医用传感器_电容式传感器课件.ppt

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第4章电容式传感器 测量电路1.2第4章电容式传感器基本工作原理、结构及特性4.14.2误差分析4.3电容式传感器的医学应用4.4 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。第4章电容式传感器电容传感元件被测物理量电容变化转换电路电量变化 第4章电容式传感器第一节基本工作原理、结构和特性两平行极板组成的电容器,当忽略边缘效应时，它的电容量为:式中d、S或ε三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变间距型、变面积型和变介质型三种类型。Ard 一、变间距型电容传感器第4章电容式传感器 当传感器的ε和S为常数，初始极距为d，当忽略边缘效应时，可知其初始电容量C0为变极距型电容传感器原理图 当可动极板向下移动Δd时，电容量变为电容的变化量为第4章电容式传感器负号表示：电容的变化是随着两极板间距的增大而减小的。电容的相对变化量灵敏度变间距型电容传感器的电容C随间距的变化时非线性的。 如果满足条件(Δd/d)<<1，则可按级数展开成第4章电容式传感器略去高次(非线性)项，则近似呈线性关系灵敏度 第4章电容式传感器如果考虑式中级数展开中的一次项，则其相对非线性误差 第4章电容式传感器①变极距型电容传感器只有在|Δd/d|很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出；②欲提高灵敏度，应减小间隙d，但d的减小，一是将增大非线性，二是也会受到电容器击穿电压的影响；③为改善非线性，可以采用差动式。 差动式变间隙型电容传感器动极板定极板定极板C1d1C2d2 动极板置于两定极板之间，初始位置时，d1＝d2＝d，两边初始电容相等。当动板向上移△d时，两边极距变化为:第4章电容式传感器按级数展开：电容总的变化量为： 灵敏度提高一倍，非线性误差减小。电容值相对变化量为忽略高次项，则此电容传感器的线性关系近似为：灵敏度其相对非线性误差第4章电容式传感器 击穿问题若极板间距d过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。 有一个以空气为介质的变面积型平板电容传感器，其宽、长分别为a=8mm，b=12mm，两极板间距离为1mm。一块板在原始位置上平移了5mm后，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）。思考题 二、变面积型电容传感器第4章电容式传感器 设两矩形极板间覆盖面积为S，当动极板移动△X，则面积S发生变化，电容量也改变。灵敏度：平面直线位移型第4章电容式传感器 ①增大介电常数、极板边长b或减小极板间距d，都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。第4章电容式传感器变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。 为了提高灵敏度和克服极板的边缘效应，改善非线性。可采用如图所示的差动式变面积型传感器。该传感器有三个极板，上面的为可动电极，也是公共电极，它与两个固定电极分别电容C1和C2，当可动电极向右（或向左）移动时，电容C1减小（或增加），而电容C2增加（或减小），差动输出，提高了灵敏度，非线性得到改善。 角位移变面积型 半圆形平行板电容器初始电容：当动极板有一角位移Δθ时产生一电容： 电容变化量：电容相对变化量：测量灵敏度为：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. 圆筒线位移型 初始电容C0为：当内筒上移x时，内外筒间的电容Cx为：D1D0Lx与x成线性关系测量灵敏度为：电容相对变化量： 总结类型线性灵敏度工作范围变极距单组差动最小改善变面积角度、直线平板、圆筒线性一般较小较大 第4章电容式传感器图示为平板形线位移传感器结构原理图，设平行板面积为S=L×b，在忽略边缘效应时，当电容器内无介电常数为ε1的电介质时，电容器的电容为插入介电常数为ε1的电介质时，电容器的电容变为三、变介电常数型电容传感器电容C与介电常数为ε1的电介质的位移x成线性关系 (c)液位传感器液位传感器的等效电路C2C1C圆筒式液位传感器首先2r22r1hhx被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变化，导致电容的改变。 