生物醫(yī)學(xué)傳感器電容

第四章

電容式傳感器生物醫(yī)學(xué)工程系醫(yī)用傳感器原理及應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：1.測量范圍大：相對變化量可達(dá)100%。2.靈敏度高：可達(dá)10-7。3.動態(tài)響應(yīng)時間短：可動部件質(zhì)量小，固有頻率高，適合于動態(tài)信號的測量。4.機(jī)械損失小：電極間引力小，無摩擦，熱效應(yīng)小，因此，精度高。5.結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)：金屬做電極，無機(jī)材料絕緣支撐，能承受大的溫度變化和強(qiáng)輻射，適合于惡劣環(huán)境工作。1.寄生電容影響大：導(dǎo)線電容、泄露電容。降低了靈敏度，非線性輸出，甚至不穩(wěn)定。2.當(dāng)用變間隙原理進(jìn)行測量時，具有非線性輸出特性。缺點(diǎn)：應(yīng)用：

壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。第一節(jié)電容式傳感器的工作原理平板電容同軸圓柱型電容第二節(jié)

電容式傳感器的類型及特性變面積式3.1根本工作原理〔1〕平面線位移型：當(dāng)其中一個極板發(fā)生x位移后，改變了兩極板間的遮蓋面積S，電容量C同樣隨之變化。a〕直線位移式因此，與位移呈線性關(guān)系。變面積型電容傳感器3.1根本工作原理θ定片動片（b）角位移式因此，與角位移呈線性關(guān)系?！?〕角位移型：3.1根本工作原理靈敏度系數(shù)

靈敏度系數(shù)

變面積型電容傳感器不管是角位移式還是直線式，傳感器的電容值都與引起遮蓋面積變化的因素〔轉(zhuǎn)角θ或直線位移x〕呈線性關(guān)系。且靈敏度系數(shù)K與初始電容C0呈正比。角位移型平面線位移型3.1根本工作原理這類傳感器具有良好的線性,大多用來檢測位移等參數(shù)。

〔3〕圓柱體線位移型：當(dāng)內(nèi)筒上移x時，內(nèi)外筒間的電容Cx為：D1D0Lx與x成線性關(guān)系。結(jié)論：變面積式電容傳感器輸出是線性的，靈敏度為常數(shù)。①增大初始電容C0可以提高傳感器的靈敏度；②極板寬度a的大小不影響靈敏度，但不能太小，否那么邊緣電場影響增大，非線性將增大；③△X變化不能太大，否那么邊緣效應(yīng)會使傳感器特性產(chǎn)生非線性變化。變極距式單極式變極距型初始電容

當(dāng)減小時

電容C增加

當(dāng)時，用泰勒級數(shù)展開

電容相對變化忽略高次項(xiàng)即當(dāng)

(一般取0.02-0.1)時，電容的相對變化量ΔC與極板間距離變化量近似呈線性關(guān)系。

傳感器靈敏度

非線性誤差d0越小，靈敏度系數(shù)K越高；而d0減小又使非線性誤差δ增大。結(jié)論：由前式可知,傳感器的輸出特性C=f(d)不是線性關(guān)系,而是雙曲線關(guān)系此時C與Δd近似呈線性關(guān)系,所以變極距型電容式傳感器只有在很小時,才有近似的線性輸出措施：①欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙d，但受電容器擊穿電壓的限制.通常極板間可采用高介電常數(shù)的材料〔云母、塑料膜等〕作介質(zhì)；②非線性隨相對位移的增加而增加，為保證一定的線性度，應(yīng)限制動極板的相對位移量。③為改善非線性，可以采用差動式。為提高靈敏度和非線性，一般采用差動結(jié)構(gòu)。差動式變極距型上下兩局部的初始電容：上移后：展開：差動式電容傳感器的輸出為：非線性誤差為：略去高階無窮小：差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍非線性誤差可以減小一個數(shù)量級。

變介質(zhì)型變介質(zhì)型傳感器變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。右圖相當(dāng)于兩個電容器的并聯(lián)，1、2為筒狀極板。上面的電容器以ε2為介質(zhì)，下面的電容器以ε1為介質(zhì)。電容液位計(jì)原理圖其中,A為常數(shù)，K為靈敏度系數(shù)電容C與液位h1之間呈線性關(guān)系.電容式厚度傳感器Rp為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。這些損耗在低頻時影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱。Rs代表串聯(lián)損耗，即代表引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。Cp

