医学电容式传感器课件

医学电容式传感器第四章第四章 电容式传感器电容式传感器医学电容式传感器作用：作用：电容的变化非电量的变化（位移、振动、加速度、力、厚度、湿度、成分分析等)电容式传感器类型：类型：1、变间距型 2、变面积型 3、变介电常数型医学电容式传感器第一节第一节 基本工作原理、结构及特点基本工作原理、结构及特点医学电容式传感器基本原理：基本原理：平板形电容器平板形电容器0rSSCdd 传感器类型：变面积型、变间距型、变介电常数型传感器类型：变面积型、变间距型、变介电常数型 当三个参数当三个参数d、S、中任意一个变化时，中任意一个变化时，C都会变化；若保持其中的都会变化；若保持其中的两个参数不变，仅改变一个参数，并使该参数与被测量之间存在某种一一两个参数不变，仅改变一个参数，并使该参数与被测量之间存在某种一一对应的函数关系，则被测量的变化就可直接由对应的函数关系，则被测量的变化就可直接由C的变化反映出来。的变化反映出来。把两块金属极板用介质隔把两块金属极板用介质隔开就构成简单的电容器，当开就构成简单的电容器，当忽略边缘效应时，电容量为：忽略边缘效应时，电容量为：120(8.854 10/)F m医学电容式传感器一、变间距型电容传感器一、变间距型电容传感器1、电容的变化：、电容的变化：0001/rSCCCCddd d 01(1/)CdCdd d 输出特性是非线性的输出特性是非线性的00rSCd 00011/ddCCCCCdddd d 医学电容式传感器023/(1/)1()()Cdd dCddddddddd 2、灵敏度、灵敏度 200/rkCdCdS d ，则，则/1dd通常通常0/C Cd d 若只考虑一次项，则：若只考虑一次项，则：即传感器的输出特性近似为线性。此条件下即传感器的输出特性近似为线性。此条件下传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：医学电容式传感器3、线性度（相对非线性误差）：线性度（相对非线性误差）：2/100%/100%d dd dd d 0/(1/)dC Cd dd若考虑线性项和二次项，则：若考虑线性项和二次项，则：适用于微米级适用于微米级的位移测量的位移测量0/C Cd d 若只考虑一次项，则：若只考虑一次项，则：由此得到其相对非线性误差为：由此得到其相对非线性误差为：医学电容式传感器200/rkCdCdS d 2/100%/100%d dd dd d 讨论：灵敏度与非线性讨论：灵敏度与非线性（1）变间距型电容式传感器的）变间距型电容式传感器的非线性与极板间距非线性与极板间距d成反比成反比，只有在只有在d/d很小时，才有近似的线性输出，故适用于小范很小时，才有近似的线性输出，故适用于小范围（微米级）的位移测量；围（微米级）的位移测量；（2）采用）采用减小初始极板间距减小初始极板间距d可大幅度提高灵敏度可大幅度提高灵敏度，但，但d的减小，一是将增大非线性，二是也会受到电容器击穿电的减小，一是将增大非线性，二是也会受到电容器击穿电压的影响，对加工精度的要求也更高。压的影响，对加工精度的要求也更高。（3）实际应用中，为了克服非线性与提高灵敏度之间的矛）实际应用中，为了克服非线性与提高灵敏度之间的矛盾，传感器大都采用盾，传感器大都采用差动式结构差动式结构。医学电容式传感器 三个极板构成两个电容器，三个极板构成两个电容器，上下两极板固定，中间极板可上下两极板固定，中间极板可动。初始极距为动。初始极距为d1=d2=d，初，初始电容均为始电容均为C04、差动式结构、差动式结构：00222rCSCkddd 240120/()/21()().2ddddC CCCCdddd322(/)/2/100%(/)100%d dd dd d 230101()()1/CdddCCd dddd230201()()1/CdddCCd dddd灵敏度提高一倍，非线性灵敏度提高一倍，非线性大为减小。大为减小。