生物医学传感器电容.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医用传感器原理及应用优点:优点:1.1.1.1.测量范围大:测量范围大:测量范围大:测量范围大:相对变化量可达相对变化量可达相对变化量可达相对变化量可达100%100%100%100%。2.2.2.2.灵敏度高:灵敏度高:灵敏度高:灵敏度高:可达可达可达可达10101010-7-7-7-7。3.3.3.3.动态响应时间短:动态响应时间短:动态响应时间短:动态响应时间短:可动部件质量小,固有频率高,可动部件质量小,固有频率高,可动部件质量小,固有频率高,可动部件质量小,固有频率高,适合于动态信号的测量。适合于动态信号的测量。适合于动态信号的
2、测量。适合于动态信号的测量。4.4.4.4.机械损失小:机械损失小:机械损失小:机械损失小:电极间引力小,无摩擦,热效应小,电极间引力小,无摩擦,热效应小,电极间引力小,无摩擦,热效应小,电极间引力小,无摩擦,热效应小,因此,精度高。因此,精度高。因此,精度高。因此,精度高。5.5.5.5.结构简单,适应性强:结构简单,适应性强:结构简单,适应性强:结构简单,适应性强:金属做电极,无机材料绝缘金属做电极,无机材料绝缘金属做电极,无机材料绝缘金属做电极,无机材料绝缘支撑,能承受大的温度变化和强辐射,适合于恶劣支撑,能承受大的温度变化和强辐射,适合于恶劣支撑,能承受大的温度变化和强辐射,适合于恶劣
3、支撑,能承受大的温度变化和强辐射,适合于恶劣环境工作。环境工作。环境工作。环境工作。1.1.1.1.寄寄寄寄生生生生电电电电容容容容影影影影响响响响大大大大:导导导导线线线线电电电电容容容容、泄泄泄泄露露露露电电电电容容容容。降降降降低低低低了了了了灵敏度,非线性输出,甚至不稳定。灵敏度,非线性输出,甚至不稳定。灵敏度,非线性输出,甚至不稳定。灵敏度,非线性输出,甚至不稳定。2.2.2.2.当当当当用用用用变变变变间间间间隙隙隙隙原原原原理理理理进进进进行行行行测测测测量量量量时时时时,具具具具有有有有非非非非线线线线性性性性输输输输出出出出特特特特性。性。性。性。缺点:缺点:应用:应用:压力
4、、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。分含量等测量之中。分含量等测量之中。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 3.1 3.1 3.1 基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理(1 1 1 1)平面线位移型:当其中一个极板发生)平面线位移型:当其中一个极板发生)平面线位移型:当其中一个极板发生)平面线位移型:当其中一个极板发生x x位移后,改位移后,
5、改位移后,改位移后,改变了两极板间的遮盖面积变了两极板间的遮盖面积变了两极板间的遮盖面积变了两极板间的遮盖面积S S ,电容量,电容量,电容量,电容量C C同样随之变化。同样随之变化。同样随之变化。同样随之变化。a a a a)直线位移式)直线位移式)直线位移式)直线位移式因此,因此,因此,因此,与位移与位移与位移与位移呈线性关系。呈线性关系。呈线性关系。呈线性关系。变面积型电容传感器变面积型电容传感器变面积型电容传感器变面积型电容传感器3.1 3.1 3.1 3.1 基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理 定片定片定片定片动片动片动片动片(b b b b)角位移式)角位移式)角位移
6、式)角位移式因此,因此,因此,因此,与角位移与角位移与角位移与角位移呈线性关系。呈线性关系。呈线性关系。呈线性关系。(2 2 2 2)角位移型:)角位移型:)角位移型:)角位移型:3.1 3.1 3.1 3.1 基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理灵敏度系数灵敏度系数灵敏度系数灵敏度系数 灵敏度系数灵敏度系数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,传感变面积型电容传感器不论是角位移式还是直线式,传感变面积型电容传感器不论是角位移式还是直线式,传感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(转角器的电容值都与引起遮盖
7、面积变化的因素(转角器的电容值都与引起遮盖面积变化的因素(转角器的电容值都与引起遮盖面积变化的因素(转角或直或直或直或直线位移线位移线位移线位移x x x x)呈线性关系。且灵敏度系数呈线性关系。且灵敏度系数呈线性关系。且灵敏度系数呈线性关系。且灵敏度系数K K K K与初始电容与初始电容与初始电容与初始电容C C C C0 0 0 0呈呈呈呈正比。正比。正比。正比。角位移型平面线位移型3.1 3.1 3.1 3.1 基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理这类传感器具有良好的线性这类传感器具有良好的线性这类传感器具有良好的线性这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。大多用来
8、检测位移等参数。大多用来检测位移等参数。大多用来检测位移等参数。(3 3)圆柱体线位移型:)圆柱体线位移型:当内筒上移当内筒上移x x时,内外筒间的时,内外筒间的电容电容C Cx x为:为:D1D0Lx与与与与x x成线性关系。成线性关系。成线性关系。成线性关系。结论:结论:变面积式电容传感器输出是线性的,灵敏度为常数。变面积式电容传感器输出是线性的,灵敏度为常数。增大初始电容增大初始电容C0可以提高传感器的灵敏度;可以提高传感器的灵敏度;极板宽度极板宽度a的大小不影响灵敏度,但不能太小,否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;则边缘电场影响增大,非线性将增大;X
9、变化不能太大,否则边缘效应会使传感器特变化不能太大,否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。性产生非线性变化。变极距式单极式变极距型初始电容初始电容 当当 减小减小 时时 电容电容 C C 增加增加 当当当当 时,用泰勒级数展开时,用泰勒级数展开时,用泰勒级数展开时,用泰勒级数展开 电容相对变化电容相对变化电容相对变化电容相对变化忽略高次项忽略高次项即当即当即当即当 (一般取一般取一般取一般取0.02-0.1)0.02-0.1)0.02-0.1)0.02-0.1)时,电容的相对变化量时,电容的相对变化量时,电容的相对变化量时,电容的相对变化量CCCC与极与极与极与极板间距离变化量近似呈线性关
