生物醫(yī)學(xué)傳感電容式解析課件

1、生物醫(yī)學(xué)傳感電容式解析生物醫(yī)學(xué)傳感電容式解析上次課內(nèi)容回顧壓阻式傳感器的工作原理壓阻效應(yīng)、晶面晶向的表示(密勒指數(shù)、方向余弦)壓阻系數(shù)、阻值變化的計(jì)算縱、橫向壓阻系數(shù)的計(jì)算任意方向電阻條電阻變化的計(jì)算測(cè)量電路及其溫度補(bǔ)償上次課內(nèi)容回顧壓阻式傳感器的工作原理 19201925 電容傳感器用于測(cè)量 7080年代，應(yīng)用廣泛 集成電容傳感器電容式傳感器 19201925 電容傳感器用于測(cè)量 7080年學(xué)習(xí)要點(diǎn): 1.電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu) 2.電容式傳感器的測(cè)量電路 3.電容式傳感器的應(yīng)用電容傳感器被測(cè)物理量電容變化轉(zhuǎn)換電路電量變化學(xué)習(xí)要點(diǎn):電容傳感器被測(cè)物理量電容變化轉(zhuǎn)換電路電量變化一、 工作

2、原理和結(jié)構(gòu)1、工作原理A - 兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；- 兩極板間的距離；A - 兩極板的正對(duì)面積。一、 工作原理和結(jié)構(gòu)1、工作原理A - 兩極板間介質(zhì)的電容式傳感器可分為三種：變極距型變面積型變介質(zhì)型 電容式傳感器可分為三種：2、 電容式傳感器的類(lèi)型和特性 2.1 變極距型電容傳感器 電容的相對(duì)變化量為：2、 電容式傳感器的類(lèi)型和特性 2.1 變極距型電容傳感器 略去高次項(xiàng)，得： 所以變極距型電容傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮滿(mǎn)足0的條件。且一般只能在極小的范圍內(nèi)變化。 略去高次項(xiàng)，得： 所以變極距型電容傳感器在設(shè)計(jì)非線(xiàn)性誤差與/0有關(guān)。其表達(dá)式為： 傳感器的靈敏度為：9/9/20229非線(xiàn)性誤差與/

3、0有關(guān)。其表達(dá)式為： 傳感器的靈敏度為：結(jié)論：靈敏度與非線(xiàn)性誤差對(duì)0的要求是矛盾的。即K大，非線(xiàn)性誤差大；K小，非線(xiàn)性誤差小。結(jié)論：靈敏度與非線(xiàn)性誤差對(duì)0的要求是矛盾的。即K大，非線(xiàn)性差動(dòng)式變間隙型電容傳感器動(dòng)極板定極板定極板C1 1C2 2初始位置時(shí)9/9/202211差動(dòng)式變間隙型電容傳感器動(dòng)極板定極板定極板C1 1C2 動(dòng)極板上移時(shí)：動(dòng)極板上移時(shí)：電容量的相對(duì)變化為 ：電容量的相對(duì)變化為 ：減小略去高次項(xiàng)：非線(xiàn)性誤差為： 靈敏度：提高一倍減小略去高次項(xiàng)：非線(xiàn)性誤差為： 靈敏度：提高一倍2.2 變面積型電容傳感器平面直線(xiàn)位移型角位移型2.2 變面積型電容傳感器平面直線(xiàn)位移型角位移型1) 平

4、面直線(xiàn)位移變面積型極板長(zhǎng)b,寬a，間距，a 為水平移動(dòng)距離(沿a方向)。則有： 初始正對(duì)面積： 初始電容：1) 平面直線(xiàn)位移變面積型極板長(zhǎng)b,寬a，間距，a 為水動(dòng)極板水平移動(dòng)a 后,電容相對(duì)變化量為：靈敏度為： 常數(shù)平面位移型電容傳感器的電容變化量與輸入位移變化量成正比動(dòng)極板水平移動(dòng)a 后,電容相對(duì)變化量為：靈敏度為： 2)角位移變面積型 半圓形平行板電容器 當(dāng)動(dòng)極板有一角位移時(shí)電容： 初始正對(duì)面積： 初始電容：2)角位移變面積型 半圓形平行板電容器 電容相對(duì)變化量： 靈敏度為： 常量角位移型電容傳感器的電容變化量與輸入角位移變化量成線(xiàn)性關(guān)系 電容相對(duì)變化量： 靈敏度為： 常量角位移型電容傳

