生物醫(yī)學(xué)傳感器原理與應(yīng)用：電容式傳感器

1、生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用第四章 電容式傳感器電容器特性 被測(cè)非電量電容值測(cè)量電路U、I、f 第四章 電容式傳感器 電容式傳感器的定義 以電容器為敏感元件，將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。電容式傳感器的感測(cè)量 位移、振動(dòng)、壓力、加速度、液位、成分含量等。電容式傳感器的種類 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式：變極距型、變面積型和變介質(zhì)型。 第四章 電容式傳感器 4.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)4.2 電容式傳感器測(cè)量電路4.3 電容式傳感器應(yīng)用 4.4 電容式傳感器存在的問(wèn)題及精度 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，0為真空介電常數(shù)，r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；A兩平行板所覆蓋的面積；d兩平行板之間的距離。 兩

2、個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，不考慮邊緣效應(yīng)時(shí)電容量為 一、基本工作原理電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)d極板1極板2被測(cè)參數(shù)變化A、d或發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。僅改變一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)的變化可轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器的三種類型：變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型。一、基本工作原理電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d，電容量增大了C，則有二、變極距型電容傳感器電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)d/d01時(shí)，1-(d/d0)21，則C與d近似呈線性關(guān)系。變極距型電容式傳感器只有在d/d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。1、基本輸出特性電容的相

3、對(duì)變化量為 二、變極距型電容傳感器電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)當(dāng)|d/d0|1時(shí)，級(jí)數(shù)展開(kāi)有 輸出電容的相對(duì)變化量與輸入位移之間成非線性關(guān)系。傳感器的相對(duì)非線性誤差： 2、非線性特性電容傳感器的靈敏度為二、變極距型電容傳感器電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)3、靈敏度單位輸入位移所引起的輸出電容相對(duì)變化的大小與d0呈反比關(guān)系。 當(dāng)|d/d0|1時(shí)有近似線性關(guān)系 2、非線性特性要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20100pF之間，極板間距離在25200m的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10。變極距電容式傳感器在微位移測(cè)量中應(yīng)用

4、最廣。 在差動(dòng)式平板電容器中，當(dāng)動(dòng)極板位移d時(shí)，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-d，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d，則 二、變極距型電容傳感器電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。4、差動(dòng)式結(jié)構(gòu)動(dòng)極板定極板定極板C1 d1C2 d2電容值相對(duì)變化量為 二、變極距型電容傳感器電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)略去高次項(xiàng)，則C/C0與d/d0近似線性關(guān)系為電容值總的變化量為 4、差動(dòng)式結(jié)構(gòu)動(dòng)極板定極板定極板C1 d1C2 d2差動(dòng)式傳感器的靈敏度為二、變極距型電容傳感器電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)差動(dòng)式傳感器的相對(duì)非線性誤差近似為 4、差動(dòng)式結(jié)構(gòu)動(dòng)極板定

5、極板定極板C1 d1C2 d2差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的電容傳感器非線性誤差大大降低，靈敏度增加了一倍。 兩種常用變面積型電容傳感器：線位移式和角位移。三、變面積型電容傳感器電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)傳感器的電容量與水平位移呈線性關(guān)系。 被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積改變，產(chǎn)生電容量的變化。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板平移x時(shí)，則電容相對(duì)變化量為 1、平行平板線位移式初始電容C0為三、變面積型電容傳感器電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)傳感器的電容量與內(nèi)筒線位移呈線性關(guān)系。 當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度變化時(shí)，電容量也隨之變化。當(dāng)內(nèi)筒上移為a 時(shí)，內(nèi)外筒間的電容相對(duì)變化量為 2、同軸圓筒線位移式DdLa初始電容C0為三、變面積型

