生物医学传感电容式ppt课件.ppt

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1、第五章电容式传感器10/8/20211上次课内容回顾压阻式传感器的工作原理压阻效应、晶面晶向的表示(密勒指数、方向余弦)压阻系数、阻值变化的计算纵、横向压阻系数的计算任意方向电阻条电阻变化的计算测量电路及其温度补偿10/8/202121920~1925电容传感器用于测量70~80年代，应用广泛集成电容传感器电容式传感器10/8/20213学习要点:1.电容式传感器的工作原理和结构2.电容式传感器的测量电路3.电容式传感器的应用电容传感器被测物理量电容变化转换电路电量变化10/8/20214一、工作原理和结构1、工作原理A-

2、-两极板间介质的介电常数；δ--两极板间的距离；A--两极板的正对面积。10/8/20215电容式传感器可分为三种：变极距型变面积型变介质型10/8/202162、电容式传感器的类型和特性2.1变极距型电容传感器电容的相对变化量为：10/8/20217略去高次项，得：所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足Δδ<<δ0的条件。且一般Δδ只能在极小的范围内变化。10/8/20218非线性误差与Δδ/δ0有关。其表达式为：传感器的灵敏度为：10/8/20219结论：灵敏度与非线性误差对δ0的要求是矛盾的。即K大，非线性误差大；K

3、小，非线性误差小。10/8/202110差动式变间隙型电容传感器动极板定极板定极板C1δ1C2δ2初始位置时10/8/202111动极板上移时：10/8/202112电容量的相对变化为：10/8/202113减小略去高次项：非线性误差为：灵敏度：提高一倍10/8/2021142.2变面积型电容传感器平面直线位移型角位移型10/8/2021151)平面直线位移变面积型极板长b,宽a，间距δ，Δa为水平移动距离(沿a方向)。则有：初始正对面积：初始电容：10/8/202116动极板水平移动Δa后,电容相对变化量为：灵敏度为：常数平

4、面位移型电容传感器的电容变化量与输入位移变化量成正比10/8/2021172)角位移变面积型半圆形平行板电容器当动极板有一角位移Δθ时电容：初始正对面积：初始电容：10/8/202118电容相对变化量：灵敏度为：常量角位移型电容传感器的电容变化量与输入角位移变化量成线性关系10/8/2021193)圆筒线位移变面积型10/8/202120当内筒上移x时，内外筒间的电容相对变化为：D1D0Lx与x成线性关系灵敏度为：10/8/202121【习题1】有一个以空气为介质的变面积型平板电容传感器，如图所示，其中a= 8mm，b= 12

5、mm，两极板间距离为1mm。一块板在原始位置上平移了5mm后（沿a方向），求该传感器的位移灵敏度K（已知空气相对介电常数=1F/m，真空时的介电常数0= 8.854×10-12F/m）。10/8/2021222.3变介质型电容式传感器▲▲在106Hz频率下，一些典型介质的相对介电常数如表所示：介质名称真空聚乙烯硅油金刚石氧化铝云母TiO2相对介电常数12.262.75.54.5~8.46~8.510~110通过介质的改变来实现对被测量的检测电容式湿度计10/8/202123厚度传感器δx(a)单组式平板形厚度传感器厚度传感

6、器的等效电路CC1C2C3设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为δ；被测物的厚度和它的介电常数分别为δx和ε10/8/202124δx10/8/20212510/8/202126ε1CBld2d1ε2xCA线位移传感器线位移传感器等效电路CACBC(b)单组式平板形线位移传感器设极板宽度为b，板间无介质ε2时，传感器的电容量为：10/8/202127插入介质ε2后的电容量为：ε1CBld2d1ε2xCA10/8/202128电容变化量:电容相对变化量：与x成线性关系10/8/202129液位传感器液位传感器的等效电路C

7、2C1C(c)圆筒式液位传感器首先2r22r1hhx10/8/202130与被测液位hx成线性关系2r22r1hhx电容相对变化量：10/8/202131[例1]某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当传感器用在该储存灌内时的灵敏度（已知空气相对介电常数=1F/m，真空时的介电常数0= 8.854×10-12F/m）。2r22r1hhx10/8/202132二、电容式传感器的特点及设计要点(

8、1)温度稳定性好1.电容式传感器的优点(2)结构简单，适应性强2.1电容传感器的特点（3）静电引力小(4)动态响应好(5)可以实现非接触测量10/8/202133(1)输出阻抗高，负载能力差2.电容式传感器的缺点(2)寄生电容影响大(3)输出特性非线性10/8/2021342