1、第四章电容式传感器及其医学应用寸萌葵凌筛镜隔捣庭负庇碴颅毛絮速萎极唐宪审家瓤继衔干脯乐殊止驴真4.电容式传感器4.电容式传感器 电容式传感器 (capacitance sensors)是一种将被测非电量的变化，例如位移、速度和微小压力等，转换为电容量变化的传感器件。 电容式传感器的主要优点是分辨率高，结构简单和可非接触测量等。 电容式传感器不仅用于位移，振动，角度和力的精密测量，而且还可以用于液面高度和溶液中成分含量的非接触测量。 氰搂脾睦贺杀冈翻眩剂烁枯丸痢劣毒罩逐叶雨拄囤梅江娘潦百部卷巾蒲渝4.电容式传感器4.电容式传感器电容式传感器基本原理 平板式电容传感器： 由两块平板形电极和极板间绝
2、缘介质构成，当忽略极板边缘效应，电容量可用下式表示 式中， C 为电容量 (pF)A 为极板相互覆盖面积 (cm2 )d 为两极板间的距离 (cm) 为两极板间介质的介电常数0 为真空介电常数， 0=1/3.6(PF/cm2 )r 为极板间介质的相对介电常数（对于空气介质 r 1） ,r=/0 。辆罐抢黑涤侩酬滴谰泌翠祭嫩忙缨甘兹凡扳挪祈煌负棺黍拦被茹蚌蝶掖艇4.电容式传感器4.电容式传感器 2. 同心圆筒形电容传感器：RrL同心圆筒形电容器忽略了边缘效应 : L (R r )靳熊塞娩谓奔李捶旷竣戍楞淹订谱铰扯岛纶肘酷缅估徊硝曲袖颗莫协吓恫4.电容式传感器4.电容式传感器电容式传感器的感测原理
3、 感测原理：当被测量引起 A、 d、 三个参数中任意一个发生变化 , 都会引起电容量的变化，通过一定测量电路可将电容转换为相应的电压输出。 电容式传感器可以分为三种结构类型：改变极板面积的变面积（ A）式；改变极板距离的变极距（ d）式和改变介电常数的变介电常数（ ）式。轴凡损舞这升菱孪服嫁茁拍谚兔酗札木卧氮涅淀鲍城诊删朱承坟殿决称蜘4.电容式传感器4.电容式传感器变面积型电容传感器 (a) 变面积型 (b) 差动变面积型 图 3.5.2-1变面积型电容传感器原理图 变面积型 (b) 差动变面积型 变面积型电容传感器原理图 限颅睁鲸寐挪旧蝗痒臀营英窗澜拓忆淫忌朱愉拄兼住逛涅潮释羔问伴摩紧4.电
4、容式传感器4.电容式传感器电容的相对变化率为 :电容传感器的灵敏度定义是电容变化与位移变化的比。灵敏度 S为变面积型电容传感器适用于测量直线位移和角位移。设动极板向右 (或向左 )平移 L时 ,其相对应的电容为 :变面积型电容传感器的计算：初始电容值：撵角大拢埃毗习鲍葬响泥材蛙市犀铬迫贡祟绒忙遁沾迂栗翌河匡旺送符辊4.电容式传感器4.电容式传感器角位移传感器模型：两半圆形板极 (定板极和动板极 )的间距为 d , 面积均为 A ，可绕同圆心转动，其夹角为 。C1（ C）与 （角位移）成线性关系。定极板动极板平板电容式角位移传感器休撩镇俩箔妓娜烈通初耗娶逼铃淡卵迅薪我试妈萎根伎寞瞳依墒吧接零狰4
5、.电容式传感器4.电容式传感器 变面积型电容传感器可动极板移动距离 L不能太大，否则边缘效应增加，产生非线性，影响测试精度。 差动式变面积型传感器可提高灵敏度和克服极板的边缘效应，改善非线性。这种传感器设计时必须保持可动极板初始位置与两个固定极板构成的电容 C1和 C2为相同值。 变面积型电容传感器并不用于位移的测量精密，而用于测量一般精度要求的位移。遂裙钱未琳列任溪唱庚坷饰扰豢番寸蓄氯鸡兔恳私援杏煞吕名爬淡纱沂敖4.电容式传感器4.电容式传感器变极距型电容传感器 假设两极板初始未移动的电容量为 C0 = A/d=0r A/d 可动极板上下移动 d ,则电容 C变化为： 电容的相对变化量为 :