与被测液位hx成线性关系2r22r1hhx电容相对变化量：ε－液体介质介电常数；ε0－空气中介电常数（F/m） 置于某储存罐的电容式液位传感器由半径为20mm和4mm的两个同心圆柱体组成，并与储存罐等高。储存罐也是圆柱形，半径为25cm，高为1.2m，被储存液体的εr=2.1。试计算传感器的最小电容和最大电容以及传感器用在该储存罐内的灵敏度。解：当被测液位为零时，传感器电容最小，即有同理，当被测液位高度最大，即h=H=1.2m时传感器电容最大，即有储存罐的容积为故传感器的灵敏度为 第二节电容式传感器的测量电路电容式传感器将被测非电量变换为电容变化后，必须采用测量电路将其转换为电压、电流或频率信号。目前的测量电路种类很多，一般可归为调幅、调频、脉冲三大类型。调幅测量电路----用被测量调制电路中输出量幅度的电路。调频测量电路----用被测量调制电路中输出量频率的电路。脉冲调制测量电路----用被测量调制电路中脉冲输出量的电路。 交流电桥为适应电感、电容式传感器的需要交流电桥通常采用正弦交流电压供电，在频率较高的情况下需要考虑分布电感和分布电容的影响。交流电桥的四臂可以为：电阻、电容、电感电阻交流电桥电感电桥电容电桥一、调幅测量电路 (一)交流电桥测量电路一、调幅测量电路电桥初始处于平衡状态，且输出端开路，有当被测量变化时，将引起阻抗Z1变化ΔZ，于是电桥失去平衡，输出电压为将电桥平衡条件Z1Z4=Z2Z3代入，设桥臂比Z1/Z2=n，并考虑到ΔZ《Z，得—电桥的桥臂系数—传感器阻抗相对变化率 对于电容式传感器，Z1为容抗，则有电容式传感器阻抗相对变化率是一个实数，与ΔC近似成线性关系。而桥臂比式中是桥臂比n的模；是桥臂比n的相角。所以，桥臂比n是一个复数，是信号频率的函数。 当a=1时，|K|为最大值Km，Km随着θ而变化；θ=0°时，Km=0.25，输出电压与电源电压同相位；θ=±90°时，Km=0.5，输出电压相对电源电压发生90°相移；θ=±180°时，Km=∞，电桥发生振荡，输出电压趋于无限大。桥臂系数K为复数，表示为。整理得K的模和相角为 当a=1时，无论θ为任何值，φ始终为零，即输出与电源同相位；当a→∞时，φ为最大值，且φ=θ；当θ=0时，φ=0，这意味着当桥臂Z1、Z2是相同性质元件时，无论a为任何值，输出电压都与电源电压同相。桥臂系数K为复数，表示为。整理得K的模和相角为因此，在桥路电源电压和传感元件阻抗相对变化量β一定时，应满足两桥臂初始阻抗模相等（a=1），且使两桥臂阻抗角差θ尽量增大。 两相邻桥臂为电容C1和C2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中和为电容介质损耗电阻。设Z1、Z2为传感器阻抗，且有由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电容式传感器的两差动电容，传感器电容作为交流电桥的臂(差动) 电桥的输出电压为：当ωC＞＞R'时，上式可近似为：交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。 传感器电容作为交流电桥的臂(差动)为了桥路平衡,四个桥臂中必须接入两个电容，另外两个桥臂接入其他类阻抗元件，如：两个电阻、两个电感、或两个电容。UCx1Cx2RRU0电阻-电容UCxCC0C0U0电容-电容UCx1Cx2U0LL电感-电容 当RL→∞时 代入，得若在该电路中接入的电容式传感器是变间距型，则代入，得若在该电路中接入的电容式传感器是变面积型，则结论：当放大器输入阻抗极大时，电桥的输出电压与输入量成线性。 从上式可知，差动电容传感器，经过交流电桥后将变成线性输出关系，这是电桥的一个重要特性。在工程实际应用中，交流电桥大多数采用变压器的形式，其基本原理一样，这种电桥叫变压器电桥，广泛应用于差动电感、差动电容的转换电路之中，其特性更优于阻抗电桥。 电路的主要特点：①必须接成差动形式使用；②电桥的交流激励源的幅值和频率要稳定；③要求后续电路输入阻抗无限大。