第4章电容式传感器医学传感器ppt课件.ppt

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1、第四章电容式传感器引言电容式传感器（capacitancesensors）是一种将被测非电量的变化转换为电容变化的器件或装置优点：结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大、易实现非接触测量等等。缺点：存在寄生电容和泄漏电阻、线性度差等。应用：可以应用于位移、振动、角度、加速度等参数的测量中。第一节基本工作原理、结构及特点由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：式中：ε——电容极板间介质的介电常数；ε0——真空介电常数；εr——极板间介质相对介电常数；S——两平行板所覆盖的面积；d——两平行板之间的距离。保持其中两个参数不

2、变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。在实际使用时，电容式传感器常以改变平行板间距d来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。改变平行板间距d的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变面积S的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd，电容量增大ΔC，则有传感器的灵敏度可表示为：0100000)1(CddddCdddCCC-D+D-=D+D-=-=D0100)1(1CddddCk-D+-=DD=在式(4-

3、3)中，当时，，则上式可简化为：此时C与Δd呈近似线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性输出。即0100000)1(CddddCdddCCC-D+D-=D+D-=-=D10<

4、出，因此，这种传感器适合用于小范围（微米级）位移测量；采用减小初始极板距离d可以大幅提高灵敏度，但d的减小，一是将增大非线性，二是会受到电容击穿电压的影响。为防止击穿或短路，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气的仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。同时传感器的输出特性的线性度得到改善。一般变极距型电容式传感器的起始电容在20～30pF之间，极板间距离在25～200μm的范围内，最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。二、变面积型电容式传感器上图是

5、变面积型电容传感器原理结构示意图。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而改变电容量。LL当动极板相对于定极板延长度a方向平移ΔL时，可得：式中为初始电容。电容相对变化量为很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx是线性关系，因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。它的灵敏度为：下图是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。电容式角位移传感器原理图当θ=0时，则式中：εr——介质相对介电常数；d——两极板间距离；S——两极板间初始覆盖面积。当θ≠0时，则从上式

6、可以看出，传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。变面积电容传感器特性：忽略边缘效益，电容式传感器输出特性是线性的；增大介电常数、极板变长或减小极板间距都可以提高灵敏度；虽然极板移动距离不宜太大，但其量程不受线性范围的限制，故测量范围较大，适合于直线位移厘米级和角位移几十度。三、变介质型电容式传感器变介质型电容传感器是通过改变极板间介质的相对介电常数εr来实现的。变介质型电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张，绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。下图是一种常用的结构型式。图中两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为εr2的电介质

7、以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。变介质型电容式传感器传感器总电容量C为：式中：L0，b0——极板长度和宽度；L——第二种介质进入极板间的长度。若电介质，当L=0时，传感器初始电容：当介质进入极间L后，引起电容的相对变化为：可见电容的变化与电介质的移动量L呈线性关系。下图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。电容式液位传感器结构原理图设被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h，变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，则此时变换器电容值为：式中