專利名稱：一種電容傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容傳感器，特別是多段式帶自補(bǔ)償?shù)碾娙輦鞲衅鳎糜谝何粶y(cè)量，尤其是用于航空燃油油位測(cè)量，可以有效消除溫度、壓力以及介質(zhì)變化給液位測(cè)量帶來的影響，實(shí)現(xiàn)液位的高精度測(cè)量。
背景技術(shù)：
液位是十分重要的工業(yè)物理量之一。特別地，燃油油位是燃油測(cè)量系統(tǒng)中最基礎(chǔ)和最重要的物理量之一。燃油油量測(cè)量與飛行安全和能源的有效利用有密切關(guān)系。燃油油量測(cè)量是指燃油質(zhì)量的測(cè)量，首先通過油位傳感器獲得燃油油位，經(jīng)過計(jì)算得到燃油體積， 結(jié)合燃油密度，再計(jì)算得到燃油質(zhì)量。目前國內(nèi)主要使用的燃油油位傳感器是電容傳感器。 然而，飛行環(huán)境的復(fù)雜、飛行姿態(tài)的變化以及傳感器自身結(jié)構(gòu)的缺陷等因素都極大地影響了燃油油位的測(cè)量精度。常用的電容傳感器主要由互相絕緣的內(nèi)外兩個(gè)測(cè)量電極組成。如果忽略內(nèi)外電極之間的漏電，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)可以將液位值H寫為傳感器電容值C的函數(shù)，表達(dá)式為H = f (d, D, ε 0，ε r)C~g( ε r, h)其中d、D分別是傳感器內(nèi)外電極的直徑，ε0> L分別是空氣介電常數(shù)、被測(cè)液體的相對(duì)介電常數(shù)，h為傳感器總長度。f(d,D, ε 0, ε J、g( ε ^ h)是關(guān)于d、D、ε。、ε ph的非線性函數(shù)。在空氣、被測(cè)液體的介電常數(shù)均沒有變化時(shí)，f(d，D，ε0, er)>g(er,h)是常值，因此液位值與傳感器電容值之間是線性關(guān)系。上述現(xiàn)有的電容傳感器存在以下問題首先，空氣和被測(cè)液體的介電常數(shù)會(huì)隨著溫度、壓力等的變化而變化，因此f(d，D，ε0, L)、g(L，h)會(huì)隨之變化，而且由于函數(shù)的非線性，其變化復(fù)雜，使得液位值和電容值之間是非線性關(guān)系，給傳感器的標(biāo)定校準(zhǔn)帶來了困難。其次，不同種類被測(cè)液體品質(zhì)差異較大，介電常數(shù)也不相同，進(jìn)一步加大了傳感器標(biāo)定校準(zhǔn)的難度。最后，電容傳感器的電極達(dá)到一定長度時(shí)，漏電等干擾較大，導(dǎo)致液位值和電容值之間有明顯的非線性關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為了有效解決上述問題，其目的是為了消除溫度、壓力以及介質(zhì)等對(duì)液位測(cè)量的影響，提高液位測(cè)量的精度；另外還可以有效避免漏電現(xiàn)象的出現(xiàn)，保證傳感器自身的線性度。本發(fā)明技術(shù)解決方案一種電容傳感器，包括傳感器表頭、內(nèi)電極和外電極；所述內(nèi)電極由多個(gè)單獨(dú)的電極組合而成，所有內(nèi)電極均為內(nèi)外徑相同，同軸排列，從上至下內(nèi)電極分別為頂部補(bǔ)償電極、多段測(cè)量電極和底部補(bǔ)償電極，每段電極之間由絕緣材料做成的連接件進(jìn)行連接；所述外電極通過螺紋連接套在內(nèi)電極外部，與內(nèi)電極同軸安裝，為內(nèi)電極中的各段電極公用；傳感器表頭與外電極連接。在整個(gè)內(nèi)電極外部有一層絕緣材料，不僅可以有效避免被測(cè)液體對(duì)金屬電極的腐
