【文章內(nèi)容簡介】 d為圓筒 A的外徑； D為圓筒 B的內(nèi)徑； Δl為沿軸線的位移 (單位為 cm)； K為系數(shù)，當(dāng) d接近 D時(shí)，可略去邊緣效應(yīng)，取 K=。 第 3章 無源型位移傳感器 圖 38 （ a） 平板式；（ b） 扇形平板；（ c）柱面板式；（ d）圓筒面式 第 3章 無源型位移傳感器 3. 改變極板間介質(zhì)的電容式傳感器 圖 39為改變極板間介質(zhì)的電容式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 。 它的電極間相互位置沒有任何改變 ， 而是靠改變極板間介質(zhì)高度來改變其電容值的 。 設(shè)被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)為 ε r1， 空氣的相對介電常數(shù)為 ε r0＝ 1， 介質(zhì)高度為 h， 傳感器總高度為 H， 內(nèi)筒的外徑為 d， 外筒的內(nèi)徑為 D， 則由式 （ 314） 可求得傳感器的電容值為 dDhKCCln)( 0r1r0?? ???（ 315） 式中， 為傳感器的初始電容值。 可見傳感器的電容增量與被測液位高度 h成正比， 故它可以用來測量液位和料位的高度。 )/ln (0r0 dDHKC ??第 3章 無源型位移傳感器 圖 39 （ a） 結(jié)構(gòu)原理示意圖； （ b） 輸入 /輸出特性 第 3章 無源型位移傳感器 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 1. 橋式電路 圖 310為電容傳感器的橋式轉(zhuǎn)換電路。 其中，（ a）為單臂接法，高頻電源接到電容電橋的一個(gè)對角線上，電容 C CC Cx構(gòu)成電容電橋的四臂， Cx為電容傳感器， 電橋平衡時(shí)輸出電壓為零； Cx變化時(shí)電橋平衡被破壞， 則有電壓輸出。（ b）為差動(dòng)接法， 其空載輸出電壓可表示為 uo=－ ΔCU/C0， ΔC為電容傳感器的電容變化值。（ c）為雙 T形電橋原理圖， 激勵(lì)電源為穩(wěn)頻、 穩(wěn)幅的高頻對稱方波，它利用二極管控制傳感器電容Cx和電容 C的充放電，當(dāng) Cx=C時(shí)，負(fù)載 RL上流過的平均電流為零； 第 3章 無源型位移傳感器 圖 310 電容傳感器的橋式轉(zhuǎn)換電路 第 3章 無源型位移傳感器 當(dāng) Cx變化時(shí) ， 負(fù)載 RL上得到與電容變化成比例的信號(hào)電壓 。電容 C可以是固定電容 ， 也可以是差動(dòng)電容的另一邊 。 雙 T形電橋輸出電壓高 ， 可測量高速機(jī)械振動(dòng) ， 輸出阻抗與 Cx無關(guān) ， 只決定于電阻 R（ 1～ 100 kΩ） , 可用毫安表或微安表直接測量 。 電容式傳感器也可以采用如圖 36(d) 所示的電路，將圖中的 C C2接成差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容，由 RP1和 RP2配合調(diào)節(jié)電橋的平衡。 第 3章 無源型位移傳感器 2. 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 圖 311為差動(dòng)電容傳感器的脈沖調(diào)寬電路， 其輸出電壓經(jīng)低通濾波后的平均值正比于輸入的非電量?？梢宰C明： 變極距差動(dòng)電容傳感器輸出為 Ud dU0av?? （ 316） 變面積差動(dòng)電容傳感器輸出為 US SU0av?? （ 317） 式中， U為觸發(fā)器輸出高電平電壓值。 第 3章 無源型位移傳感器 圖 311 差動(dòng)式電容傳感器脈沖調(diào)寬電路 第 3章 無源型位移傳感器 電容式傳感器的使用注意事項(xiàng) 在應(yīng)用或制造電容式傳感器時(shí) ， （ 1） 擊穿電壓：電容式傳感器極板之間的空氣隙 d很小 ， 存在介質(zhì)被擊穿的危險(xiǎn) ， 通常在兩極板間加云母片以避免空氣隙被擊穿 。 （ 2） 極片材料受溫度的影響：由不同材料制造成的傳感器 ， 具有不同的溫度膨脹系數(shù) ， 為此在決定傳感器尺寸和選材時(shí)均要考慮溫度影響 。 （ 3） 連接線問題： 電容式傳感器的電容值均很小，一般在皮法 (1012F)級(jí)， 因而連接線通常使用分布電容極小的高頻電纜。 第 3章 無源型位移傳感器 電感式傳感器 自感式傳感器 1. 