医学电容式传感器二、变面积型电容传感器：二、变面积型电容传感器：1、初始电容：、初始电容：000rrSLbCdd 2、电容的变化：、电容的变化：0000()(1)rLL bLLCCCCCCdLL 0CLCL用于测量直线位用于测量直线位移移（cmcm级）级）和角和角位移位移（几十度）。（几十度）。3、灵敏度：、灵敏度：0rbCkLd 输出特性是线性的，灵敏度为输出特性是线性的，灵敏度为一常数。一常数。b或或d，则，则K医学电容式传感器4、差动式变面积型传感器：、差动式变面积型传感器：差动式结构：差动式结构：有有3个极板，上面的可动极板个极板，上面的可动极板为公共极板，它与下面两个固定极板分别形为公共极板，它与下面两个固定极板分别形成电容成电容C1和和C2，当可动极板向右（左）移，当可动极板向右（左）移动时，动时，C1和和C2一增一减，差动输出。一增一减，差动输出。为了提高灵敏度，克服极板的边缘效应，改善非线性，为了提高灵敏度，克服极板的边缘效应，改善非线性，也可采用右图差动式结构。也可采用右图差动式结构。医学电容式传感器 通过改变极板间介质的相对介电常数通过改变极板间介质的相对介电常数r来实现测量。此来实现测量。此类传感器大多用来测量电介质的厚度、位移、液位、液量，类传感器大多用来测量电介质的厚度、位移、液位、液量，还可根据还可根据r随温度、湿度、容量改变来测量温度、湿度、容随温度、湿度、容量改变来测量温度、湿度、容量等。量等。1、电容式湿度计：、电容式湿度计：电容极间介质：电容极间介质：高分子聚合膜材料高分子聚合膜材料湿度：湿度：指大气中所含的水蒸气量。指大气中所含的水蒸气量。绝对湿度：绝对湿度：指某一特定空间水蒸气的绝对含量，可指某一特定空间水蒸气的绝对含量，可用用kg/m3或水的蒸气压表示；或水的蒸气压表示；相对湿度：相对湿度：指某一待测蒸气压与相同温度下的饱和指某一待测蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压之比的百分数。蒸气压之比的百分数。三、变介电常数型电容传感器三、变介电常数型电容传感器医学电容式传感器2、平板型线位移传感器：、平板型线位移传感器：010101200101100101)()=()Lx bd CxbCCCCxdddddd L（10101001()()d CCkxdd L00001SLbCdddSL b 无介质无介质1时的时的电容为：电容为：平行板面积为：平行板面积为：插入介质插入介质1时的电容器等效为右图，电容和灵敏度分别为：时的电容器等效为右图，电容和灵敏度分别为：（C与与x与线性关系）与线性关系）医学电容式传感器10212()/ln(/)2/ln(/)CHhR rChR r 0101222()ln(/)ln(/)HCCKBR rR rChh 3、圆筒式液位传感器：、圆筒式液位传感器：由两个同轴圆筒状电极板由两个同轴圆筒状电极板构成。电容器高构成。电容器高H，内筒外径，内筒外径r,外筒内径外筒内径R，液面高度，液面高度h，液体，液体和气体的介电常数分别为和气体的介电常数分别为1、0.002/ln(/)CHR r无液体时的电容：无液体时的电容：有液体时：有液体时：电容器的电容电容器的电容C与液面高度与液面高度h成线性关系，可用此方便地成线性关系，可用此方便地测量或监控液面的高度。测量或监控液面的高度。医学电容式传感器储存罐储存罐R1传感器传感器P47例例4-1 置于某储存罐的置于某储存罐的电容式液位传感器电容式液位传感器由半由半径为径为20mm和和4mm的两个同心圆柱体组成，并与储的两个同心圆柱体组成，并与储存罐等高。储存罐也是圆柱形，半径为存罐等高。储存罐也是圆柱形，半径为25cm，高为，高为1.2m，被储存液体的，被储存液体的r=2.1。试计算传感器的最小。试计算传感器的最小电容和最大电容以及传感器用在该储存罐内时的灵电容和最大电容以及传感器用在该储存罐内时的灵敏度。敏度。