3蝕，還可以防止由于液體污染導(dǎo)致的內(nèi)外電極的之間漏電阻的出現(xiàn)，從而提高傳感器調(diào)理電路的測(cè)量精度。所述內(nèi)電極中所有電極均為內(nèi)外徑相同的金屬圓管。所述多段測(cè)量電極中的各段測(cè)量電極的長度相同，保證每段電極的初始電容值、 完全浸入被測(cè)液體時(shí)的滿電容值均相等，利于傳感器測(cè)量電路的測(cè)量范圍設(shè)計(jì)。所述底部補(bǔ)償電極用于補(bǔ)償被測(cè)液體特性的變化，在測(cè)量時(shí)完全浸沒在被測(cè)液體中；所述頂部補(bǔ)償電極用于補(bǔ)償溫度、壓力變化引起的空氣特性變化，在測(cè)量時(shí)完全暴露在空氣中。進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)，補(bǔ)償電極的電容值僅與被測(cè)液體、空氣介電常數(shù)有關(guān)，與液位無關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述因素導(dǎo)致的介電常數(shù)變化的補(bǔ)償。所述底部補(bǔ)償電極與頂部補(bǔ)償電極的有效測(cè)量長度相同，均小于測(cè)量電極的長度。由于傳感器頂部補(bǔ)償電極、底部的補(bǔ)償電極均與測(cè)量電極同軸安裝，且其必須滿足之前所述安裝位置才能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償作用，因此補(bǔ)償電極的長度將會(huì)影響液位測(cè)量范圍。故補(bǔ)償電極的長度均短于測(cè)量電極長度，保證液位的連續(xù)測(cè)量范圍。所述外電極為金屬圓管。所述測(cè)量電極為6段。在傳感器量程不超過Im的情況下，6段是較為合適的選擇， 是經(jīng)過大量的反復(fù)試驗(yàn)得出的，既可以突出多段傳感器測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，又可以平衡機(jī)械加工和測(cè)量電路設(shè)計(jì)的難度。所述連接件兩端為外螺紋，用于與內(nèi)電極中各電極之間的連接。連接件中間為凸出的圓柱部分用于內(nèi)電極中兩個(gè)相鄰電極的絕緣，其外徑與內(nèi)電極外徑相等。連接件的中心為通孔，為連接測(cè)量電極與測(cè)量電路的引線提供空間。所述連接件中間凸出的圓柱部分的長度小于傳感器的最大測(cè)量誤差，這是由于若液位正好處于連接件部分時(shí)，傳感器不能獲得液位的精確值，認(rèn)為此時(shí)的液位值處于連接件中間位置，最大的測(cè)量誤差為連接件中間凸出圓柱部分長度的一半。如果該長度小于傳感器的最大測(cè)量誤差，就不會(huì)影響液位的測(cè)量精度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明加入底部補(bǔ)償電極和頂部補(bǔ)償電極，通過測(cè)量兩個(gè)補(bǔ)償電容的電容值， 進(jìn)行液位補(bǔ)償，使得傳感器的電容值和油位值之間是一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，與空氣、被測(cè)液體介電常數(shù)均無關(guān)，消除了溫度、壓力以及介質(zhì)對(duì)液位測(cè)量的影響，提高了液位測(cè)量的精度。(2)本發(fā)明可以通過合理設(shè)置多段測(cè)量電極和補(bǔ)償電極的長度，在溫度、壓力以及燃油種類均不變時(shí)，每段電容值與油位值有更為嚴(yán)格的線性關(guān)系。這是因?yàn)殡姌O長度越短， 漏電等邊緣現(xiàn)象不明顯，測(cè)量電極和其它絕緣金屬之間的寄生電容值較小，對(duì)測(cè)量電路的干擾較小，保證了傳感器自身的線性度。(3)本發(fā)明中的絕緣材料做成的連接件不僅將各個(gè)內(nèi)電極連接起來，而且起到了絕緣作用。連接件結(jié)構(gòu)簡單，不僅利于機(jī)械加工，而且沒有增加傳感器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，保證傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，無活動(dòng)部件。