寄生電容，C傳感器電容電容傳感器的等效電路第三節(jié)電容傳感器的測量電路分析電容式傳感器的等效阻抗為：RS很小，RP很大,均可忽略。電路的等效容抗為：電容的相對變化量為：激勵電源頻率電路諧振頻率結(jié)論：電容傳感器的等效電容與鼓勵電源的頻率有關(guān)，還與電路自身的諧振頻率有關(guān)，而影響諧振頻率的重要因素是電感L，它與電容傳感器的連接導(dǎo)線等因素有關(guān)，所以電容傳感器在實(shí)際使用時必須保持與標(biāo)定時的狀態(tài)是完全一致的。交流電橋電容傳感器的測量電路

將電容傳感器接入電橋的一個臂，不平衡電橋輸出：為使橋路平衡，在四個橋臂上必須接入兩個電容〔一個單極電容傳感器和一個固定電容，或接入差動電容傳感器〕。另外兩個橋臂接入其他阻抗元件，如：兩個電阻、兩個電感或是兩個電容。當(dāng)橋臂上接入不同的阻抗元件時，電路的靈敏度不同，一般有0.25、0.5、1，輸出信號相移有0°、±90°、±180°。變壓器式電橋

即輸出電壓

與位移△d成線性關(guān)系正負(fù)半周分析：正半周：C1充電，電流順時針；C2放電，電流逆時針負(fù)半周：C2充電，電流逆時針；C1放電，電流順時針假設(shè)C1=C2，那么電流抵消，假設(shè)C1≠C2，那么RL有信號輸出二極管雙T形交流電橋脈沖調(diào)制電路運(yùn)算放大器電路調(diào)頻電路特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換電路生成頻率信號，可遠(yuǎn)距離傳輸不受干擾。具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01μm級位移變化量。但非線性較差，可通過鑒頻器〔頻壓轉(zhuǎn)換〕轉(zhuǎn)化為電壓信號后，進(jìn)行補(bǔ)償。第三節(jié)電容傳感器的誤差分析溫度的影響邊緣效應(yīng)的影響寄生電容、分布電容的影響溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響電容傳感器由于極板間隙很小而對結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感在傳感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極板間隙發(fā)生較大的相對變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。在設(shè)計(jì)電容式傳感器時，適中選擇材料及有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)溫度誤差的補(bǔ)償。溫度對介質(zhì)的影響溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而變化，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零，而某些液體介質(zhì)，如硅油、醫(yī)麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。例如煤油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)可達(dá)0.07%/℃，假設(shè)環(huán)境溫度變化℃，那么將帶來7%的溫度誤差，故采用此類介質(zhì)時必須注意溫度變化造成的誤差。溫度影晌減小溫度影響措施：①一般盡量選取溫度系數(shù)小和溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料。如絕緣材料采用石英、陶瓷等，金屬材料選用低膨脹系數(shù)的鎳鐵合金?；驑O板直接在陶瓷、石英等絕緣材料上蒸鍍一層金屬膜來代替。②采用差動對稱結(jié)構(gòu)，并在測量線路中對溫度誤差加以補(bǔ)償。邊緣效應(yīng)當(dāng)極板厚度與極距之比相對較大時，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。危害：邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。消除措施：1.增大初始電容2.加裝等位環(huán)帶有保護(hù)環(huán)的電容傳感器原理結(jié)構(gòu)寄生電容的影響

產(chǎn)生原因

極板與周圍物體及電纜本身均產(chǎn)生電容，與傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性。

消除措施1.整體屏蔽法整體屏蔽的關(guān)鍵在于正確選取接地點(diǎn)。整體屏蔽法是一種較好的方法，但將使總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。但仍存在問題：(1)當(dāng)屏蔽線很長，其本身電容很大，且大于傳感器電容量，導(dǎo)致傳感器靈敏度下降；(2)電纜電容量因放置位置和形狀的不同而不同，造成傳感器特性不穩(wěn)定。一種等電位屏蔽法，是解決電纜電容影響問題的有效方法。在電容傳感器與測量電路的前置級之間采用雙層屏蔽電纜，這種接法使傳輸電纜的芯線與內(nèi)層屏蔽等電位，消除了芯線對內(nèi)層屏蔽的容性漏電，從而消除了寄生電容的影響，并接入增益為1的驅(qū)動放大器。優(yōu)點(diǎn)：消除了芯線對內(nèi)屏蔽層的容性漏電，克服了寄生電容的影響；驅(qū)動放大器是一個輸入阻抗很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1的同相放大器。缺點(diǎn)：要在很寬的頻帶上嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)等于1，且輸出與輸入的相移為零。2.驅(qū)動電纜法驅(qū)動電纜法原理結(jié)論：注意傳感器的接地和屏蔽增加原始電容值，降低容抗導(dǎo)線分布合理盡可能一點(diǎn)接地盡量采用差動式電容傳感器測量金屬帶材在軋制過程中厚度的電容式測厚儀電容傳感器的應(yīng)用厚度測量