解：解：12120min3322 3.14 8.85 101.241.5 10()41.5ln(/)ln(20 10/4 10)HCFpFR r12121max3322 3.14 8.85 102.1 1.287.1 10()87.1ln(/)ln(20 10/4 10)HCFpFR r22 243(25 10)3.14 1.22355 10()235.5VRHmL罐maxmin87.141.50.19/235.5CCpFpFkpF LVL医学电容式传感器第二节第二节 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路主要有三大类型：主要有三大类型：调幅：调幅：用被测量调制测量电路中输出量幅度的电路。用被测量调制测量电路中输出量幅度的电路。最基本且最具有代表性的就是交流电桥测量电路。最基本且最具有代表性的就是交流电桥测量电路。调频：调频：用被测量调制测量电路中输出量频率的电路。用被测量调制测量电路中输出量频率的电路。脉冲：脉冲：用被测量调制测量电路中脉冲输出量的电路。用被测量调制测量电路中脉冲输出量的电路。医学电容式传感器一、调幅测量电路一、调幅测量电路1 1、交流电桥：交流电桥：（1 1）电路介绍：电路介绍：Z1Z1为电容传感器，为电容传感器，Z2Z2、Z3Z3、Z4Z4为固定阻抗，为固定阻抗，UsUs为电源电压（设内阻为为电源电压（设内阻为0 0），），U U0 0为电桥输出电压。因为一般为电桥输出电压。因为一般电桥输出端都接入运放，所以可视其输出端为开路。电桥输出端都接入运放，所以可视其输出端为开路。电桥初始处于平衡状态，且输出端电桥初始处于平衡状态，且输出端开路，有开路，有Z1Z4=Z2Z3，输出为，输出为0；当被测量变化时，引起当被测量变化时，引起Z1的变化，的变化，输出电压为：输出电压为：3101234()sZZZUUZZZZZ医学电容式传感器310123411221221()(/)(/)(1/)(1)ssssZZZUUZZZZZZ ZZZZZnZKnZUUU设电桥初始为平衡（Z1Z4=Z2Z3），且ZZ1，则2(1)nKn称为电桥的桥臂系数1=ZZ称为传感器阻抗相对变化率n=Z1/Z2 称为桥臂比医学电容式传感器，是一个实数，且是一个实数，且与与C近似呈线性关系。近似呈线性关系。111()1/ZCCj CjCCZj CCCC/1Z Z-传感器阻抗相对变化率传感器阻抗相对变化率（1）121212/jjjnZZZ eZ eae12/aZZ121/23/4nZZZZ-桥臂比桥臂比（2）222(1)sinarctan(,)2(1)cosafaaa2(,)(1)jnKK ef an-桥臂系数（是一复数）桥臂系数（是一复数）（3）12(,)12 cosaKf aaa（n是一个复数，是信号频率的函数）是一个复数，是信号频率的函数）医学电容式传感器（2）电桥性能分析：电桥性能分析：图图a示出了对于不同的示出了对于不同的，K与与a的关系曲线。的关系曲线。12/jnZZaejKK e 为最大值为最大值当当a=1，KmKmK 又随又随而变化而变化 图图a 12(,)12 cosaKf aaa当当a=1时，若时，若=0，Km=0.25,输输出电压与电源电压同相位；出电压与电源电压同相位；若若=90，Km=0.5，输出信输出信号有号有90 相移相移；若若=180，Km，此时电桥发生谐，此时电桥发生谐振，输出电压趋于无穷大。振，输出电压趋于无穷大。0sUKU医学电容式传感器222(1)sin(,)arctan2(1)cosafaaa当当a=1时，时，始终为始终为0，则输出与，则输出与电源电压同相；电源电压同相；当当a时，时，=（最大值）；（最大值）；当当=0时，则时，则=0，即当桥臂，即当桥臂Z1、Z2是相同性质元件时，无论是相同性质元件时，无论a为任何为任何值，值，输出与电源电压同相输出与电源电压同相位。位。图图b:示出了对于不同的示出了对于不同的，与与a的关系曲线的关系曲线 12/jnZZaejKK e0sUKU医学电容式传感器交流测量电桥的设计要求与特点：交流测量电桥的设计要求与特点：（1）为了使桥路平衡，在四个桥臂中必须接入两个电容）为了使桥路平衡，在四个桥臂中必须接入两个电容（一个单电容式传感器和一个固定电容，或接入差动型电（一个单电容式传感器和一个固定电容，或接入差动型电容传感器），另外两个桥臂接入其他类型的阻抗元件（如容传感器），另外两个桥臂接入其他类型的阻抗元件（如两个电阻、两个电感、两个电容）；两个电阻、两个电感、两个电容）；（2）交流不平衡电桥不宜于作为单电容式传感器的测量电）交流不平衡电桥不宜于作为单电容式传感器的测量电路。