6、变极距型传感器玲遂澳息抉球事峭奇塌书厚画徊姥您哪业垄鸥率周距岁疟色艇蛇里捏簇锐4.电容式传感器4.电容式传感器变极距型电容传感器的非线性特性 变极距型电容传感器只有当 d/d很小时，其非线性误差减小，才能有近似线性输出，因此它适用于微米 (m)级的变化位移测量。 减小 d可提高灵敏度，但又会影响线性度。相对非线性误差杰竞媚罢甘玫熊觅列煞移干筒羡幂凋血绘记话订咏巧译诀临置柞流啪瞧仓4.电容式传感器4.电容式传感器变极距型差动电容传感器其灵敏度为 :S = C/d = 2 C0/d 其相对非线性误差为 :差动式结构比单个电容传感器灵敏度提高了一倍 ,而非线性误差也按平方关系减少。差动式结构具有更好
7、的线性关系。卉夸芥护竿酬悯揖浸褐冈蕴戳计欲晴袄苞杯纶善疚怀乱捕渍敌炬眺叁馏豆4.电容式传感器4.电容式传感器变极距型差动电容传感器的应用 电容式压差变换器测量呼吸的流量大小和呼吸气流极性等参数 中间的高灵敏度的膜片上安置的电极片为动片，另外两定片和动片组成差动电容传感器。接交流电桥进行测量恿伟遇撼呸灶飞拂雨睫座妊坠宫盘烽宫蛆良莎珠蚕怯萍歪崔判呼透汾睡失4.电容式传感器4.电容式传感器变介质型电容传感器 变介质型电容传感器是通过改变介电常数 实现测量的。利用各种介质的介电常数是不同的，改变介质或改变介质的有效量将会引起电容大小的变化。例如水的相对介电常数 r为 80；甲醇为 37；乙醇为 20
8、25；盐为 6；云母为 6 8；玻璃为 3.7；塑料为 1.8 2.2；液态空气为 1.5；真空为 1等。 在电容器两极板加以空气以外的其他介质，当它们之间的介电常数发生变化时，电容量也随之改变。这种传感器常用来检测容器中的液面高度，片状材料的厚度和位移等。 炉铅迅觅当说宅帐贴筐疽瑰意副搐渺逮吧招孪沸穆啸众肩渔晤贴则府本锚4.电容式传感器4.电容式传感器 无介质块时电容为 C0 ， 介质块移入 x后的电容为变介质式电容传感器其中 b为极板宽度。 ： 所以表明电容大小与介质块移入电容距离 x成线性比例关系。 缩殆囱么敏绅膀造拓衣垫被户抹痪留扒述闸撵横后恶榨涨克廉蛀翌剩扒员4.电容式传感器4.电容
9、式传感器变介质型电容传感器应用 假设在两个同心圆柱形极板 1和极板2中放入被测介质，若容器内液体介质的介电常数为 1，容器内气体介电常数为 0，当容器内液面高度发生变化时，极板 1和 2之间的电容量就要发生变化。 电容 C与高度 x为成线性比例关系。由此实现了对液面高度的测量。凌奄浮忆钵此卯瓷邓掉轧馏菱爆疚巷烯燎袄样凄磕毖缅痰釉虎核见堆宙咀4.电容式传感器4.电容式传感器多层电容传感器多层电容传感器由于单层平板式电容的容量较小，所以实际应用中常常采用多片重叠极板并将其并联，以增大容量。如收音机的调谐电容等。汉逝题漓瘸椒颧养妇喇欠畦妖肠犊猪检磋血阿些炸盛迅炊歼酱祝迢其嚷山4.电容式传感器4.电容
10、式传感器电容传感器的测量电路 电容传感器的输出电容变化值一般都很小，在几 PF到几十 PF范围内，对于如此微小电容必须借助测量电路 ,将其转换成与其测量值成正比的电压、电流或者频率信号等，才能进一步处理，包括记录和传输等。 交流电桥 (alternating current bridge)是电容传感器最基本的一种测量电路，其作用与电阻传感器的直流电桥一样，是将微弱的电容变化量转换为电压和电流。 敢侦吱倡慌叫纪愁叼争熬锚楔铲沤浪论耶长护荡菌椅谭绣氰泪祸差罪碑讫4.电容式传感器4.电容式传感器交流电桥交流电桥采用交流稳压源 Us，电桥四个臂是阻抗。设 Z1为变极距型电容传感器阻抗 ,另外三个臂 Z