高频供电交流输出高输出阻抗相敏检波辨别方向U0交流电桥测量电路放大振荡器相敏检波滤波器UCx1Cx2RR 上面两种电桥电路虽然能将电容的变化转化为电压的变化，但无法判定电压的相位(如只能判定极板移动的大小，但无法判定极板移动的方向)。如果要判定电压的相位，还要把桥式转换电路的输出经相敏检波电路进行处理。 交流电桥电路后面的测量电路形式为：需要确定大小和方向 一种带相敏整流的电桥电路。电桥由差动电容传感器Z1和Z2以及平衡电阻R1、R2(R1=R2)组成，VD1～VD4构成了相敏整流器，当Z1＝Z2＝Z时，输出电压U0为零。带有相敏整流的电桥电路 差动变间隙电容传感器，当Z2＝Z+△Z增加，则Zl＝Z－△Z减少。比较上述两种情况，可知输出电压幅值相等，极性相反。整流器输出特性曲线a)非相敏整流器b)相敏整流器 C为传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高(Zi→∞)，因此可视作理想运算放大器。C0为一固定电容(二)运算放大器测量电路整理得如果传感器的电容式由平行板构成，则 可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。 二、调频测量电路CxΔf振荡器ΔuΔf限幅放大器ΔuL鉴频器 二、调频测量电路CxΔf振荡器ΔuΔf限幅放大器ΔuL鉴频器高频振荡回路的振荡频率传感器起始电容引线分布电容振荡回路固定电容当被测量没有变化时， 当被测量改变时，振荡器频率随之有个相应的改变量Δf，称为频偏。整理得可见当输入量导致电容发生改变时，振荡器的振荡频率f也随之发生相应变化，实现了由电容到频率的转换。在测量电路中，伴随频率的改变，振荡器输出幅值往往也会改变，为克服后者，在振荡器之后要加限幅环节。 (一)二极管T形网络三、脉冲调制测量电路若将二极管理想化，则正半周时，二极管D1导通、D2截止，电容C1被以极短的时间充电至UE，如图(b)所示。在负半周时，二极管D2导通、D1截止，电容C2很快被充电至电压-UE，如图(c)所示。 当t=t1时进入负半周，C2很快被充电至电压-UE，但此时C1上的电荷还来不及通过负载电阻RL放电，电压仍为UE。由于R1=R2=R，在t1瞬间，c点和o点电势相等，RL上电流为零。随着C1放电，c点电势越来越比o点低，则RL上电流逐渐增大。故在负载RL上产生的电压为： 二极管双T形交流电桥i(t)te(t)U-U0t1t2t3t4t0C1>C2U0>0ti(t)0C1Cx2，即d1=d0-Δd,d2=d0+Δd,则有同样，在变面积电容传感器中，则有 可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。 例题4-2：P54解:(1)根据运放知识，得题目中为了满足U0与x呈线性关系，Cx应接在输入回路C1位置，CF应接在反馈回路C2位置，此时有 (3)由U0的表达式求该测量变换系统的输出电压灵敏度(2)由Cx的表达式求电容式传感器的灵敏度 第二节电容式传感器的误差分析一、等效电路图中C为传感器电容，Rp为损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；Rs为引线、极板、金属支座等引起的的串联损耗电阻；Ls为电流回路的总电感；Cp为寄生电容，分析可视为含于传感器电容C中。在电容器的各种损耗、电场边缘效应、寄生与分布电容等因素不可忽略时，其等效阻抗 由于传感器并联电阻Rp一般都很大，Rs又相对较小，因而简化后可得等效电容则电容的实际相对变化量为在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。为电路的谐振频率 二、边缘效应以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。电容器两极板间的电场线中间部分是均匀的，到了边缘会发生弯曲。这时，对极板半径为r的变极距型电容传感器，其电容值应按下式计算：为了克服边缘效应，应尽量增大前一项，减小后一项。增大前项，意味着增大极板面积，减小极板间距；减小后项，意味着极板厚度要尽量小于极板间距。 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构，如图所示。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。 