如在对称平衡条件（路。如在对称平衡条件（Z1=Z2，Z3=Z4）下，）下，分母中分母中的的Z/2Z1为桥路结构引入非线性因素，即使是线性传感器。为桥路结构引入非线性因素，即使是线性传感器。（3）对于）对于Z1、Z2为电容，另外两臂由任意阻抗元件组成为电容，另外两臂由任意阻抗元件组成的电桥，输出相移为零时，桥臂系数最大为的电桥，输出相移为零时，桥臂系数最大为0.25；对于电；对于电容式传感器与电阻构成的电桥，其桥臂系数最大为容式传感器与电阻构成的电桥，其桥臂系数最大为0.5，此，此时输出信号有时输出信号有90 相移；对于电容式传感器与电感组成的相移；对于电容式传感器与电感组成的电桥，桥臂比的相角电桥，桥臂比的相角=180时，桥臂系数最大，且输时，桥臂系数最大，且输出相移为零。出相移为零。31012341111()4 1(/2)sSZZZZUUUZZZZZZZZ 医学电容式传感器（3）常用交流电桥的形式：常用交流电桥的形式：1/)RC（设（设00.5sUU图图g：差动式电容传感器差动式电容传感器 0sUU图图a、c、d、f：a=1，=0 00.25sUU（f）（g）图图e：a=1,=180,电桥谐振电桥谐振图图b：a=1，=90 医学电容式传感器12012),()(LCCUECCif R 0SLUEESL0dUEd特点：对于任何类型的差动电容传感器，电桥的输出电压与输特点：对于任何类型的差动电容传感器，电桥的输出电压与输入量均成线性关系：入量均成线性关系：12012()1()LLjCCUE RjCC R（4 4）变压器式交流电桥：变压器式交流电桥：电桥两臂是电源变压器二次线圈，电桥两臂是电源变压器二次线圈，电桥负载为放大器的输入阻抗。该桥路目前采用较多，它电桥负载为放大器的输入阻抗。该桥路目前采用较多，它使用元件最少，桥路内阻最小。使用元件最少，桥路内阻最小。变极距型：变极距型：变面积型：变面积型：医学电容式传感器对于平行板电容传感器，则有：对于平行板电容传感器，则有：00iCUUC 2 2、运算放大器测量电路：运算放大器测量电路：将电容传感器作为电路的反馈将电容传感器作为电路的反馈元件接在运放的输入输出之间，元件接在运放的输入输出之间，C C0 0为一固定电容。为一固定电容。000irC dUUS 0011,iciUIUIj Cj CicII 虽然变间距型电容传感器是非线虽然变间距型电容传感器是非线性元件，但采用此电路后，其输出性元件，但采用此电路后，其输出电压与极板间距的变化成正比，这电压与极板间距的变化成正比，这是该电路测量的最大优点。是该电路测量的最大优点。医学电容式传感器二、二、*差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路(P53)（1）线性输出；（）线性输出；（2）对输出波形的纯度要求不高；（）对输出波形的纯度要求不高；（3）要求）要求直流电源的电压稳定度较高；（直流电源的电压稳定度较高；（4）便于与传感器做在一起。）便于与传感器做在一起。医学电容式传感器医学电容式传感器121212,abTTUUUUTTTT1212012,XXXXCCifRRRUUCC111222lnlnXXffUUTRCTR CUUUU结论：差动电容的变化导致结论：差动电容的变化导致U0不同，且输出是线性的。不同，且输出是线性的。1012201222(cossin)22(cossin)anbnTnnUUAtBtTTTTTnnUUAtBtTTTT01212abTTUUUUTT医学电容式传感器三、三、*调频测量电路调频测量电路(P51)001122()pgfffLCL CCCC0012pgCffCCC 0012()pgfL CCC医学电容式传感器P54例例4-2 现有一只电容式位移传感器，其结构如左图所示。