生物醫(yī)學傳感器原理與應用：電容式傳感器

1、生物醫(yī)學傳感器原理及應用第四章 電容式傳感器電容器特性 被測非電量電容值測量電路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量 位移、振動、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 電容式傳感器測量電路4.3 電容式傳感器應用 4.4 電容式傳感器存在的問題及精度 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、個平行金屬板組成的平板電容器，不考慮邊緣效應時電容量為 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被測參數(shù)變化A、d或發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。僅改變一個參數(shù)，該參數(shù)的變化可轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(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，1-(d/d0)21，則C與d近似呈線性關系。變極距型電容式傳感器只有在d/d0很小時，才有近似的線性關系。1、基本輸出特性電容的相

3、對變化量為 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|d/d0|1時，級數(shù)展開有 輸出電容的相對變化量與輸入位移之間成非線性關系。傳感器的相對非線性誤差： 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變化的大小與d0呈反比關系。 當|d/d0|1時有近似線性關系 2、非線性特性要提高靈敏度，應減小起始間隙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)。最大位移應小于間距的1/10。變極距電容式傳感器在微位移測量中應用

4、最廣。 在差動式平板電容器中，當動極板位移d時，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)在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動式結(jié)構(gòu)。4、差動式結(jié)構(gòu)動極板定極板定極板C1 d1C2 d2電容值相對變化量為 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，則C/C0與d/d0近似線性關系為電容值總的變化量為 4、差動式結(jié)構(gòu)動極板定極板定極板C1 d1C2 d2差動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)差動式傳感器的相對非線性誤差近似為 4、差動式結(jié)構(gòu)動極板定

5、極板定極板C1 d1C2 d2差動式結(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系。 被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積改變，產(chǎn)生電容量的變化。當動極板相對于定極板平移x時，則電容相對變化量為 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)筒線位移呈線性關系。 當覆蓋長度變化時，電容量也隨之變化。當內(nèi)筒上移為a 時，內(nèi)外筒間的電容相對變化量為 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系。 當動極板有一個角位移時，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。電容相對變化量為 3、角位移式設固定極板長度為a、寬度為b、兩極板間的距離為d；被測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量物體的厚度和介電常數(shù)有關。當介電常數(shù)一定時，通過傳感器電容量的變化測量物體的厚度。 1、單組平板厚度式電容傳感器 dxCC1C2C3設極板寬度為b，板間無介質(zhì)2時，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 設被測介質(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液位高度。3、測量液位圓筒式電容傳感器 C2C1C1. 試計算圖所示各電容傳感元件的總電容表達式。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)中采用差動式變間隙電容傳感器和電橋測量電路。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、當電容傳感器的動極板位移=10m時，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 電容式傳感器測量電路4.3 電容式傳感器應用 4.4 電容式傳感器存在的問題及精度 考慮了電容器的損耗和電感效應，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量電路根據(jù)等效電路，電容式傳感器有一個諧振頻率，通常為幾十兆赫。當工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞傳感器正常作用。因此，工作頻率應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，需要一些測量電路檢測出電容的微小變化量，并轉(zhuǎn)換成相應的電壓、電流或頻率輸出。一、調(diào)頻式測量電路電容式傳感器測量電路常用測量電路：調(diào)頻電路、運算放大器電路、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)頻測量電路中電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分, 當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。若用頻率直接作為測量系統(tǒng)的輸出量，來判斷被

10、測非電量的大小，具有非線性、不易校正等問題。因此，加入鑒頻器，頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅變化來輸出。調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為 一、調(diào)頻式測量電路電容式傳感器測量電路調(diào)頻測量電路具有較高的靈敏度， 可測量高至0.01m級位移變化量。信號輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強， 可實現(xiàn)遙測遙控。 當被測信號不為0時，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。 當被測信號為0時，C=0，則振蕩器有一個固有頻率為差動脈沖調(diào)寬電路，通過對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。通過低通濾波器，被測量的變化轉(zhuǎn)換為直流信號輸出。二、脈沖寬度調(diào)制測量電路電容式傳感器測量電路當接通電源后，若觸發(fā)器Q端為高電平，則觸發(fā)器通過R1對Cx1充電。2、基本工作原理 1、電路基本結(jié)構(gòu) Cx1、Cx2為差動式傳感器的兩個電容；若用單組式，則其中一個為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。當F點電位UF升到與參考電壓Ur相等時，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，電容Cx1通過二極管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)制測量電路電容式傳感器測量電路2、基本工作原理 當G點電位UG與參考