6、電容傳感器電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)傳感器的電容量與角位移呈線性關(guān)系。 當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。電容相對(duì)變化量為 3、角位移式設(shè)固定極板長(zhǎng)度為a、寬度為b、兩極板間的距離為d；被測(cè)物的厚度和介電常數(shù)分別為dx和, 則四、變介質(zhì)型電容傳感器電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)傳感器的電容量與被測(cè)量物體的厚度和介電常數(shù)有關(guān)。當(dāng)介電常數(shù)一定時(shí)，通過(guò)傳感器電容量的變化測(cè)量物體的厚度。 1、單組平板厚度式電容傳感器 dxCC1C2C3設(shè)極板寬度為b，板間無(wú)介質(zhì)2時(shí)，傳感器的電容量四、變介質(zhì)型電容傳感器電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)傳感器的電容量與位移呈線

7、性關(guān)系。 插入介質(zhì)2 后的電容量2、單組平板位移式電容傳感器 設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為h, 變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，變換器電容值為 四、變介質(zhì)型電容傳感器電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度。3、測(cè)量液位圓筒式電容傳感器 C2C1C1. 試計(jì)算圖所示各電容傳感元件的總電容表達(dá)式。電容式傳感器例題電容式傳感器例題2. 在壓力比指示系統(tǒng)中采用差動(dòng)式變間隙電容傳感器和電橋測(cè)量電路。已知：0=0.25mm；D=38.2mm；R=5.1k；Usr=60V(交流)，頻率f=400Hz。試求： (1)該電容傳感器的電壓靈敏度Ku (V/m)； (2)

8、當(dāng)電容傳感器的動(dòng)極板位移=10m時(shí)，輸出電壓Usc值。電容式傳感器例題電容式傳感器例題 第四章 電容式傳感器 4.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)4.2 電容式傳感器測(cè)量電路4.3 電容式傳感器應(yīng)用 4.4 電容式傳感器存在的問(wèn)題及精度 考慮了電容器的損耗和電感效應(yīng)，電容式傳感器的等效電路。一、電容式傳感器等效電路電容式傳感器測(cè)量電路根據(jù)等效電路，電容式傳感器有一個(gè)諧振頻率，通常為幾十兆赫。當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率時(shí)，諧振頻率破壞傳感器正常作用。因此，工作頻率應(yīng)該選擇低于諧振頻率。 并聯(lián)損耗電阻Rp：表示極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。并聯(lián)損耗低頻時(shí)影響大，隨著工作頻率增高，容抗減小，影響就減弱

9、。串聯(lián)損耗電阻Rs：引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。寄生電容Cp ：尺寸與制造工藝決定。電感L：電容器的電感和外部引線電感。 與電感傳感器不同，電容傳感器中電容值和電容變化量都十分微小，難以直接為儀表所顯示和記錄。因此，需要一些測(cè)量電路檢測(cè)出電容的微小變化量，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓、電流或頻率輸出。一、調(diào)頻式測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路常用測(cè)量電路：調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器電路、二極管雙T形交流電橋、環(huán)形二極管充放電電路、脈沖寬度調(diào)制電路等。調(diào)頻測(cè)量電路中電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分, 當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。若用頻率直接作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，來(lái)判斷被

10、測(cè)非電量的大小，具有非線性、不易校正等問(wèn)題。因此，加入鑒頻器，頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅變化來(lái)輸出。調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為 一、調(diào)頻式測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路調(diào)頻測(cè)量電路具有較高的靈敏度， 可測(cè)量高至0.01m級(jí)位移變化量。信號(hào)輸出頻率易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)， 可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。 當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí)，C0，振蕩器頻率變化為 振蕩回路的總電容，C=C1+C2+Cx，C1為振蕩回路固有電容, C2為傳感器引線分布電容, Cx=C0C為傳感器的電容。 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0時(shí)，C=0，則振蕩器有一個(gè)固有頻率為差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路，通過(guò)對(duì)傳感器電容的充放電，使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容

11、量變化而變化。通過(guò)低通濾波器，被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)輸出。二、脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器Q端為高電平，則觸發(fā)器通過(guò)R1對(duì)Cx1充電。2、基本工作原理 1、電路基本結(jié)構(gòu) Cx1、Cx2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容；若用單組式，則其中一個(gè)為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。當(dāng)F點(diǎn)電位UF升到與參考電壓Ur相等時(shí)，比較器A1產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，使Q端為低電平。此時(shí)，電容Cx1通過(guò)二極管VD1迅速放電至零，而觸發(fā)器經(jīng)R2向C2充電。二、脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路2、基本工作原理 當(dāng)G點(diǎn)電位UG與參考