现有一只电容式位移传感器，其结构如左图所示。已知已知L=25mm，R=6mm，r=2mm。其中，圆柱。其中，圆柱C为内电极，为内电极，圆筒圆筒A、B为两个外电极，为两个外电极，D为屏蔽套筒，为屏蔽套筒，CB构成一个固定电容构成一个固定电容CF，CA是随活动屏蔽套筒伸入位移量是随活动屏蔽套筒伸入位移量x而变的可变电容而变的可变电容Cx。采。采用理想检测电路如右图所示，其信号源电压有效值用理想检测电路如右图所示，其信号源电压有效值Ui=6V。问：问：（1）在要求运放输出电压）在要求运放输出电压U0与输入位移与输入位移x成正比时，标出成正比时，标出CF和和Cx在图在图(b)中应连接的位置；（中应连接的位置；（2）求该电容式传感器的灵敏度）求该电容式传感器的灵敏度k；（；（3）求该测量变换系统输出电压灵敏度）求该测量变换系统输出电压灵敏度Kv。00 xxiivFCdCdULxUUUkKCLdxdx 医学电容式传感器第三节第三节 电容式传感器的误差分析电容式传感器的误差分析医学电容式传感器C-传感器电容；传感器电容；Rp-并联损耗电阻（包含极板间的泄漏电阻和介质损耗，并联损耗电阻（包含极板间的泄漏电阻和介质损耗，反映电容器在低频时的损耗）；反映电容器在低频时的损耗）；Rs-串联损耗电阻（由引线、极板和金属支座等引起）；串联损耗电阻（由引线、极板和金属支座等引起）；Cp-寄生电容（它与传感器电容并联，分析时可视为含于寄生电容（它与传感器电容并联，分析时可视为含于传感器电容传感器电容C中）中）Ls-传感器接线端之间的电流回路的总电感；传感器接线端之间的电流回路的总电感；一、实际传感器的等效电路模型一、实际传感器的等效电路模型各种损耗各种损耗电场边缘效应电场边缘效应寄生与分布电容寄生与分布电容环境温度环境温度医学电容式传感器222222211()()11pcsspppssppRj CZRj LRj CRR CRjLR CR C等效阻抗：等效阻抗：等效电容：等效电容：通常不考虑通常不考虑Rs和和Rp的影响，只考虑的影响，只考虑L的影响，的影响，此时有此时有:22011(/)esCCCL Cff220/11(/)eesC CC CC CCCL Cff 电容的实际相对变化量：电容的实际相对变化量：0()ff激励信激励信号频率号频率2f1/1/esj Cj Lj C012sfL C电路谐振电路谐振频率：频率：医学电容式传感器讨论：讨论：1、电容传感器电容的实际相对变化量与传感器的固有电、电容传感器电容的实际相对变化量与传感器的固有电感（包括引线电感）有关。感（包括引线电感）有关。由于电路的感抗会抵消一部分由于电路的感抗会抵消一部分容抗，电容传感器的有效电容容抗，电容传感器的有效电容Ce将有所增加。将有所增加。因此，实际因此，实际使用时，供电电源频率与连接电缆长度应与标定时的条件使用时，供电电源频率与连接电缆长度应与标定时的条件相同相同，否则会引入测量误差。，否则会引入测量误差。2、等效电路有一谐振频率，通常为几十兆赫。谐振或接等效电路有一谐振频率，通常为几十兆赫。谐振或接近谐振时，它破坏了电容器的正常作用。因此，只有在低近谐振时，它破坏了电容器的正常作用。因此，只有在低于谐振频率（通常为谐振频率的于谐振频率（通常为谐振频率的1/3-1/2)时，电容传感器时，电容传感器才能正常工作。才能正常工作。3、由、由电容的实际相对变化量的式子电容的实际相对变化量的式子中可知，只有在激励中可知，只有在激励信号频率远低于谐振频率时，信号频率远低于谐振频率时，Ce=C，电容传感元件本身，电容传感元件本身才可用纯电容表示。才可用纯电容表示。220/11(/)eesC CC CC CCCL Cff 0()ff医学电容式传感器二、电容电场的边缘效应及等位环的应用：二、电容电场的边缘效应及等位环的应用：1、电容电场的边缘效应、电容电场的边缘效应：两极板间的电场线中间部分是均两极板间的电场线中间部分是均匀的，边缘会发生弯曲。这种弯曲与极板厚度、极板间距有匀的，边缘会发生弯曲。