12、電壓Ur相等時，比較器A2輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。此時，電容Cx2通過二極管VD2迅速放電至零。如此交替激勵。因此，電路充放電的時間，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Cx1=Cx2時，觸發(fā)器兩端電平的脈沖寬度T1和T2相等，測量電路在一個周期T=T1+T2時間內(nèi)輸出平均電壓為零。二、脈沖寬度調(diào)制測量電路2、基本工作原理 （2）當Cx1Cx2時，C1和C2充放電時間常數(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，測量電路在一個周期T=T1+T2時間內(nèi)輸出平均電壓為電容式傳感器測量電路二、脈沖寬度調(diào)制測量電路2、基本工作原理 （3）在一個周期內(nèi)輸出平均電壓與傳

13、感器電容的關系為對差動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，差動脈沖寬度調(diào)制電路適用于差動電容式傳感器，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；無元件線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。電容式傳感器測量電路運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量電路。三、運算放大器測量電路電容式傳感器測量電路運算放大器電路輸出電壓為 測量電路輸出電壓的相位與電源電壓的反相。設Cx為電容式傳感器電容；Ui是交流電源電壓; Uo是輸出信號電壓; 是虛地點。運算放大

14、器輸入電流可認為零，根據(jù)克希荷夫定律有平行平板電容傳感器，則三、運算放大器測量電路電容式傳感器測量電路實際上運算放大器測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。 運算放大器的輸出電壓與極板間距離成線性關系。在運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下，運算放大器電路解決了變極距型電容傳感器的非線性問題。 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為阻值相等的兩個固定電阻，C1、C2為傳感器的兩個差動電容。 四、二極管雙T形交流電

15、橋電容式傳感器測量電路（1）傳感器沒有輸入C1=C2當e為正半周時，二極管VD1導通、VD2截止，則電容C1被以極短的時間充電至U。在前負半周時，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量電路（1）傳感器沒有輸入時C1=C2電源經(jīng)R1以I1向RL供電，而電容C2經(jīng)電阻R2和負載電阻RL放電，流過RL的電流為I2。流過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e為負半周時，流過負載電阻RL的電流為I1和I2的代數(shù)和。根據(jù)所給的條件，在一個周期內(nèi)流過負載電阻上平均電流I1=I2、I1=I2且方向相反，流過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量電路（2）傳感器有輸入時C1C2若傳感器輸入不為0，則C1C2, I1I2, 在一個周期內(nèi)通過RL上的平均電流不為零。因此，輸出電壓在一個周期內(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，又與電容C1和C2的差值有關。四、二極管雙T形交流電橋電容式傳感器測量電路（2）傳感器有輸入時C1C2當RL一定時，引入常數(shù)M，在一個周期內(nèi)輸出電壓平均值可簡寫為 2、基本工作原理 當電源確定后，輸出電壓是電容C1和C2的函數(shù)。（3）雙T電路的特點線路簡單，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；輸出阻抗與電容無關，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點；適用于具有線性特性的單組式和差動式傳感器。在環(huán)形二極管充放電法測量電容電路中，高頻方波信號源，通過環(huán)形二極管電橋，對被測電容進行充放電，環(huán)形二極管電橋輸出一個與被測電容成正比的微安級電流。五、環(huán)形二極管充放電測量電路電容式傳感器測量電路1、電路基本結(jié)構(gòu) 輸入方波加在電橋的A點和地之間，Cx為被測電容，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（1）當輸入的方波由E1躍變到E2時，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、過程中T1這段時間內(nèi)，VD2、VD4一直處于截止狀態(tài)，由A點向C點流動的電荷量為五、環(huán)形二極管充放電測量電路電容式傳感器測量電路在放電過程中T2這段時間內(nèi)，VD1、VD3截止，由C點向A點流過的電荷量為2、基本工作原理 （2）當輸入的方波由E2返回到E1時，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）設方波的頻率f=1/T0即每秒鐘要發(fā)生的充放電過程的次數(shù)，由C點流向A點的平均電流為I2, 從A點流向C點的平均電流為I3, 流過從C至A支路的瞬時電流平均值為五、環(huán)形二極管充放電測量電路電容式傳感器測量電路環(huán)形二極管充放電測量電路的輸出電流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 電容式傳感器測量電路4.3 電容式傳感器應用 4.4 電容式傳感器存在的問題及精度 電子技術的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術問題，使電容式傳感器應用廣泛。精確測量：位移、厚度、角度、振動等物理量；力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)。在自動檢測與控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。 一、電容式壓力傳感器電容式傳感器應用 凹玻璃圓片彈性膜片(動電極)固定電極P差動型電容式壓力/壓差傳感器：當被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時，兩個電容器的電容量，一個增大，一個減小。電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應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軌汉笞冃危痣娙蓦S外加重量的變化而變化。絕緣材料定極板動極板極板支架彈性體稱重時，彈性元件受力變形，動極板發(fā)生位移，導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