電子血壓計的設計和制作

任務三電子血壓計的設計與制作三、知識鏈接1.電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器。由于這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)響應好、靈敏度高、分辨率高、能實現(xiàn)非接觸測量等特點，因而被廣泛應用于位移、加速度、振動、壓力、壓差、液位、成分含量等檢測領(lǐng)域。上一頁下一頁返回1.任務三電子血壓計的設計和制作其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。假設忽略邊緣效應，平板電容器的電容為式中ε—極間介質(zhì)的介電常數(shù);A—兩電極互相覆蓋的有效面積;d—兩電極之間的距離。d,A,ε三個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量的變化，并可用于測量。因此電容式傳感器可分為面積變化型、極距變化型、介質(zhì)變化型3類。2.任務三電子血壓計的設計與制作1)極距變化型電容傳感器圖1-29所示為平行極板電容器，設兩個相同極板的長為b，寬為a，極板間距離為d0，在忽略極板邊緣影響的條件下，平行極板電容器的電容量為上一頁下一頁返回3.任務三電子血壓計的設計與制作當Δd/d0<<1時，變極距式電容傳感器有近似線性關(guān)系，此時靈敏度為通常為了獲得高靈敏度，一般d0較小，但d0過小易引起電容器擊穿或短路，所以可放置高介電常數(shù)材料(如云母片)以防止擊穿電路，如圖1-30所示。上一頁下一頁返回4.任務三電子血壓計的設計與制作2)變面積式電容傳感器圖1-31所示為面積變化直線位移型電容式傳感器的示意圖。當動極板移動故后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為電容因位移而產(chǎn)生的變化量為其靈敏度為上一頁下一頁返回5.任務三電子血壓計的設計與制作另外，經(jīng)常用到圖1-32所示的角位移型電容式傳感器。當動片有一角位移θ時，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導致電容量的變化，此時電容值為由上面的分析可得出結(jié)論，變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即輸出與輸入呈線性關(guān)系。上一頁下一頁返回6.任務三電子血壓計的設計與制作3)變介電常數(shù)式電容傳感器圖1-33所示是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測量液位上下的結(jié)構(gòu)原理。設被測介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1，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，那么此時變換器電容值為式中ε—空氣介電常數(shù);C0—由變換器的根本尺寸決定的初始電容值。上一頁下一頁返回7.任務三電子血壓計的設計與制作可見，此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，還可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導電固體介質(zhì)的濕度等。圖1-34所示是一種常用的結(jié)構(gòu)形式。圖中兩平行電極固定不動，極距為δ0，相對介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。傳感器總電容量C為式中L0,b0—極板長度和寬度;L—第二種介質(zhì)進入極板間的長度。上一頁下一頁返回8.任務三電子血壓計的設計與制作2.電容式傳感器的測量電路由于電容式傳感器的電容值變化量十分微小，必須經(jīng)過相應的測量電路轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓、電流或頻率，這樣才可以方便實現(xiàn)傳輸、顯示及記錄。因此電容式傳感器常見的測量電路如下:1)運算放大器式電路這種電路的最大特點，是能夠克服變極距電容式傳感器的非線性而使其輸出電壓與輸入位移(間距變化)有線性關(guān)系。上一頁下一頁返回9.任務三電子血壓計的設計與制作運算放大器的輸入阻抗很高，因此可認為它是一個理想運算放大器電路，如圖1-35所示，其輸出電壓為將C1=εA/d代入式(1-43)，那么有式中U0—運算放大器輸出!Ui—信號源電壓;C1—傳感器容量;C0—固定電容器容量。上一頁下一頁返回10.任務三電子血壓計的設計與制作2)交流電橋?qū)㈦娙輦鞲衅鞯膬蓚€電容作為交流電橋的兩個橋臂，通過電橋把電容的變化轉(zhuǎn)換成電橋輸出電壓的變化。電橋通常采用由電阻-電容、電感-電容組成的交流電橋，圖1-36所示為電感-電容電橋。變壓器的兩個二次繞組L1,L2與差動電容傳感器的兩個電容c1,c2作為電橋的4個橋臂，由高頻穩(wěn)幅的交流電源為電橋供電。電橋的輸出為一調(diào)幅值，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，獲得與被測量變化相對應的輸出，最后為儀表顯示記錄。上一頁下一頁返回11.任務三電子血壓計的設計與制作3)調(diào)頻電路電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一局部，當輸入量使電容量發(fā)生變化后，就使振蕩器的振動頻率發(fā)生變化，頻率的變化在鑒頻器中變化為振蕩的變化，經(jīng)過放大后就用儀表指示或用記錄儀表記錄下來，電路框圖如圖1-37所示。調(diào)頻電路的特點是測量電路的靈敏度很高，可測0.01μm的位移變化量，抗干擾能力強(參加混頻器后更強)，缺點是電纜電容、溫度變化的影響很大，輸出電壓U0與被測量之間的非線性一般要靠電路加以校正，因此電路比較復雜。上一頁下一頁返回12.任務三電子血壓計的設計與制作4)脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路如圖1-38所示，該電路主要有傳感器差動電容C1和C2，當雙穩(wěn)定觸發(fā)器的輸出A點為高電位，那么通過R1對C1充電，直到C點電位高于參比電位Uf時，比較器A1將產(chǎn)生脈沖觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。在翻轉(zhuǎn)前，B點為低電位，電容C2通過二極管VD2迅速放電。一旦雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)后，A點成為低電位，B電為高電位。這時，在反方向又重復上述過程，即C2充電，C1放電。當C1=C2時，電路中各點電壓波形如圖1-39(a)所示。由圖1-39可見A,B兩點平均電壓值為零。但是，差動電容C1和C2值不相等時，如C1>C2，那么C1和充放電時間常數(shù)就發(fā)生改變。這時電路中各點的電壓波形如圖1-39(b)所示。上一頁下一頁返回13.任務三電子血壓計的設計與制作對于差動脈沖調(diào)寬電路，不管是改變平板電容器的極板面積或是極板距離，其變化量與輸出量都呈線性關(guān)系。調(diào)寬線路還具有以下一些特點:(1)對元件無線性要求。(2)效率高，信號只要經(jīng)過低通濾波器就有較大的直流輸出。(3調(diào)寬頻率的變化對輸出無影響。(4)由于低通濾波器的作用，對輸出矩形波純度要求不高。上一頁下一頁返回14.圖1-29平行極板電容器返回15.圖1-30放置云母片的電容器返回16.圖1-31直線位移型電容式傳感器返回17.圖1-32變而積式電容傳感器的派生型

—角位轉(zhuǎn)型返回18.圖1-33電容式液位變換的原理返回19.圖1-34變介質(zhì)型電容傳感器返回20.圖1-35運算放大器電路返回21.圖1-36交流電橋電路返回