三、寄生与分布电容电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(几pF到几十pF)，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。消除寄生与分布电容的影响，一是可从改善传感器结构和尺寸下手，即增加初始电容值，使寄生与分布电容对传感器的影响减小。二是使用各种屏蔽技术。 (一)、驱动电缆法它实际上是一种等电位屏蔽法。如图所示：在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆。1：1+测量电路外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器-内屏蔽层与信号传输导线通过增益为1的放大器相连而为等电势。电缆外屏蔽层接大地，用来防止外界电场的干扰。 这种接线法使内屏蔽与芯线等电位，消除了芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响；而内、外层屏蔽之间的电容变成了驱动放大器的负载。因此驱动放大器是一个输入阻抗很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。1：1+测量电路外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器-该方法的难处是，要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且输出与输入的相移为零。 例题4-3：P58解：由图可知，传感器Cx两端电压为而放大器-Aa的输出电压为当时，电缆芯线与内屏蔽线等电势，有即 (二)、整体屏蔽法C1C2CP1CP2R1R2-A以差动电容传感器配用电桥测量电路为例，如图所示。C1和C2构成差动电容传感器，与平衡电阻R1和R2组成测量电桥，Cp1和Cp2为寄生电容。U屏蔽层接地点选择在两平衡电阻阻抗臂R1和R2中间，使电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容Cp1和Cp2分别与R1和R2相并联。如果R1和R2比Cp1和Cp2的容抗小得多，则寄生电容Cp1和Cp2对电桥平衡状态的影响就很小。 四、环境温度设一变极距型电容式传感器，设固定极板厚度为h，线胀系数为ah；绝缘件厚度为b，线胀系数为ab；可动版至绝缘层底部的壳体长为L，线胀系数为aL。当环境温度为t时，极板间距为d=L-b-h。当环境温度变化Δt时，极板间距变为dt，有 将d=L-b-h带入，整理得消除由温度变化而引起的电容相对误差的条件为在设计电容式传感器时，应首先根据根据合理的初始电容决定极板间隙d，然后再根据材料的线胀系数ah、ab、aL，适当地选择b和h，就可消除由环境温度变化而引起的电容量相对误差。由于温度变化而引起的电容量相对误差为 第四节　电容式传感器的医学应用一、电容式压力传感器及血压测量腔室通过排气孔接通到大气。膜片上有两个电极，圆形的为工作电极，与公共电极组成敏感电容Cx；环形的为参比电极，与公共电极组成参比电容CR。等效为两个电容串联排列。 当被测血压P均匀作用在膜片上时，膜片挠曲变形。若膜片厚度h远大于挠曲变形的最大值，其敏感电容Cx与血压P有如下关系：采用如图的测量电路。初始时刻，血压为零，调节电势器W使桥路平衡，输出电压为零；测量时，在血压压力的作用下，膜片挠曲使敏感电容发生变化，导致桥路不平衡，则输出电压为 求得输出电压与被测血压P成正比，输出特性呈线性。 假设初始时刻电桥处于平衡状态，放大器A为理想运算放大器 CR和Cs以及放大器A构成运算放大器测量电路 二、直流极化型电容式传感器及呼吸测量当参比光束和测量光束射入到左右两边接收室后，被接收室的气体所吸收，使气体温度升高，室内压强增加。若参比光束和测量光束取自同一光源，则两边室内压强相等，可动电极将维持在平衡位置。若被测气体浓度增加，则测量光束的入射量减少，导致测量室内气体吸收能量少于参比室吸收能量，而使两室压强不相等，可动电极发生位移，从而改变电容量。 如果电阻R接近无穷大，那么被充电后很难放电（放电时间很长），电容上的电荷可视为常数假设两极板初始间距为x0，极板间距变化量为△x对交流输出 如果电阻R非常小，那么电容上的电压可视为常数 作业：P61习题1、2（0.025）、5