《某電容式燃油液位傳感器的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計案例5500字》

某電容式燃油液位傳感器的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u14036某電容式燃油液位傳感器的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計案例綜述 113901.1傳感器材料選擇 119155 110744 2301391.2影響傳感器因素分析 212615 221207 48063 523472 6240831.3對傳感器的改進分析 96583 910065 101.1傳感器材料選擇傳感器探桿，即由內(nèi)、外極板共同構(gòu)成的電容器結(jié)構(gòu)，是直接與被測中間介質(zhì)接觸，自動感應(yīng)電有效容量改變的基本單元，是整個額定電容式感應(yīng)設(shè)備里十分關(guān)鍵的一些，而構(gòu)成探桿的內(nèi)、外極板就是其中心組成部件，對感應(yīng)設(shè)備的靈活性、準(zhǔn)確度等標(biāo)準(zhǔn)有嚴(yán)重影響，因此對探桿的極板物質(zhì)材料選用的研究分析是非常重要的。參考依據(jù)第2章的主要內(nèi)容研究分析，這個感應(yīng)設(shè)備應(yīng)用在對燃油等絕緣液體的測量確定，所以能夠選用塑性優(yōu)良分布狀態(tài)持久的金屬作為極板。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，實際溫度改變?nèi)菀讓?dǎo)致金屬的有效尺寸產(chǎn)生改變影響測量確定最終結(jié)果。所以，綜合以上研究分析，應(yīng)該選用可塑性好、耐腐蝕變質(zhì)、線膨脹參數(shù)小的金屬物質(zhì)材料作為感應(yīng)設(shè)備的極板物質(zhì)材料。通常普遍常用的金屬物質(zhì)材料有鉛黃銅、不銹鋼及鋁合金等，有特殊要求時，也能夠運用鈦合金等。鉛合金物質(zhì)材料散熱好，運營費用少，但是線膨脹參數(shù)比較多，受熱彎曲變形量比較多，不合適作為測量確定工作電極物質(zhì)材料；黃銅的線膨脹參數(shù)比鋁合金的線膨脹參數(shù)低，生產(chǎn)加工便利，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。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(chǎn)品所需的機械應(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、耐磨損性、耐腐蝕變質(zhì)性，可以承擔(dān)強酸、強氧化化學(xué)試劑、自動還原化學(xué)試劑與多種有機化學(xué)溶劑的腐蝕變質(zhì)，是作為傳感器電極連接固定很好的絕緣物質(zhì)材料。聚四氟乙烯物質(zhì)材料簡單生產(chǎn)加工，也是感應(yīng)設(shè)備的裝配設(shè)計組裝設(shè)置供應(yīng)了便利。1.2影響傳感器因素分析感應(yīng)設(shè)備綜合系統(tǒng)設(shè)計時，參考依據(jù)基本理論，思考多種環(huán)境影響因素對測量確定最終結(jié)果的影響作用，通過研究初步基本上得知對感應(yīng)設(shè)備導(dǎo)致影響的影響因素有如下多個層面：探桿有效長度、實際溫度、感應(yīng)設(shè)備裝配設(shè)計、極板分布邊緣作用效應(yīng)等。對電容量進行計算時，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(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=2πε則附加電容ΔC＇為：ΔC＇=C＇-C=2πε設(shè)附加電容在總電容中占比為K，則：K=ΔC＇C＇=ΔL定義探桿長度相對誤差α=ΔL/L，則式（2-13）可以變換為：K=ΔC＇C＇=α根據(jù)計算方程式（3-4）能夠得知，在探桿有效長度相對有效誤差恒定的時候，附加額定電容比例隨標(biāo)準(zhǔn)液位增高而減少。而當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)液位實際高度恒定時，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，假定標(biāo)準(zhǔn)液位實際高度等其他系數(shù)不改變，極板相對有效誤差從0改變到0.3的時候，附加額定電容在總額定電容里比例相似呈線性增長。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)加工制造感應(yīng)設(shè)備探桿極板的時候，應(yīng)該保障在有效長度方面的有效誤差盡可能小，盡可能降低由有效長度有效誤差所創(chuàng)造的附加額定電容影響。每一個物質(zhì)材料都具備熱脹冷縮的特征，實際溫度對探桿的影響作用，就是感應(yīng)設(shè)備探桿的熱脹冷縮效應(yīng)。當(dāng)實際溫度產(chǎn)生改變的時候，探桿極板的有效尺寸也會轉(zhuǎn)變，從而影響電有效容量，這一改變作用程度和極板物質(zhì)材料的線膨脹參數(shù)相關(guān)。和電容量相關(guān)的變化量有：內(nèi)外極板有效直徑R0、R1與極板有效長度L。如果溫度改變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附加電容量相對于原電容量的比例K＇為：K＇=ΔC＇C=α1根據(jù)計算方程式3-7能夠得知，電有效容量改變和極板的線膨脹參數(shù)與實際溫度改變量相關(guān)。感應(yīng)設(shè)備極板物質(zhì)材料是鈦合金的時候，其線膨脹參數(shù)是8.2e-6/.0攝氏度，如果Δt=10.0攝氏度，這個時候K＇大概是0.008%。綜上所述，實際溫度改變較小時之后，感應(yīng)設(shè)備極板熱脹冷縮創(chuàng)造的電有效容量改變比較低，對感應(yīng)設(shè)備總電有效容量比例比較小，在一定作用范圍內(nèi)可不考慮。