(生医)第四章-电容式传感器

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1、医用传感器原理南昌大学信工学院电子系生物医学工程教研室徐晓玲第四章电容式传感器第四章电容式传感器作用：非电量的变化电容式传感器电容的（位移、振动、加速变化度、力、厚度、湿度、成分分析等……)•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。•缺点：寄生电容、泄漏电阻、非线性。第一节基本工作原理、结构及特点基本原理：•平板形电容器当忽略边缘效应时：SS0rC(8.8541012Fm/)dd0•传感器类型：变面积型、变间距型、变介电常数型一、变间距型电容传感器1、电容的变化：S0rC0d

2、SC00rCCC0dd1/ddCd1Cd(1dd/)0输出特性是非线性的2、灵敏度通常dd/1，则Cd/(1dd/)Cd0ddd23d[1()()]dddd若只考虑一次项，则：CC//dd（近似为线性）0此条件下传感器的灵敏度为：2kC/dC/dSd/00r适用于微米级3、线性度（相对非线性误差）：的位移测量若只考虑一次项，则：(CC/)dd/01若考虑线性项和二次项，则：d(CC/)(1dd/)02d由此得到其相对非线性误差为：2

3、dd//dd/100%dd/100%讨论：非线性误差与灵敏度的关系dd/100%2kC//dSd0r（1）变间距型电容式传感器的非线性与极板间距d成反比，只有在△d/d很小时，才有近似的线性输出，故适用于小范围（微米级）的位移测量；（2）采用减小初始极板间距d可大幅度提高灵敏度，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，对加工精度的要求也更高。（3）实际应用中，为了克服非线性与提高灵敏度之间的矛盾，传感器大都采用差动式结构。变极距型电容式传感器4、差动式结构：•灵敏度提高一倍•非线性大为减小•

4、减小静电引力和环境温度带来的测量影响C0dd23dCC[1()()]101/dddddC0dd23dCC[1()()]201/ddddddd24ddCC/(CC)/C2[1()()...]20120ddddC22CS00rk2ddd322(dd/)/2dd/100%(dd/)100%用于测量直线位二、变面积型电容传感器：移（cm级）和角位移（几十度）。SLb00rrC1、初始电容：0dd2、电容的变化：()LLb

5、LL0rCCCC(1)CC000dLLCLCL03、灵敏度：Cb0rk输出特性是线性的，灵敏度为Ld一常数。b↑或d↓，则K↑4、差动式变面积型传感器：差动式结构：有3个极板，上面的可动极板为公共极板，它与下面两个固定极板分别形成电容C1和C2，当可动极板向右（左）移动时，C1和C2一增一减，差动输出。变面积型电容传感器：三、变介电常数型电容传感器通过改变极板间介质的相对介电常数εr来实现测量。大多测量电介质的厚度、位移、液位、液量，与可测量温度、湿度、容量等。1、电容式湿度计：•电容极间介质：高分子聚合膜材

6、料•湿度的概念：指大气中所含的水蒸气量。绝对湿度：指某一特定空间水蒸气的绝对含量，可用kg/m3或水的蒸气压表示；相对湿度：指某一待测蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压之比的百分数。变介电常数型电容传感器blb(al)对图(b)：Cxxd000平行板面积为：SLb2、平板型线位移传感器：无介质ε1时的SLb00C电容为：0ddd01插入介质ε1时的电容器等效为右图，电容和灵敏度分别为：（Lxb)xb()dC01010CCC=Cx120d0d1d0d1()10d01dLC()

7、dC011010kx()ddL（C与x与线性关系）10013、圆筒式液位传感器：无液体时：C2H/ln(/)Rr00有液体时：C2(Hh)/ln(/)Rr10C2h/ln(/)Rr212H2()010CCChKBh12ln(/)Rrln(/)Rr电容器的电容C与液面高度h成线性关系，可由此测量或监控液面的高度。[P47例4-1]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

8、。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时的灵敏度。R1储存罐传感器1220H23.148.85101.