【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 d為圓筒 A的外徑； D為圓筒 B的內(nèi)徑； Δl為沿軸線(xiàn)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(wú)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(wú)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(méi)有任何改變 ， 而是靠改變極板間介質(zhì)高度來(lái)改變其電容值的 。 設(shè)被測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為 ε r1， 空氣的相對(duì)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(jiàn)傳感器的電容增量與被測(cè)液位高度 h成正比， 故它可以用來(lái)測(cè)量液位和料位的高度。 )/ln (0r0 dDHKC ??第 3章 無(wú)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(wú)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(duì)角線(xiàn)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(duì)稱(chēng)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(guò)的平均電流為零； 第 3章 無(wú)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(wú)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(cè)量高速機(jī)械振動(dòng) ， 輸出阻抗與 Cx無(wú)關(guān) ， 只決定于電阻 R（ 1～ 100 kΩ） , 可用毫安表或微安表直接測(cè)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(wú)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(wú)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(wú)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(xiàn)問(wèn)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(xiàn)通常使用分布電容極小的高頻電纜。 第 3章 無(wú)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(xiàn)圈 、 銜鐵 、 測(cè)桿及彈簧等組成 。 第 3章 無(wú)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(wú)源型位移傳感器 由電工知識(shí)可知，線(xiàn)圈的自感量等于線(xiàn)圈中通入單位電流所產(chǎn)生的磁鏈數(shù)， 即線(xiàn)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(guò)線(xiàn)圈的電流（ A） ， N為線(xiàn)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(zhǎng)度。 第 3章 無(wú)源型位移傳感器 令 Rm=l/μ S為磁路的磁阻，可得線(xiàn)圈的電感量為 m22RNlSNIN ΦL ??? ?（ 318） 圖 312中的磁路總長(zhǎng)度包括鐵芯長(zhǎng)度 li銜鐵長(zhǎng)度 li2和兩個(gè)空氣間隙 l0的長(zhǎng)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(xiě)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(cè)非電量能夠引起空氣隙長(zhǎng)度 l0或等效截面積 S0發(fā)生變化，線(xiàn)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(zhǎng)度式和變氣隙截面式兩種類(lèi)型。 第 3章 無(wú)源型位移傳感器 1） 由式（ 319）可知， 變氣隙長(zhǎng)度式傳感器的特性與圖 37（ b）所示的相同。它具有線(xiàn)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(xiàn)小位移的測(cè)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(xiàn)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(lái)測(cè)量比較大的直線(xiàn)位移和角位移。 第 3章 無(wú)源型位移傳感器 圖 313 變氣隙截面式電感傳感器 第 3章 無(wú)源型位移傳感器 3） 為了擴(kuò)大示值范圍和減小非線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)性誤差大為減小。如當(dāng) Δ x/l0=10%時(shí)， 單邊式非線(xiàn)性誤差小于 10％，而差動(dòng)式非線(xiàn)性誤差小于 1％。 第 3章 無(wú)源型位移傳感器 2. 螺管式 （ 開(kāi)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(xiàn)管中插入圓柱形鐵芯而構(gòu)成的。其磁路是開(kāi)放的，氣隙磁路占很長(zhǎng)的部分。有限長(zhǎng)螺線(xiàn)管內(nèi)部磁場(chǎng)沿軸線(xiàn)非均勻分布， 中間強(qiáng)， 兩端弱。插入鐵芯的長(zhǎng)度，不宜過(guò)短也不宜過(guò)長(zhǎng)， 一般鐵芯與線(xiàn)圈長(zhǎng)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(xiàn)性度考慮， 匝數(shù)和鐵芯長(zhǎng)度有一最佳數(shù)值，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)選定。 第 3章 無(wú)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(wú)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(lái)調(diào)節(jié) 。 圖 315（ a）為電感電橋， 為了便于選擇元件，另外兩臂