10、系。板间距离变化量近似呈线性关系。板间距离变化量近似呈线性关系。板间距离变化量近似呈线性关系。v 传感器灵敏度传感器灵敏度v 非线性误差非线性误差 d d0 0越小,灵敏度系数越小,灵敏度系数K K越高;而越高;而d d0 0减小又使非线性误差减小又使非线性误差增大。增大。结论:结论:由由前前式式可可知知,传传感感器器的的输输出出特特性性C=f(d)不不是是线性关系线性关系,而是双曲线关系而是双曲线关系此此时时C与与d近近似似呈呈线线性性关关系系,所所以以变变极极距距型型电电容容式式传传感感器器只只有有在在 很很小小时时,才才有有近近似似的的线性输出线性输出措施:措施:欲提高灵敏度,应减小间隙
11、欲提高灵敏度,应减小间隙d,但受电容器,但受电容器击穿电压的限制击穿电压的限制.通常极板间可采用高介电常数的材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;料(云母、塑料膜等)作介质;非线性随相对位移的增加而增加,为保证一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。定的线性度,应限制动极板的相对位移量。为改善非线性,可以采用差动式。为改善非线性,可以采用差动式。为提高灵敏度和非线性,一般采用差动结构。为提高灵敏度和非线性,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:上下两部分的初始电容:上移上移 后:后:展开:展开:差动式电容传感器的输出为
12、:非线性误差为:略去高阶无穷小:l 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍 l 非线性误差可以减小一个数量级。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,右图相当于两个电容器的并联,右图相当于两个电容器的并联,右图相当于两个电容器的并联,1 1 1 1、2 2 2 2为筒状极板。上面的电容器以为筒状极板。上面的电容器以为筒状极板。上面的电容器以为筒状极板。上面的电容器以2
13、 2为为为为介质,下面的电容器以介质,下面的电容器以介质,下面的电容器以介质,下面的电容器以1 1为介质。为介质。为介质。为介质。电容液位计原理图电容液位计原理图电容液位计原理图电容液位计原理图其中其中其中其中,A,A,A,A 为常数,为常数,为常数,为常数,K K K K为灵敏度系数为灵敏度系数为灵敏度系数为灵敏度系数电容电容C C与液位与液位h h1 1之间呈线性关系之间呈线性关系.电容式厚度传感器R Rp p为为为为并并并并联联联联损损损损耗耗耗耗电电电电阻阻阻阻,它它它它代代代代表表表表极极极极板板板板间间间间的的的的泄泄泄泄漏漏漏漏电电电电阻阻阻阻和和和和介介介介质质质质损损损损耗耗
14、耗耗。这这这这些些些些损损损损耗耗耗耗在在在在低低低低频频频频时时时时影影影影响响响响较较较较大大大大,随随随随着着着着工工工工作作作作频频频频率率率率增增增增高高高高,容容容容抗抗抗抗减减减减小小小小,其其其其影响就减弱。影响就减弱。影响就减弱。影响就减弱。R Rs s代代代代表表表表串串串串联联联联损损损损耗耗耗耗,即即即即代代代代表表表表引引引引线线线线电电电电阻阻阻阻、电电电电容容容容器器器器支支支支架架架架和和和和极极极极板板板板电电电电阻阻阻阻的的的的损耗。损耗。损耗。损耗。电感电感电感电感L L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。由电容器本身的电感和外部引线电感组成。由电容器本
15、身的电感和外部引线电感组成。由电容器本身的电感和外部引线电感组成。C Cp p 寄生电容,寄生电容,寄生电容,寄生电容,C C传感器电容传感器电容传感器电容传感器电容v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:电容式传感器的等效阻抗为:R RS S很小,很小,R RP P很大很大,均可忽略。电路的等效容抗为均可忽略。电路的等效容抗为:电容的相对变化量为电容的相对变化量为:激励电源频率激励电源频率电路谐电路谐振频率振频率结论:结论:结论: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,还与电路自电容传感器的等
16、效电容与激励电源的频率有关,还与电路自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身的谐振频率有关,而影响谐振频率的重要因素是电感身的谐振频率有关,而影响谐振频率的重要因素是电感身的谐振频率有关,而影响谐振频率的重要因素是电感L L L L,它与它与它与它与电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电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电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电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时必须保持与标定时的状态是
17、完全一致的时必须保持与标定时的状态是完全一致的时必须保持与标定时的状态是完全一致的。交流电桥v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:正负半周分析:正半周:C1充电,电流顺时针;C2放电,电流逆时针负半周:C2充电,电流逆时针;C1放电,电流顺
18、时针若C1=C2,则电流抵消,若C1C2,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:特点:n转换电路生成频率信号,可远距离传输不受干扰。n具有较高的灵敏度,可以测量高至0.01m级位移变化量。n但非线性较差,可通过鉴频器(频压转换)转化为电压信号后,进行补偿。第三节 电容传感器的误差分析温度的影响边缘效应的影响寄生电容、分布电容的影响温度对结构尺寸的影响电容传感器由于极板间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下,温度变化将导致极板间隙发生较大的相对变化,从而产生很大的温度误差。在设计电容式传感器时,适当选择材料及有关结构参数,
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