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2個內(nèi)外部圓筒的有效半徑依次是R0與R1，因為裝配設(shè)計的有效誤差導(dǎo)致它們的軸偏距是ｄ的時候，能夠恨據(jù)運算方程式3-8運算其額定電容數(shù)值：C＇＇=2πε根據(jù)以上方程式能夠得知，軸偏距愈大，感應(yīng)設(shè)備的額定電容數(shù)值C也愈大。當(dāng)感應(yīng)設(shè)備極板符合基本條件d＜R1-R0＜＜R0的時候，可計算可知：C≈2πε所以，由軸偏距所導(dǎo)致的附加額定電容ΔC＇＇相似是：ΔC＇＇≈2πε油LR1附加電容量相對于總電容量的比例K＇＇為：K＇＇=ΔC＇C=d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能夠得知，伴隨著裝配設(shè)計時誤差減小，附加額定電容比例也隨后加大，相似呈線性。所以，要盡可能降低裝配設(shè)計時候的有效誤差，規(guī)避比較多的裝配設(shè)計有效誤差對感應(yīng)設(shè)備測量確定所得的電有效容量導(dǎo)致影響。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。但從多種研究及實驗的實際情況看，存在于極板電容器設(shè)備內(nèi)部之間的工作電場分散是分布均勻的，極板分布邊緣的工作電場線就會表現(xiàn)出向外分布彎曲變形的實際現(xiàn)象，而這類在電容器設(shè)備極板分布邊緣產(chǎn)生的工作電場分布問題現(xiàn)象我們把其稱之為電容器設(shè)備的分布邊緣作用效應(yīng)。由于分布邊緣作用效應(yīng)的產(chǎn)生存在，電容器設(shè)備的靈活性就會減少，非線性關(guān)聯(lián)增長，進而引發(fā)額定電容式標(biāo)準(zhǔn)液位感應(yīng)設(shè)備測量確定靈活性的減少與非線性關(guān)聯(lián)分散。在日常使用過程里，假如分布邊緣效應(yīng)對處理額定電容數(shù)值的測量確定影響非常小，小到不同程度的時候，出于簡約化理論與運算方程式研究分析，能夠把其分布邊緣作用效應(yīng)不考慮。但是如果分布邊緣作用效應(yīng)太大，對額定電容數(shù)值測量確定影響巨大，則這個時候的電容器設(shè)備分布邊緣作用效應(yīng)就不可以忽視。以圓盤式平板電容器設(shè)備為實踐案例，電容器設(shè)備極板有效半徑確定為R，極板有效實際間距確定為D，極板實際有效厚度是d，中間中間介質(zhì)的介電常量是ε0C0式3-14也就是忽視了分布邊緣作用效應(yīng)影響的理想電容器設(shè)備額定電容數(shù)值運算方程式，其原理工作電場線分散如下示意圖1.5所示，兩極板的工作電場線應(yīng)該是平均垂直分散的，邊緣不存在發(fā)散現(xiàn)象。圖1.5忽略邊緣效應(yīng)的電容器設(shè)備工作電場分布示意圖圖1.6思考分布邊緣作用效應(yīng)的電容器設(shè)備工作電場分布示意圖如下示意圖1.6所示，思考到分布邊緣作用效應(yīng)，極板的分布邊緣會存在向外擴散宣傳工作電場的實際現(xiàn)象，進而引進了附加額定電容的影響作用。所以，引進附加額定電容之后的額定電容運算方程式為：C=ε式3-15中，C0=ε0πR2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，依次對其對電容器設(shè)備的分布邊緣作用效應(yīng)所創(chuàng)造的附加額定電容依次展開運算研究分析。研究分析極板有效實際間距對分布邊緣作用效應(yīng)的影響作用。設(shè)電容器設(shè)備極板有效半徑R是1.5cm，中間介質(zhì)是空氣，其介電常量ε0K=?C當(dāng)極板有效實際間距D取不相同的數(shù)值的時候，其相對應(yīng)的運算最終結(jié)果如下表1.2所示。表1.2極板有效實際間距D和與之對應(yīng)的額定電容運算最終結(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，分布邊緣作用效應(yīng)引發(fā)的附加額定電容比例比較多。但是，假如可以使電容器設(shè)備的極板有效實際間距D減少，容易導(dǎo)致基本額定電容量C0獲得相應(yīng)的增加，而附加額定電容ΔＣ在總額定電容里的比例就會相對應(yīng)降低。所以，綜合系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)該在合適控制范圍里，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最終結(jié)果展開運算研究分析，運算最終結(jié)果如下表1.3所示。表1.3不相同極板實際有效厚度控制條件里附加額定電容占比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)能夠得知，針對平板電容器設(shè)備而言，如果可以維持其他系數(shù)恒定，增長極板實際有效厚度，由分布邊緣作用效應(yīng)所引進的附加額定電容比例就會隨后加大。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，針對指定的額定電容式感應(yīng)設(shè)備，在組成結(jié)構(gòu)有效尺寸維持恒定的時候，其電有效容量和極板間中間介質(zhì)的介電常量為正比例關(guān)系。而針對感應(yīng)設(shè)備自身，可以影響其電有效容量的影響因素因此極板實際有效厚度、有效直徑、有效長度以及極板有效實際間距等。參考依據(jù)經(jīng)過額定電容的運算方程式，當(dāng)其他系數(shù)恒定的時候，其極板愈長，感應(yīng)設(shè)備的根本基礎(chǔ)電容量愈大，由其他影響因素引進的附加額定電容對總體的測量確定影響愈小。所以，經(jīng)過增長極板有效長度能夠提升感應(yīng)設(shè)備的測量確定準(zhǔn)確度。但是在實際的應(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，所以，應(yīng)該在有效長度有效尺寸可以符合設(shè)計需要的每一個控制范圍里，盡可能增長其有效長度，使感應(yīng)設(shè)備基礎(chǔ)電有效容量獲取增長，提升感應(yīng)設(shè)備靈活性。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