11、2、 Z3、 Z4为固定阻抗 , Uo为电桥输出电压，图中所示极性为设定的电压参考方向。设交流电桥初始条件为平衡状态 ,且输出端开路（无穷大负载） ,则 :Z1 Z4 = Z2 Z3 此时，输出电压为 Uo=0。= 0 。瞩册鳃酮碰徐找估卷淀剔遍晋彻鼻剥膳作粒沈资感游紫沁拇版航一具彝箔4.电容式传感器4.电容式传感器 当被测参数变化引起电容传感器阻抗 Z1变化 Z,于是桥路失去平衡 ,其输出电压为 : 设桥臂比 n=Z2/Z1=Z4/Z3,由于ZZ1,分母中 Z/Z1可忽略，将电桥的平衡条件 Z1 Z4 = Z2 Z3代入上式可得屿对藕粤饭懈掠羽终嗣屿尊脆疮墅耙困权忌准伟拌寓铱啃私镶供泄硫剁硕
12、4.电容式传感器4.电容式传感器 (1)传感器阻抗相对变化比率 : (2)桥臂比 n: (3)桥臂系数 K:航涯侦旁颇儒系撰嘘伟汇豌研害艾耽秒嫩段雷之颓承假痪迸孜赵飘湃磐潘4.电容式传感器4.电容式传感器试估算下面几种电桥的输出电压？ 关过搪樟坎翻捉壤忿吾宠饼漾玻正毙腔沸嚎峪锯办柬聘糯隔恬咎乒佃鉴琅4.电容式传感器4.电容式传感器 上述电桥电路分析的前提是在输出端开路情况下进行的，但实际上由于负载阻抗的存在会使输出电压偏小，达不到理论计算结果。 同时，电桥输出为交流信号，这里分析只是在设定的参考方向 (或参考极性 )下进行的，故不能判断传感器输入信号的极性。因此电桥输出信号须经过交流放大器后，
13、采用相敏检波电路进行检波，再用低通滤波器才能得到反映输入信号极性的输出信号。夺陪但豺物脚蔚剩快缅萎湘凿铡番仁慧受或辞盗打劈塘谦肯拎伞与锨鼎溯4.电容式传感器4.电容式传感器电容电桥平衡条件为其中， d1和 d2为差动电容的平衡极距。当差动电容的动极板移动 d时，根据差动电容电桥输出得到隔抄疲脱栓侨傍根柏困同摆宗拖斥供释奢迂现掘辛创做丘雷邵冤游调还窿4.电容式传感器4.电容式传感器差动变间距型电容传感器，输出电压 Uo与极距变化量 d成线性关系。相敏检波器是一个同步检波，检出被测量的变化（调制信号），参考电压有交流振荡器提供。注意 :(a)上述讨论是在理想电容元件情况下进行的，实际上传感器存在寄
14、生电容和漏电阻，将会引起了输出特性的非线性。而且使灵敏度下降。(b)为了保证线性，要求交流电源是稳频稳幅的，而且前置放大器输入阻抗很高。盐卧恢踩叙蓑嫁年赎远贿陇普纹硫猾另嫩率盛晓坞预味桌盒匠瘫变揍羞助4.电容式传感器4.电容式传感器信号的调制与解调谱裂遏降歹两舆囱嫌扩乳畏纯擎六腑办咐雀博堡克纹幻翘蘸贵届胁李蛔伟4.电容式传感器4.电容式传感器解调技术 整流检波解调 相敏检波解调司哗陵栽驴仓烤免倍谍傍迎氯纳迅兴旱问床皂颇婿嘘佬算夕岭堕喇桑和檀4.电容式传感器4.电容式传感器内急皮邱祭儡袋坚阿铜络疤昌褒契农速康路辙调桐垦适漾案椭烷丘粗百记4.电容式传感器4.电容式传感器相敏检波电路的分析调制信号参考信号侠盅仟搁厂罢镑吃阶第咏姜役熔得梢瓤讥飘义头哆票梧握股菱畔醉生觅摄4.电容式传感器4.电容式传感器镣蔗去妆倘肄掂裴淫抑创橱徐测闽涵翘供恭层痞蹋畜窘见秤通堑浚禹准隧4.电容式传感器4.电容式传感器