12、電壓Ur相等時(shí)，比較器A2輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。此時(shí)，電容Cx2通過(guò)二極管VD2迅速放電至零。如此交替激勵(lì)。因此，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容Cx1、Cx2的調(diào)制。（1）當(dāng)Cx1=Cx2時(shí)，觸發(fā)器兩端電平的脈沖寬度T1和T2相等，測(cè)量電路在一個(gè)周期T=T1+T2時(shí)間內(nèi)輸出平均電壓為零。二、脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路2、基本工作原理 （2）當(dāng)Cx1Cx2時(shí)，C1和C2充放電時(shí)間常數(shù)發(fā)生變化，觸發(fā)器兩端電平的脈沖寬度T1和T2不相等，測(cè)量電路在一個(gè)周期T=T1+T2時(shí)間內(nèi)輸出平均電壓為電容式傳感器測(cè)量電路二、脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路2、基本工作原理 （3）在一個(gè)周期內(nèi)輸出平均電壓與傳

13、感器電容的關(guān)系為對(duì)差動(dòng)變極距型平行板電容傳感器有同理，變面積型電容傳感器有因此，差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路適用于差動(dòng)電容式傳感器，并具有理論上的線性特性。電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；無(wú)元件線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出大的直流電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高。電容式傳感器測(cè)量電路運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)大，輸入阻抗高, 可作為電容式傳感器的理想測(cè)量電路。三、運(yùn)算放大器測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路運(yùn)算放大器電路輸出電壓為 測(cè)量電路輸出電壓的相位與電源電壓的反相。設(shè)Cx為電容式傳感器電容；Ui是交流電源電壓; Uo是輸出信號(hào)電壓; 是虛地點(diǎn)。運(yùn)算放大

14、器輸入電流可認(rèn)為零，根據(jù)克希荷夫定律有平行平板電容傳感器，則三、運(yùn)算放大器測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路實(shí)際上運(yùn)算放大器測(cè)量電路仍然存在一定的非線性。為保證儀器精度，除了要求運(yùn)算放大器阻抗和放大倍數(shù)足夠大外，還要求電源電壓的幅值和固定電容值非常穩(wěn)定。 運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離成線性關(guān)系。在運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無(wú)限大的條件下，運(yùn)算放大器電路解決了變極距型電容傳感器的非線性問(wèn)題。 二極管雙T形交流電橋電路中，e為高頻電源，提供了幅值為U的對(duì)稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管，R1、R2為阻值相等的兩個(gè)固定電阻，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。 四、二極管雙T形交流電

15、橋電容式傳感器測(cè)量電路（1）傳感器沒(méi)有輸入C1=C2當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，則電容C1被以極短的時(shí)間充電至U。在前負(fù)半周時(shí)，電容C2已經(jīng)充電至電壓U。1、電路基本結(jié)構(gòu) 2、基本工作原理 四、二極管雙T形交流電橋電容式傳感器測(cè)量電路（1）傳感器沒(méi)有輸入時(shí)C1=C2電源經(jīng)R1以I1向RL供電，而電容C2經(jīng)電阻R2和負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的電流為I2。流過(guò)RL的總電流IL為I1和I2的代數(shù)和。2、基本工作原理 同理，當(dāng)e為負(fù)半周時(shí)，流過(guò)負(fù)載電阻RL的電流為I1和I2的代數(shù)和。根據(jù)所給的條件，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)負(fù)載電阻上平均電流I1=I2、I1=I2且方向相反，流過(guò)RL的平均電

