改進設計案例綜述 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邊緣效應的影響與理論分析 792661.3對傳感器的改進分析 10146591.1.1傳感器探桿結構設計及分析 10202461.1.2電氣組件 11結合前面章節的理論分析，電容測量探桿選擇同軸非變徑電容器結構作為改進設計方向，更加簡單有效。傳感器的設計主要集中在探桿材料的選擇，傳感器的結構設計和裝配等方面。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、外極板共同構成的電容器結構，是直接和被測介質接觸，感應電容量變化的單元，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、外極板則是其核心部件，對傳感器的靈敏度、精確度等指標有直接影響，所以對探桿的極板材料選取的分析是必要的。根據第二章的內容分析，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穩定的金屬作為極板。同時，由于傳感器要在油液中長期應用，還應具有良好的耐腐蝕性，且由于熱脹冷縮效應的影響，溫度變化會使金屬的尺寸發生變化影響測量結果。因此，綜合上述分析，應選擇可塑性好、耐腐蝕、線膨脹系數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；黃銅的線膨脹系數比鋁合金的線膨脹系數低，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，變色氧化等現象較常見；不誘鋼材料的線膨脹系數比黃銅更小，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，鈦合金材料在各項性能指標方面均優于前三種金屬材料，硬度更高，更耐鹽霧腐蝕和磨損，受熱基本不發生變形，且對于目前軍事裝備輕量化要求常態化的形勢，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，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，確保內外電極之間的絕緣性，應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行固定的，需要有足夠的抗壓強度，采用合適的金屬材料才能滿足產品所需的機械應力需求。綜上所述，本文沿用之前已有的傳感器底座結構，采取兩種部件復合組裝的方法構成傳感器安裝底座。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，底座主體與內外電極的隔離則選用聚四氟乙烯材料。由于使用環境的影響，長期處于油氣浸泡環境下，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，能夠承受強酸、強氧化劑、還原劑和各種有機溶劑的腐蝕，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計時，依據基本原理，考慮各種環境因素對測量結果的影響，經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、極板邊緣效應等。1.2.1探桿長度誤差影響分析對電容量進行計算時，可以將傳感器探桿即內外極板，其長度看作一個理論值，但在實際加工過程中，探桿長度與理論值之間難免會有誤差，有必要對其進行分析。仍以圖2.2為例，假設探桿長度為L，存在誤差記為ΔL，那么電容量變為：C＇=C油+C空=2πε0（則附加電容ΔC＇為：ΔC＇=C＇-C=2πε0Δ設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。而當液位高度不變時，可將分母的部分內容記作常數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之間可以對應關系可以如圖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，假設極板長度300mm，相對誤差保持不變設為定值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，假設液位高度等其他參數不變化，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，在生產加工傳感器探桿極板時，應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，溫度對探桿的影響，就是傳感器探桿的熱脹冷縮效應。當溫度發生變化時，探桿極板的尺寸也會改變，進而影響電容量，這個變化程度與極板材料的線膨脹系數有關。與電容量有關的變量有：內外極板直徑R0、R1和極板長度L。若設溫度變化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；α2為極板徑向線膨脹系數；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和溫度變化量有關。傳感器極板材料為鈦合金時，其線膨脹系數為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，理論計算是默認為嚴格同軸，但是由于在實際裝配過程中，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內外極板不同軸兩個內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設定在0-0.1之間，式3-13可以轉換為一條曲線，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，其正負兩極板間存在的電場線應該是垂直的，且應均勻分布。但從多種研究及實驗的實際情況看，存在于極板電容器內部的電場分布是均勻的，極板邊緣的電場線則會呈現出向外分散彎曲的現象，而這種在電容器極板邊緣發生的電場分散現象我們將其稱為電容器的邊緣效應。因為邊緣效應的存在，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。在實際應用中，如果邊緣效應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，可以將其邊緣效應忽略不計。但是若邊緣效應過大，對電容值測量影響很大，則此時的電容器邊緣效應就不能忽略。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，中間介質的介電常數為ε0C0=ε0π式3-14即忽略了邊緣效應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，兩極板的電場線應是均勻垂直分布的，邊緣不存在發散現象。圖1.5忽略邊緣效應的電容器電場分布圖圖1.6考慮邊緣效應的電容器電場分布圖如圖1.6所示，考慮到邊緣效應，極板的邊緣會存在向外擴散電場的現象，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能夠得出規律，極板厚度間距之比越大，函數的值也就越大，由極板邊緣效應產生的擴散電場引入的附加電容就越大，對測量的電容量的準確性影響也就越大。因此，極板厚度應在滿足設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所帶來的附加電容分別進行計算分析。分析極板間距對邊緣效應的影響。設電容器極板半徑R為1.5cm，中間介質為空氣，其介電常數ε0起的附加電容占總電容的比例為K，則有：K=?CC0+?C當極板間距D取不同的值時，其相應的計算結果如表1.2所示。表1.2極板間距D與對應的電容計算結果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根據上表數據分析，邊緣效應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獲得相應的增加，而附加電容ΔＣ在總電容中的占比則會相應減小。因此，設計時應在適當范圍內，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的影響。假設極板半徑和介電常數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果進行計算分析，計算結果如表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中數據可以看出，對于平板電容器來說，若能夠保持其他參數不變，增加極板厚度，由邊緣效應所引入的附加電容占比將會隨之增大。因此，在設計時，應盡量減小極板的厚度，以減小附加電容的引入。1.3對傳感器的改進分析1.1.1傳感器探桿結構設計及分析由于構成傳感器探桿結構的極板尺寸決定了傳感器基本電容量、敏感度等指標，因此首先應選擇合適的極板尺寸使傳感器的性能達到最佳。通過分析，對于特定的電容式傳感器，在結構尺寸保持不變的情況下，其電容量與極板間介質的介電常數成正比。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。根據通過電容的計算公式，當其他參數不變時，其極板越長，傳感器的基礎電容量越大，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。但是在實際的應用中，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，應在長度尺寸能夠滿足要求的所有范圍內，盡量增加其長度，使傳感器基礎電容量獲得增加，提高傳感器靈敏度。同時，根據前述分析內容，應在能夠保證極板間的液體介質順暢流動的前提下，盡量減小極板之間間距，也可以使基礎電容量增大，減小邊緣效應引入的附加電容對測量結果的影響，同樣極板的厚度也應在滿足設計強度要求的前提下盡量