5、感器3)圓筒線(xiàn)位移變面積型9/9/2022203)圓筒線(xiàn)位移變面積型9/5/202222當(dāng)內(nèi)筒上移x時(shí)，內(nèi)外筒間的電容相對(duì)變化為：D1D0Lx與x成線(xiàn)性關(guān)系 靈敏度為：當(dāng)內(nèi)筒上移x時(shí)，內(nèi)外筒間的電容相對(duì)變化為：D1D0Lx與x成 【習(xí)題1】有一個(gè)以空氣為介質(zhì)的變面積型平板電容傳感器，如圖所示，其中 a=8mm，b=12mm，兩極板間距離為1mm。一塊板在原始位置上平移了5mm后（沿a方向），求該傳感器的位移靈敏度K（已知空氣相對(duì)介電常數(shù)=1F/m，真空時(shí)的介電常數(shù)0=8.85410-12F/m）。 【習(xí)題1】有一個(gè)以空氣為介質(zhì)的變面積型平板電容傳感器，如圖2.3 變介質(zhì)型電容式傳感器 在106

6、Hz頻率下，一些典型介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)如表所示：介質(zhì)名稱(chēng)真空聚乙烯硅油金剛石氧化鋁云母TiO2相對(duì)介電常數(shù)12.262.75.54.58.468.510110通過(guò)介質(zhì)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)電容式濕度計(jì) 2.3 變介質(zhì)型電容式傳感器 在106Hz頻率下，厚度傳感器x(a) 單組式平板形厚度傳感器 厚度傳感器的等效電路CC1C2C3設(shè)固定極板長(zhǎng)度為a、寬度為b、兩極板間的距離為；被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù)分別為x和 厚度傳感器x(a) 單組式平板形厚度傳感器 厚度傳感器的等x9/9/202225x9/5/202227生物醫(yī)學(xué)傳感電容式解析1CBld2d12xCA線(xiàn)位移傳感器線(xiàn)位移傳感器等效電路

7、CACBC(b)單組式平板形線(xiàn)位移傳感器 設(shè)極板寬度為b，板間無(wú)介質(zhì)2 時(shí)，傳感器的電容量為：1CBld2d12xCA線(xiàn)位移傳感器線(xiàn)位移傳感器等效電路插入介質(zhì)2 后的電容量為：1CBld2d12xCA插入介質(zhì)2 后的電容量為：1CBld2d12xCA電容變化量: 電容相對(duì)變化量：與x成線(xiàn)性關(guān)系9/9/202229電容變化量: 電容相對(duì)變化量：與x成線(xiàn)性關(guān)系9/5/2液位傳感器 液位傳感器的等效電路C2C1C(c)圓筒式液位傳感器 首先 2r22r1hhx9/9/202230液位傳感器 液位傳感器的等效電路C2C1C(c)圓筒式液與被測(cè)液位hx成線(xiàn)性關(guān)系2r22r1hhx 電容相對(duì)變化量：9/9

8、/202231與被測(cè)液位hx成線(xiàn)性關(guān)系2r22r1hhx 電容相對(duì)變例1 某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的r 2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)傳感器用在該儲(chǔ)存灌內(nèi)時(shí)的靈敏度（已知空氣相對(duì)介電常數(shù)=1F/m，真空時(shí)的介電常數(shù)0=8.85410-12F/m） 。 2r22r1hhx例1 某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)二、電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)(1) 溫度穩(wěn)定性好1.電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)(2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)2.1 電容傳感器的特點(diǎn)（3）靜電引力小 (4) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好(5

9、)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量二、電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)(1) 溫度穩(wěn)定性好1.電容(1)輸出阻抗高，負(fù)載能力差2.電容式傳感器的缺點(diǎn) (2)寄生電容影響大 (3)輸出特性非線(xiàn)性(1)輸出阻抗高，負(fù)載能力差2.電容式傳感器的缺點(diǎn) (2)寄2.2 電容傳感器設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.消除和減小邊緣效應(yīng) 邊緣效應(yīng)造成邊緣電場(chǎng)產(chǎn)生畸變，使工作不穩(wěn)，非線(xiàn)性誤差也增加。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖所示。（a）消除邊沿效應(yīng)原理圖 （b）帶保護(hù)環(huán)的電容傳感器結(jié)構(gòu)2.2 電容傳感器設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.消除和減小邊緣效應(yīng)（a）消除邊 2.提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的絕緣性能 寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳

10、感器靈敏度，而它的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必須消除和減小它?？刹捎梅椒ǎ?3消除和減小寄生電容的影響（1）增加傳感器原始電容值（2）注意傳感器的接地和屏蔽；（3）集成化（4）采用“驅(qū)動(dòng)電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)（5）采用運(yùn)算放大器法；（6）整體屏蔽法4防止和減小外界干擾 2.提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的絕緣性能 寄生電容與傳感器電絕緣體屏蔽殼固定極筒可動(dòng)極筒連桿導(dǎo)桿接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖絕緣體屏蔽殼固定極筒可動(dòng)極筒連桿導(dǎo)桿接地屏蔽圓筒形電容式傳感1：1測(cè)量電路前置級(jí)外屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線(xiàn)傳感器“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)原理圖1：1測(cè)量外屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線(xiàn)傳感器“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)原理交流電容電橋的屏

11、蔽系統(tǒng)C1C2CP1CP2Z3Z4-A交流電容電橋的屏蔽系統(tǒng)C1C2CP1CP2Z3Z4-AC 傳感器電容L 電感RP 并聯(lián)損耗電阻RS 串聯(lián)損耗電阻CP 寄生電容高溫、高濕、高激勵(lì)2.3 電容式傳感器的等效電路C 傳感器電容L 電感RP 并聯(lián)損耗電阻R則等效電容為實(shí)際電容相對(duì)變化為實(shí)際的靈敏度為 可見(jiàn)電容傳感器的等效靈敏度Ke與傳感器的固有電感L有關(guān)，且隨變化而變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用前必須要進(jìn)行標(biāo)定，否則將會(huì)引入測(cè)量誤差。則等效電容為實(shí)際電容相對(duì)變化為實(shí)際的靈敏度為 可見(jiàn)電容傳感三、 電容式傳感器的測(cè)量電路電橋電路、調(diào)頻(諧振)電路和脈沖寬度調(diào)制電路1、交流電橋電路三、 電容式傳感器的測(cè)量電

12、路電橋電路、調(diào)頻(諧振)電路和脈沖實(shí)現(xiàn)了從電容的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，交流電壓輸出： 電橋靈敏度：差動(dòng)電容傳感器，經(jīng)過(guò)交流電橋后將變成線(xiàn)性輸出關(guān)系，這是電橋的一個(gè)重要特性。實(shí)現(xiàn)了從電容的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，交流電壓輸出： 在工程實(shí)際應(yīng)用中，交流電橋大多數(shù)采用變壓器的形式，其基本原理一樣，這種電橋叫變壓器電橋 ，廣泛應(yīng)用于差動(dòng)電感、差動(dòng)電容的轉(zhuǎn)換電路之中，其特性更優(yōu)于阻抗電橋。 在工程實(shí)際應(yīng)用中，交流電橋大多數(shù)采用變壓器的形式，其 交流電橋電路后面的測(cè)量電路形式為：確定大小和方向 交流電橋電路后面的測(cè)量電路形式為：確定大小和方向2、調(diào)頻電路調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為： 當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí)，C0，此時(shí)頻率為2、調(diào)頻電路調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為： 當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí)，3、脈沖寬度調(diào)制電路 將電容的變化轉(zhuǎn)化為脈沖電壓的變化。3、脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制波形圖脈沖寬度調(diào)制波形圖將電容的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。4、運(yùn)算放大器式測(cè)量電路 式中：“”號(hào)表示輸出電壓的相位與電源電壓反相。將電容的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。4、運(yùn)算放大器式測(cè)量電路 1、電容測(cè)厚儀四、 電容式傳感器的應(yīng)用1、電容測(cè)厚儀四、 電容式傳感器的應(yīng)用2、液位檢測(cè)2、液位檢測(cè)3、電容式傳聲筒3、電容式傳聲筒4、電容式加速度