16、流為零。四、二極管雙T形交流電橋電容式傳感器測(cè)量電路（2）傳感器有輸入時(shí)C1C2若傳感器輸入不為0，則C1C2, I1I2, 在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)RL上的平均電流不為零。因此，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均值為 2、基本工作原理 輸出電壓既與電源幅值和頻率f 有關(guān)，又與電容C1和C2的差值有關(guān)。四、二極管雙T形交流電橋電容式傳感器測(cè)量電路（2）傳感器有輸入時(shí)C1C2當(dāng)RL一定時(shí)，引入常數(shù)M，在一個(gè)周期內(nèi)輸出電壓平均值可簡(jiǎn)寫(xiě)為 2、基本工作原理 當(dāng)電源確定后，輸出電壓是電容C1和C2的函數(shù)。（3）雙T電路的特點(diǎn)線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；電源周期、幅值影響靈敏度，

17、要求高度穩(wěn)定；輸出阻抗與電容無(wú)關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式傳感器。在環(huán)形二極管充放電法測(cè)量電容電路中，高頻方波信號(hào)源，通過(guò)環(huán)形二極管電橋，對(duì)被測(cè)電容進(jìn)行充放電，環(huán)形二極管電橋輸出一個(gè)與被測(cè)電容成正比的微安級(jí)電流。五、環(huán)形二極管充放電測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路1、電路基本結(jié)構(gòu) 輸入方波加在電橋的A點(diǎn)和地之間，Cx為被測(cè)電容，Cd為平衡電容傳感器初始電容的調(diào)零電容，C為濾波電容，A為直流電流表。二極管雙T形交流電橋的改進(jìn)（1）當(dāng)輸入的方波由E1躍變到E2時(shí)，電容Cx和Cd兩端的電壓皆由E1充電到E2。電容Cx的充電電流為i1，Cd的充電電流為i3。在充電

18、過(guò)程中T1這段時(shí)間內(nèi)，VD2、VD4一直處于截止?fàn)顟B(tài)，由A點(diǎn)向C點(diǎn)流動(dòng)的電荷量為五、環(huán)形二極管充放電測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路在放電過(guò)程中T2這段時(shí)間內(nèi)，VD1、VD3截止，由C點(diǎn)向A點(diǎn)流過(guò)的電荷量為2、基本工作原理 （2）當(dāng)輸入的方波由E2返回到E1時(shí)，Cx、Cd放電，兩端的電壓由E2下降到E1，放電電流分別為i2和i4。（3）設(shè)方波的頻率f=1/T0即每秒鐘要發(fā)生的充放電過(guò)程的次數(shù)，由C點(diǎn)流向A點(diǎn)的平均電流為I2, 從A點(diǎn)流向C點(diǎn)的平均電流為I3, 流過(guò)從C至A支路的瞬時(shí)電流平均值為五、環(huán)形二極管充放電測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路環(huán)形二極管充放電測(cè)量電路的輸出電流I正比于傳感器電容值的增

19、量Cx。 2、基本工作原理 （4）令Cx的初始值為C0，Cx為Cx的增量，Cx=C0+Cx。初始調(diào)節(jié)Cd=C0，則有第四章 電容式傳感器 （例題） 第四章 電容式傳感器 4.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)4.2 電容式傳感器測(cè)量電路4.3 電容式傳感器應(yīng)用 4.4 電容式傳感器存在的問(wèn)題及精度 電子技術(shù)的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術(shù)問(wèn)題，使電容式傳感器應(yīng)用廣泛。精確測(cè)量：位移、厚度、角度、振動(dòng)等物理量；力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)。在自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。 一、電容式壓力傳感器電容式傳感器應(yīng)用 凹玻璃圓片彈性膜片(動(dòng)電極)固定電極P差動(dòng)型電容式壓力/壓差傳感器：當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。 二、電容式稱重傳感器電容式傳感器應(yīng)用 電容式稱重傳感器結(jié)構(gòu)形式很多?；驹恚豪脧椥悦舾性軌汉笞冃?，引起電容隨外加重量的變化而變化。絕緣材料定極板動(dòng)極板極板支架彈性體稱重時(shí)，彈性元件受力變形，動(dòng)極板發(fā)生位移，導(dǎo)致傳感器電容量變化。F在彈性鋼體上高度相同處打一排孔，在