(4)本發(fā)明通過合理控制底部補(bǔ)償電極和頂部補(bǔ)償電極的長度在一定較小范圍內(nèi)，可以在較大液位測(cè)量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳感器的自補(bǔ)償功能。當(dāng)被測(cè)液體完全浸沒底部補(bǔ)償電極的長度且沒有達(dá)到頂部補(bǔ)償電極時(shí)，傳感器才具有補(bǔ)償作用，所以補(bǔ)償電極的長度將會(huì)影響油位測(cè)量范圍。為保證傳感器在低液位或高液位狀態(tài)仍能進(jìn)行測(cè)量，需要控制補(bǔ)償電極的長度小于測(cè)量電極的長度。(5)本發(fā)明公用的外電極不僅簡化了傳感器結(jié)構(gòu)，而且大大簡化了測(cè)量電路的設(shè)計(jì)。


圖I為本發(fā)明電容傳感器結(jié)構(gòu)主視圖2為本發(fā)明中連接件主視圖與左視圖3為本發(fā)明中測(cè)量電極的主視剖面圖與左視圖4為本發(fā)明中連接件與測(cè)量電極的連接的剖面圖 5為本發(fā)明測(cè)量液位時(shí)的示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明的電容傳感器從上至下分別為傳感器表頭5、外電極I、頂部補(bǔ)償電極6、6段測(cè)量電極7、底部補(bǔ)償電極8。各個(gè)電極由絕緣材料做成的連接件3進(jìn)行連接， 在整個(gè)內(nèi)電極外部有一層絕緣材料4。傳感器電容值將會(huì)隨著內(nèi)外電極之間液位的變化而變化。測(cè)量電路通過檢測(cè)電容值的變化量從而獲得液位值。如圖2所示，為連接件3的主視圖與左視圖。連接件3兩端為外螺紋31，用于與內(nèi)電極中各電極相連。中間凸出的圓柱部分32用于兩個(gè)相鄰電極的絕緣，其外徑與內(nèi)電極外徑相等。為保證油位測(cè)量的連續(xù)性，中間凸出圓柱部分32的長度小于傳感器的最大測(cè)量誤差。連接件3的中心為通孔33，為連接金屬電極與測(cè)量電路的引線提供空間。如圖3所示，為測(cè)量電極7的主視剖面圖與左視圖。測(cè)量電極7為金屬圓管，兩端有內(nèi)螺紋71，用于與連接件固定。中間為通孔72，為連接電極與測(cè)量電路的引線提供空間。 弓I線通過焊接方式直接與測(cè)量電極相連，從電極以及連接件內(nèi)部的通孔引至傳感器表頭5 的部分。由于測(cè)量電極的位置順序與油位測(cè)量有直接關(guān)系，因此根據(jù)引線的顏色區(qū)分各電極的順序。為保證傳感器在低液位或者高液位情況下仍能進(jìn)行測(cè)量，補(bǔ)償電極與測(cè)量電極的長度有一定限制，一般認(rèn)為補(bǔ)償電極的長度小于測(cè)量電極的1/5。若測(cè)量電極為6段，此時(shí)低液位不可測(cè)量長度、可測(cè)量長度、高液位不可測(cè)量長度的比值為I : 30 1，可以滿足在較大液位范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳感器的補(bǔ)償功能。如圖4所示，為連接件3與測(cè)量電極7連接的剖面圖。連接件3和測(cè)量電極7通過螺紋連接，保證了傳感器內(nèi)電極的剛度。連接件中間凸出的圓柱部分32將兩個(gè)相鄰電極絕緣，且外徑與測(cè)量電極7的外徑相等，保證內(nèi)電極表面光滑連續(xù)。若傳感器的量程為lm，連接件中間凸出圓柱部分的長度為2mm，由于連接件導(dǎo)致的測(cè)量不連續(xù)誤差為1mm，即O. 1%， 小于傳感器的設(shè)計(jì)測(cè)量誤差為O. 5%，即滿足要求。如圖5所示，為本發(fā)明電容傳感器進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)的示意圖。被測(cè)液體9在傳感器內(nèi)外電極之間。在測(cè)量時(shí)，由于被測(cè)液體的介電常數(shù)大于空氣的介電常數(shù)，因此首先可以由各段測(cè)量電極電容值的大小比較得到液位值的大致位置。本發(fā)明實(shí)施例采用6段測(cè)量電極。若從下至上得到6段測(cè)量電極電容值的大小為=C1 = C2 > C3 > C4 = C5 = C6，則可得到液位值在從下至上的第3段測(cè)量電極中間的某一值，則液位H的表達(dá)式寫為