變氣隙式 （ 閉磁路式 ） 自感傳感器 變氣隙式自感式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖 312所示 。 其中 ， （ a） 為單邊式結(jié)構(gòu) ， （ b） 為差動(dòng)式結(jié)構(gòu) 。 它們由鐵芯 、 線圈 、 銜鐵 、 測桿及彈簧等組成 。 第 3章 無源型位移傳感器 圖 312 變氣隙式自感式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 （ a） 單邊式； （ b） 差動(dòng)式 第 3章 無源型位移傳感器 由電工知識(shí)可知，線圈的自感量等于線圈中通入單位電流所產(chǎn)生的磁鏈數(shù)， 即線圈的自感系數(shù)為 )H(IN ΦIL ?? ?式中 ， ψ =NФ為磁鏈； Ф為磁通 （ Wb） ； I為流過線圈的電流（ A） ， N為線圈匝數(shù) 。 根據(jù)磁路歐姆定律知： lN I SΦ ??式中， μ 為磁導(dǎo)率； S為磁路截面積； l為磁路總長度。 第 3章 無源型位移傳感器 令 Rm=l/μ S為磁路的磁阻，可得線圈的電感量為 m22RNlSNIN ΦL ??? ?（ 318） 圖 312中的磁路總長度包括鐵芯長度 li銜鐵長度 li2和兩個(gè)空氣間隙 l0的長度，即 l= li1+ li2+2l0。 因鐵芯和銜鐵均為導(dǎo)磁材料， 磁阻可忽略不計(jì)， 則式（ 318）可改寫為 0002m22 lSNRNL ??? （ 319） 式中， S0為氣隙的等效截面積； μ 0為空氣的磁導(dǎo)率。只要被測非電量能夠引起空氣隙長度 l0或等效截面積 S0發(fā)生變化，線圈的電感量就會(huì)隨之變化。 因此， 電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長度式和變氣隙截面式兩種類型。 第 3章 無源型位移傳感器 1） 由式（ 319）可知， 變氣隙長度式傳感器的特性與圖 37（ b）所示的相同。它具有線性度差、示值范圍窄、自由行程小、 在小位移下靈敏度很高的特點(diǎn)。 因此， 常用于直線小位移的測量， 以及結(jié)合彈性敏感元件構(gòu)成壓力傳感器、加速度傳感器等。 2） 如圖 313所示，旋轉(zhuǎn)銜鐵可改變氣隙的截面積。同樣由式（ 319）可知，變截面式傳感器具有線性度良好、自由行程大、 示值范圍寬、靈敏度較低的特點(diǎn)，通常用來測量比較大的直線位移和角位移。 第 3章 無源型位移傳感器 圖 313 變氣隙截面式電感傳感器 第 3章 無源型位移傳感器 3） 為了擴(kuò)大示值范圍和減小非線性誤差， 可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)， 如圖 312（ b）和 313所示。 將兩個(gè)線圈接在電橋的相鄰臂，構(gòu)成差動(dòng)電橋，不僅可使靈敏度提高一倍， 而且可使非線性誤差大為減小。如當(dāng) Δ x/l0=10%時(shí)， 單邊式非線性誤差小于 10％，而差動(dòng)式非線性誤差小于 1％。 第 3章 無源型位移傳感器 2. 螺管式 （ 開磁路式 ） 自感式傳感器 螺管式自感式傳感器常采用差動(dòng)式，如圖 314所示。 它是在螺線管中插入圓柱形鐵芯而構(gòu)成的。其磁路是開放的，氣隙磁路占很長的部分。有限長螺線管內(nèi)部磁場沿軸線非均勻分布， 中間強(qiáng)， 兩端弱。插入鐵芯的長度，不宜過短也不宜過長， 一般鐵芯與線圈長度比為 ，半徑比趨于 1為宜。 鐵磁材料的選取決定于供橋電源的頻率， 500Hz以下多用硅鋼片， 500 Hz以上多用坡莫合金， 更高頻率的則選用鐵氧體。從線性度考慮， 匝數(shù)和鐵芯長度有一最佳數(shù)值，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)選定。 第 3章 無源型位移傳感器 圖 314 螺管式自感式傳感器結(jié)構(gòu)原理 第 3章 無源型位移傳感器 3. 電感式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 電感式傳感器常用交流阻抗電橋和諧振電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換 。 圖 315為電感式傳感器常用的交流阻抗電橋 ， 電橋的平衡也可用如圖 36（ d） 所示的電路來調(diào)節(jié) 。 圖 315（ a）為電感電橋， 為了便于選擇元件，另外兩臂