这种弯曲与极板厚度、极板间距有关。关。h/d越小，则越小，则f(h/d)越小（表越小（表4-2）200ln161(/)rrrrf h ddrCd （圆形平行（圆形平行板电容器）板电容器）边缘效应因子边缘效应因子 附加电容将引起附加电容将引起传感器灵敏度下降和传感器灵敏度下降和非线性增加。非线性增加。医学电容式传感器等势环2、边缘效应的克服、边缘效应的克服：增大前项，减小后项：增大前项，减小后项（1）极板面积增大，极距减小；）极板面积增大，极距减小；（2）极板厚度减小（如在石英或陶瓷平面上真空镀膜做极板）；）极板厚度减小（如在石英或陶瓷平面上真空镀膜做极板）；（3）加装等势环。等势环安装在固定极板外，与固定极板同心、）加装等势环。等势环安装在固定极板外，与固定极板同心、绝缘、等电势，使边缘电场线平直以得到均匀电场。绝缘、等电势，使边缘电场线平直以得到均匀电场。200ln161(/)rrrrf h ddrCd 医学电容式传感器三、寄生与分布电容：三、寄生与分布电容：1、极板与周围物体间产生的寄生与分布电容、极板与周围物体间产生的寄生与分布电容Cp：电缆寄生与分布电容电缆寄生与分布电容 极板与元件、人体间的寄生与分布电容极板与元件、人体间的寄生与分布电容2、影响：、影响：Cp与传感器电容并联，且随机变化，有时可达传感器电与传感器电容并联，且随机变化，有时可达传感器电容的几倍到几十倍，容的几倍到几十倍，使传感器工作很不稳定，严重影响使传感器工作很不稳定，严重影响输出特性，甚至淹没有用信号。输出特性，甚至淹没有用信号。3、消除方法：、消除方法：改善传感器结构、尺寸：改善传感器结构、尺寸：增加初始电容；传感器与测量增加初始电容；传感器与测量电路装在同一个壳体内，省去电缆引线，或集成于同一电路装在同一个壳体内，省去电缆引线，或集成于同一芯片，构成集成电容式传感器。芯片，构成集成电容式传感器。使用各种屏蔽技术：使用各种屏蔽技术：驱动电缆法、整体屏蔽法等。驱动电缆法、整体屏蔽法等。医学电容式传感器 内屏蔽层内屏蔽层与信号传输芯线通过增益为与信号传输芯线通过增益为1的放大器（驱动放大器）相连而成的放大器（驱动放大器）相连而成为为等电势等电势-消除芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生与分布电容的影响；消除芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生与分布电容的影响；外屏蔽层外屏蔽层接大地接大地-防止外界电场的干扰。防止外界电场的干扰。对驱动放大器的要求对驱动放大器的要求：Ri很高，很高，Ci极小，能驱动大的容性负载，且极小，能驱动大的容性负载，且在工作在工作频率范围内严格实现频率范围内严格实现k=1，输出与输入相移为，输出与输入相移为0（困难点）（困难点）.当传感器的电容值当传感器的电容值很小，而因某些原因很小，而因某些原因（环境、温度等）必须（环境、温度等）必须与测量电路分开时，可与测量电路分开时，可采用此技术。采用此技术。可使电缆可使电缆长达长达10m之远而不影响之远而不影响仪器的性能。仪器的性能。（一）驱动电缆技术（一）驱动电缆技术 （等电势屏蔽法、双层屏蔽电缆技术）（等电势屏蔽法、双层屏蔽电缆技术）医学电容式传感器 差动传感器、测量电桥、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏差动传感器、测量电桥、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来蔽起来-防止外界干扰。防止外界干扰。正确选取屏蔽接地点正确选取屏蔽接地点，可，可减小或消除寄生分布电容减小或消除寄生分布电容Cp的的影响，防止外界干扰。影响，防止外界干扰。（二）整体屏蔽法：（二）整体屏蔽法：将传感器与测量电路、传输电缆将传感器与测量电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来。等用同一个屏蔽壳屏蔽起来。