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傳感器應(yīng)用技術(shù)第3章(編輯修改稿)

2026-07-18 07:42 本頁(yè)面

　

【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。可以證明：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(guò)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(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(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(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)螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)沿軸線非均勻分布，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

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