權(quán)利要求
1.一種電容傳感器,其特征在于包括傳感器表頭、內(nèi)電極和外電極；所述內(nèi)電極由多個(gè)單獨(dú)的電極組合而成，所有內(nèi)電極均為內(nèi)外徑相同，同軸排列，從上至下內(nèi)電極分別為頂部補(bǔ)償電極、多段測(cè)量電極和底部補(bǔ)償電極；每段電極之間由絕緣材料做成的連接件進(jìn)行連接；所述外電極通過螺紋連接套在內(nèi)電極外部，與內(nèi)電極同軸安裝，為內(nèi)電極中的各段電極公用；傳感器表頭與外電極連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電容傳感器，其特征在于在整個(gè)內(nèi)電極外部有一層絕緣材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種電容傳感器，其特征在于所述內(nèi)電極中所有電極均為內(nèi)外徑相同的金屬圓管。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種電容傳感器，其特征在于所述多段測(cè)量電極中的各段測(cè)量電極的長度相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種電容傳感器，其特征在于所述底部補(bǔ)償電極用于被測(cè)液體特性的變化，在測(cè)量時(shí)完全浸沒在被測(cè)液體中；所述頂部補(bǔ)償電極用于補(bǔ)償溫度、 壓力變化引起的空氣特性變化，在測(cè)量時(shí)完全暴露在空氣中。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種電容傳感器，其特征在于所述底部補(bǔ)償電極與頂部補(bǔ)償電極的有效測(cè)量長度相同，均小于測(cè)量電極的長度。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種電容傳感器，其特征在于所述外電極為金屬圓管。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種電容傳感器，其特征在于所述測(cè)量電極為6段。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種電容傳感器，其特征在于所述連接件兩端為外螺紋，用于與內(nèi)電極中各電極之間的連接，連接件中間為凸出的圓柱部分用于內(nèi)電極中兩個(gè)相鄰電極的絕緣，連接件外徑與內(nèi)電極外徑相等，連接件的中心為通孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種電容傳感器，其特征在于所述連接件中間凸出的圓柱部分的長度小于傳感器的最大測(cè)量誤差。
全文摘要
一種電容傳感器，包括傳感器表頭、內(nèi)電極和外電極；所述內(nèi)電極由多個(gè)單獨(dú)的電極組合而成，所有內(nèi)電極均為內(nèi)外徑相同，同軸排列，從上至下內(nèi)電極分別為頂部補(bǔ)償電極、多段測(cè)量電極和底部補(bǔ)償電極，每段電極之間由絕緣材料做成的連接件進(jìn)行連接；所述外電極通過螺紋連接套在內(nèi)電極外部，與內(nèi)電極同軸安裝，為內(nèi)電極中的各段電極公用；傳感器表頭與外電極連接。本發(fā)明消除了溫度、壓力以及介質(zhì)等對(duì)液位測(cè)量的影響，提高了液位測(cè)量的精度；另外還有效地避免漏電現(xiàn)象的出現(xiàn)，保證傳感器自身的線性度。
文檔編號(hào)G01F23/26GK102607668SQ20121011631
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者萬九卿, 熊思思, 董韶鵬, 袁梅, 鮑鵬宇 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)