医学电容式传感器 固定极板：厚度固定极板：厚度h；线膨胀系数；线膨胀系数h；绝缘件：厚度绝缘件：厚度b，线膨胀系数线膨胀系数b；可动极板至绝缘层底部的壳体长可动极板至绝缘层底部的壳体长L，线膨胀系数线膨胀系数L。当环境温度为当环境温度为t时，极板间距为时，极板间距为四、环境温度四、环境温度 若传感器各部件材料线膨胀系若传感器各部件材料线膨胀系数不匹配，当温度变化时就会产生数不匹配，当温度变化时就会产生较大的温度误差。较大的温度误差。变极距型变极距型传感器传感器固定极板固定极板可动极板可动极板绝缘件绝缘件壳体壳体dLbh医学电容式传感器0(1)(1)bhbhLbhLLLLLbhLbhdbh固定极板固定极板可动极板可动极板绝缘件绝缘件壳体壳体当环境温度为当环境温度为t时，极板间距变为：时，极板间距变为：(1)(1)(1)tLbhLbdttht由于温度变化而引起的电容量相对误差为：由于温度变化而引起的电容量相对误差为：()(tLbhttLbhddLbhtdddtbhLLbh 消除由温度变化而引起的电容量相对误差的条件为：消除由温度变化而引起的电容量相对误差的条件为：医学电容式传感器*P58例例4-3 下图为一种驱动电缆线路，下图为一种驱动电缆线路，Cx为传感器电为传感器电容，两个放大器的电压放大倍数分别为容，两个放大器的电压放大倍数分别为-A和和-Aa，试求实，试求实现电缆芯线与内屏蔽线等电势的条件。现电缆芯线与内屏蔽线等电势的条件。01020102()(1)11cxiiiiiaaacxUUUUAUA UUA UAUUAUAA 令医学电容式传感器第四节第四节 电容式传感器的医学应用电容式传感器的医学应用医学电容式传感器22300(1)1116xxxrPrCCEh 一、电容式压力传感器及血压测量：一、电容式压力传感器及血压测量：膜片和基座均由熔凝石英制成，工作和参比电极均通过真空镀膜片和基座均由熔凝石英制成，工作和参比电极均通过真空镀膜得到。基座小孔接通大气。膜得到。基座小孔接通大气。极板间距极板间距10m；电容初值：敏感电容电容初值：敏感电容Cx0=112pF、参比电容、参比电容CR0=56pF。等效电路等效电路 当被测血压当被测血压P均匀作用在膜片上时，膜片挠曲变形。均匀作用在膜片上时，膜片挠曲变形。若膜片厚度若膜片厚度h远大于挠曲变形的最大值时，远大于挠曲变形的最大值时，Cx和和P的关系为：的关系为：泊松比；泊松比；E杨氏模量；杨氏模量；rx敏感电容的半径；敏感电容的半径；h-膜膜片厚度片厚度医学电容式传感器Cx采用运算法测量电路：采用运算法测量电路：初始时刻，血压为初始时刻，血压为0 0时，调节电位器时，调节电位器W W使桥路平衡，则输出电压为使桥路平衡，则输出电压为0 0；测量时，在血压压力的作；测量时，在血压压力的作用下，导致桥路不平衡，输出电压为：用下，导致桥路不平衡，输出电压为：000001/RSRXXRXCUCUCCCCU0(V)血压测量范围：血压测量范围：-440kPa（-30300mmHg)，非线性误差非线性误差0.5%代入Cx与P的关系式，可知U0与P成正比。医学电容式传感器（1）电容式微音器（气体浓度比较器）电容式微音器（气体浓度比较器）二、直流极化型电容传感器及呼吸测量二、直流极化型电容传感器及呼吸测量可动电极为可动电极为5-10 m的铝箔，的铝箔，与固定电极构成平行板电容与固定电极构成平行板电容器。器。极距：极距：0.050.08mm电容量：电容量：50100pF光射入接收室光射入接收室气体吸收能量温度升高气体吸收能量温度升高室内压强增大（若两边气体浓度不室内压强增大（若两边气体浓度不等，则左右室压强增量不同，可动极片位移改变电容量）。等，则左右室压强增量不同，可动极片位移改变电容量）。由于辐射光束受测量系统切光片调制，故可动电极也相应以调制频率振动，由于辐射光束受测量系统切光片调制，故可动电极也相应以调制频率振动，气体浓度不同产生的振幅也不同。由于传感器气室内会发生微音，故称为电气体浓度不同产生的振幅也不同。由于传感器气室内会发生微音，故称为电容式微音器。