生物医学传感器电容ppt课件.ppt

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1、第四章电容式传感器生物医学工程系医用传感器原理及应用优点：1.测量范围大：相对变化量可达100%。2.灵敏度高：可达10-7。3.动态响应时间短：可动部件质量小，固有频率高，适合于动态信号的测量。4.机械损失小：电极间引力小，无摩擦，热效应小，因此，精度高。5.结构简单，适应性强：金属做电极，无机材料绝缘支撑，能承受大的温度变化和强辐射，适合于恶劣环境工作。1.寄生电容影响大：导线电容、泄露电容。降低了灵敏度，非线性输出，甚至不稳定。2.当用变间隙原理进行测量时，具有非线性输出特性。缺点：应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度

2、和成分含量等测量之中。第一节电容式传感器的工作原理平板电容同轴圆柱型电容第二节电容式传感器的类型及特性变面积式3.1基本工作原理（1）平面线位移型：当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的遮盖面积S，电容量C同样随之变化。a）直线位移式因此，与位移呈线性关系。变面积型电容传感器3.1基本工作原理θ定片动片（b）角位移式因此，与角位移呈线性关系。（2）角位移型：3.1基本工作原理灵敏度系数灵敏度系数变面积型电容传感器不论是角位移式还是直线式，传感器的电容值都与引起遮盖面积变化的因素（转角θ或直线位移x）呈线性关系。且灵敏度系数K与初始电

3、容C0呈正比。角位移型平面线位移型3.1基本工作原理这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。（3）圆柱体线位移型：当内筒上移x时，内外筒间的电容Cx为：D1D0Lx与x成线性关系。结论：变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为常数。①增大初始电容C0可以提高传感器的灵敏度；②极板宽度a的大小不影响灵敏度，但不能太小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大；③△X变化不能太大，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。变极距式单极式变极距型初始电容当减小时电容C增加当时，用泰勒级数展开电容相对变化忽略高次项即当(一般取0.02-0.1

4、)时，电容的相对变化量ΔC与极板间距离变化量近似呈线性关系。传感器灵敏度非线性误差d0越小，灵敏度系数K越高；而d0减小又使非线性误差δ增大。结论：由前式可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是双曲线关系此时C与Δd近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感器只有在很小时,才有近似的线性输出措施：①欲提高灵敏度，应减小间隙d，但受电容器击穿电压的限制.通常极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质；②非线性随相对位移的增加而增加，为保证一定的线性度，应限制动极板的相对位移量。③为改善非线性，可以采用差动式。为提高灵敏度和

5、非线性，一般采用差动结构。差动式变极距型上下两部分的初始电容：上移后：展开：差动式电容传感器的输出为：非线性误差为：略去高阶无穷小：差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍非线性误差可以减小一个数量级。变介质型变介质型传感器变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。右图相当于两个电容器的并联，1、2为筒状极板。上面的电容器以ε2为介质，下面的电容器以ε1为介质。电容液位计原理图其中,A为常数，K为灵敏度系数电容C与液位h1之间呈线性关系.电容式厚度

6、传感器Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。Rs代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。Cp寄生电容，C传感器电容电容传感器的等效电路第三节电容传感器的测量电路分析电容式传感器的等效阻抗为：RS很小，RP很大,均可忽略。电路的等效容抗为：电容的相对变化量为：激励电源频率电路谐振频率结论：电容传感器的等效电容与激励电源的频率有关，还与电路自身的谐振频率有关，而影响谐振频率的重要因素是电感L，它与电

7、容传感器的连接导线等因素有关，所以电容传感器在实际使用时必须保持与标定时的状态是完全一致的。交流电桥电容传感器的测量电路将电容传感器接入电桥的一个臂，不平衡电桥输出：为使桥路平衡，在四个桥臂上必须接入两个电容（一个单极电容传感器和一个固定电容，或接入差动电容传感器）。另外两个桥臂接入其他阻抗元件，如：两个电阻、两个电感或是两个电容。当桥臂上接入不同的阻抗元件时，电路的灵敏度不同，一般有0.25、0.5、1，输出信号相移有0°、±90°、±180°。变压器式电桥即输出电压与位移△d成线性关系正负半周分析：正半周：C1充电，电流顺时针；C2放

8、电，电流逆时针负半周：C2充电，电流逆时针；C1放电，电流顺时针若C1=C2，则电流抵消，若C1≠C2，则RL有信号输出二极管双T形交流电桥脉冲调制电路运算放大器电路调频电路特点：转换电路生成