轉(zhuǎn)速測量

加速度測量

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式平安氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。3.4電容式傳感器的應(yīng)用濕敏電容一般用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。HM1500濕度傳感器當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。濕度測量

電容式鍵盤

3.4電容式傳感器的應(yīng)用常規(guī)的鍵盤有機(jī)械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關(guān)是無觸點(diǎn)非接觸式的，磨損率極小。利用變極距型電容傳感器實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換.電容式傳聲器

3.4電容式傳感器的應(yīng)用駐極體電容傳聲器大膜片電容傳聲器傳聲器〔Microphone〕即話筒，音譯作麥克風(fēng)，目前使用的話筒大多是動圈式和電容式。電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過前置放大器變換為輸出電壓。電容式指紋傳感器

3.4電容式傳感器的應(yīng)用目前的指紋采集技術(shù)主要有光學(xué)采集、半導(dǎo)體采集、超聲波采集。(1)半導(dǎo)體壓感式傳感器

其外表的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料,它們依照指紋的外表地形(凹凸)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子信號,并進(jìn)一步產(chǎn)生具有灰度級的指紋圖像。(2)半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器

它通過感應(yīng)壓在設(shè)備上的脊和遠(yuǎn)離設(shè)備的谷溫度的不同就可以獲得指紋圖像。(3)硅電容指紋圖像傳感器

這是最常見的半導(dǎo)體指紋傳感器,它通過電子度量來捕捉指紋。在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約100,000個電容傳感器,其外面是絕緣的外表。3.4電容式傳感器的應(yīng)用傳感器陣列的每一點(diǎn)是一個金屬電極,充當(dāng)電容器的一極,按在傳感面上的手指頭的對應(yīng)點(diǎn)那么作為另一極,傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在),導(dǎo)致硅外表電容陣列的各個電容值不同,測量并記錄各點(diǎn)的電容值,就可以獲得具有灰度級的指紋圖像。3.4電容式傳感器的應(yīng)用指紋識別系統(tǒng)的電容傳感器發(fā)出電子信號，電子信號將穿過手指的外表和死性皮膚層，直達(dá)手指皮膚的活體層(真皮層)，直接讀取指紋圖案。由于深入真皮層，傳感器能夠捕獲更多真實(shí)數(shù)據(jù)，不易受手指外表塵污的影響，提高辨識準(zhǔn)確率，有效防止辨識錯誤。3.4電容式傳感器的應(yīng)用西門子推出的“IDMouse〞鼠標(biāo)。鼠標(biāo)上端安有指尖傳感器，一旦指紋被識別，使用者就可以啟動PC的操作系統(tǒng)。如果長時間不動鼠標(biāo)，它將自動啟動屏幕保護(hù)程序，直到使用者再次觸摸ID鼠標(biāo)為止。這個鼠標(biāo)在0.25平方英寸的觸摸芯片上有65000個傳感系統(tǒng)，可捕捉指紋的細(xì)節(jié)。該系統(tǒng)非常靈敏，甚至用戶的手有傷口它都能準(zhǔn)確的區(qū)分出來。電阻式觸摸屏主要是利用壓力感應(yīng)進(jìn)行控制。構(gòu)成：顯示屏和一塊與其緊密貼合的電阻薄膜屏。這個電阻薄膜屏通常分為兩層，一層是由玻璃或有機(jī)玻璃構(gòu)成的基層，其外表涂有透明的導(dǎo)電層；基層外面壓著我們平時直接接觸的經(jīng)過硬化及防刮處理的塑料層，塑料層內(nèi)部同樣有一層導(dǎo)電層，兩個導(dǎo)電層之間是別離的。當(dāng)我們用手指或其他物體觸摸屏幕的時候，兩個導(dǎo)電層發(fā)生接觸，電阻產(chǎn)生變化，控制器那么根據(jù)電阻的具體變化來判斷接觸點(diǎn)的坐標(biāo)并進(jìn)行相應(yīng)的操作。觸摸屏電容式觸摸屏：利用人體的電流感應(yīng)進(jìn)行工作感應(yīng)屏是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)外表和夾層各涂有一層導(dǎo)電層，最外層是一薄層矽土玻璃保護(hù)層。當(dāng)我們用手指觸摸在感應(yīng)屏上的時候，人體的電場讓手指和和觸摸屏外表形成一個耦合電容，對于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點(diǎn)吸走一個很小的電流。這個電流分從觸摸屏的四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計(jì)算，得出觸摸點(diǎn)位置。電阻屏和電容屏區(qū)別：1、電阻式觸控屏幕在工作時每次只能判