容式微音器。医学电容式传感器（2 2）直流极化电路：）直流极化电路：电容式微应器常与直流极化电路结合使用，又称为直流电容式微应器常与直流极化电路结合使用，又称为直流极化型电容式传感器。极化型电容式传感器。电路采用恒压源电路采用恒压源UsUs。当随时间变化的力或速度作用在极。当随时间变化的力或速度作用在极板膜片上时，可动电极（感压膜片）与固定电极间的距离将板膜片上时，可动电极（感压膜片）与固定电极间的距离将发生变化，发生变化，x=xx=x0 0+x x，则平行板电容器的电容为：则平行板电容器的电容为：000011/rACCxxx x（此式与书上不同，书上是（此式与书上不同，书上是C）医学电容式传感器1 1、若、若 ，则，则很大（相当于积分电路）很大（相当于积分电路）R 0000/(1/)(1)sCSC UqUCCx xxUx传感器工作特性取决于传感器工作特性取决于RCRC回路的回路的时间常数时间常数:(=RC):(=RC)一旦电容上电荷直流极化稳一旦电容上电荷直流极化稳定后定后电容器电荷很难放电，可电容器电荷很难放电，可视为常数。视为常数。对于交流输出，电容器两端的电压就是电阻对于交流输出，电容器两端的电压就是电阻R两端的电压，两端的电压，故故以电阻两端电压作为输出，适于测位移变化。以电阻两端电压作为输出，适于测位移变化。00RRSSUxxUUxUx（此式与书上有所不同）（此式与书上有所不同）医学电容式传感器0000()()SSSSd CUdqdCiUdtdtdtC UC Udxvxdtx 2 2、若、若 ，则则很小（相当于微分电路）很小（相当于微分电路）0R 以回路电流作为输出，以回路电流作为输出，适于测量速度适于测量速度 回路电流为：回路电流为：电容器上的电压电容器上的电压UCUS，此，此时电容器上的电荷为：时电容器上的电荷为：00(1/)SsCqCUUx x医学电容式传感器三、电容位置传感器及心电图测量三、电容位置传感器及心电图测量 输出电压与传感器电容输出电压与传感器电容C成正比，成正比，即与可动电极的位置转角成正比。即与可动电极的位置转角成正比。0(/)(/)SScfcfUZZ UC CU（1）电容描笔位置传感器：）电容描笔位置传感器：由发送片、接收片和由发送片、接收片和屏蔽片组成，发送片和屏蔽片组成，发送片和接收片固定，接地的屏接收片固定，接地的屏蔽片处在二者之间，并蔽片处在二者之间，并与笔线圈转轴相连，为与笔线圈转轴相连，为可动电极。可动电极。发送片与稳幅高频信号发送片与稳幅高频信号源相连，接收片接运放。源相连，接收片接运放。通过屏蔽片改变极板面通过屏蔽片改变极板面积来转换信号。积来转换信号。当笔线圈带动屏蔽片转当笔线圈带动屏蔽片转动时，发送片和接收片动时，发送片和接收片间电容的有效面积改变，间电容的有效面积改变，从而使运放的输出电压从而使运放的输出电压随屏蔽片的转角成线性随屏蔽片的转角成线性变化。变化。医学电容式传感器*（2 2）电容式位置反馈心电图机的原理电路）电容式位置反馈心电图机的原理电路：传感器输出的高频电传感器输出的高频电压与位置成正比，经压与位置成正比，经检波器恢复成与角度检波器恢复成与角度成正比的直流电压成正比的直流电压（其值的大小决定了（其值的大小决定了心电图机的量程）。心电图机的量程）。速度反馈信号只影响速度反馈信号只影响系统的动态品质。系统的动态品质。当位置信号不等于心当位置信号不等于心电信号时，记录笔就电信号时，记录笔就由误差信号推动而偏由误差信号推动而偏转，转到两值相等为转，转到两值相等为止。这时功放的输出止。这时功放的输出电流为电流为0，记录笔自记录笔自动保持在平衡位置上。动保持在平衡位置上。医学电容式传感器本章教学总结本章教学总结1、基本工作原理、类型、结构及特点；、基本工作原理、类型、结构及特点；2、电容式传感器的测量电路（掌握调幅测、电容式传感器的测量电路（掌握调幅测量电路）；量电路）；3、电容传感器的误差分析（熟悉）；、电容传感器的误差分析（熟悉）；4、电容式传感器的医学应用（熟悉）；、电容式传感器的医学应用（熟悉）；5、例题。、例题。