4.電容式傳感器

1、第四章電容式傳感器及其醫(yī)學應用,,電容式傳感器(capacitance sensors)是一種將被測非電量的變化，例如位移、速度和微小壓力等，轉換為電容量變化的傳感器件。電容式傳感器的主要優(yōu)點是分辨率高，結構簡單和可非接觸測量等。電容式傳感器不僅用于位移，振動，角度和力的精密測量，而且還可以用于液面高度和溶液中成分含量的非接觸測量。,電容式傳感器基本原理,平板式電容傳感器： 由兩塊平板形電極和極板間

2、絕緣介質(zhì)構成，當忽略極板邊緣效應，電容量可用下式表示,式中，C 為電容量(pF)A 為極板相互覆蓋面積(cm2 )d 為兩極板間的距離(cm)? 為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)?0 為真空介電常數(shù)， ?0=1/3.6π(PF/cm2 )?r 為極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)（對于空氣介質(zhì) ?r ≈1）,?r=?/?0 。,,2. 同心圓筒形電容傳感器：,忽略了邊緣效應: L >> (R – r ),電容式傳感器的感測原理,感

3、測原理：當被測量引起A、d、ε三個參數(shù)中任意一個發(fā)生變化, 都會引起電容量的變化，通過一定測量電路可將電容轉換為相應的電壓輸出。電容式傳感器可以分為三種結構類型：改變極板面積的變面積（A）式；改變極板距離的變極距（ d）式和改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)（? ）式。,變面積型電容傳感器,(a) 變面積型 (b) 差動變面積型 圖3.5.2-1變面積型電容傳感器原理圖,變面

4、積型 (b) 差動變面積型 變面積型電容傳感器原理圖,電容的相對變化率為:,電容傳感器的靈敏度定義是電容變化與位移變化的比。靈敏度S為,變面積型電容傳感器適用于測量直線位移和角位移。,設動極板向右(或向左)平移ΔL時,其相對應的電容為:,,變面積型電容傳感器的計算：初始電容值：,角位移傳感器 模型：兩半圓形板極(定板極和動板極)的間距為d , 面積均為A ，可繞

5、同圓心轉動，其夾角為θ。,C1（ΔC）與θ（角位移）成線性關系。,變面積型電容傳感器可動極板移動距離ΔL不能太大，否則邊緣效應增加，產(chǎn)生非線性，影響測試精度。差動式變面積型傳感器可提高靈敏度和克服極板的邊緣效應，改善非線性。這種傳感器設計時必須保持可動極板初始位置與兩個固定極板構成的電容C1和C2為相同值。變面積型電容傳感器并不用于位移的測量精密，而用于測量一般精度要求的位移。,變極距型電容傳感器,假設兩極板初始未移動的電容量為

6、 C0 = ? A/d=ε0εr A/d可動極板上下移動Δd ,則電容C變化為：電容的相對變化量為:,變極距型傳感器,變極距型電容傳感器的非線性特性,變極距型電容傳感器只有當Δd/d很小時，其非線性誤差減小，才能有近似線性輸出，因此它適用于微米(μm)級的變化位移測量。減小d可提高靈敏度，但又會影響線性度。,相對非線性誤差,變極距型差動電容傳感器,其靈敏度為:S = ΔC/Δd = 2 C0/d

7、 其相對非線性誤差為:,差動式結構比單個電容傳感器靈敏度提高了一倍,而非線性誤差也按平方關系減少。差動式結構具有更好的線性關系。,變極距型差動電容傳感器的應用,電容式壓差變換器,測量呼吸的流量大小和呼吸氣流極性等參數(shù) 中間的高靈敏度的膜片上安置的電極片為動片，另外兩定片和動片組成差動電容傳感器。接交流電橋進行測量,變介質(zhì)型電容傳感器,變介質(zhì)型電容傳感器是通過改變介電常數(shù)ε實現(xiàn)測量的。利用各

8、種介質(zhì)的介電常數(shù)是不同的，改變介質(zhì)或改變介質(zhì)的有效量將會引起電容大小的變化。例如水的相對介電常數(shù)?r為80；甲醇為37；乙醇為20～25；鹽為6；云母為6～8；玻璃為3.7；塑料為1.8～2.2；液態(tài)空氣為1.5；真空為1等。在電容器兩極板加以空氣以外的其他介質(zhì)，當它們之間的介電常數(shù)發(fā)生變化時，電容量也隨之改變。這種傳感器常用來檢測容器中的液面高度，片狀材料的厚度和位移等。,無介質(zhì)塊時電容為C0 ，介質(zhì)塊移入x后的電容為,,變介

9、質(zhì)式電容傳感器,其中b為極板寬度。,：,所以,,表明電容大小與介質(zhì)塊移入電容距離x成線性比例關系。,變介質(zhì)型電容傳感器應用,假設在兩個同心圓柱形極板1和極板2中放入被測介質(zhì)，若容器內(nèi)液體介質(zhì)的介電常數(shù)為?1，容器內(nèi)氣體介電常數(shù)為?0，當容器內(nèi)液面高度發(fā)生變化時，極板1和2之間的電容量就要發(fā)生變化。,電容C與高度x為成線性比例關系。由此實現(xiàn)了對液面高度的測量。,多層電容傳感器,由于單層平板式電容的容量較小，所以實際應用中常常采用多片重疊極

10、板并將其并聯(lián)，以增大容量。如收音機的調(diào)諧電容等。,電容傳感器的測量電路,電容傳感器的輸出電容變化值一般都很小，在幾PF到幾十PF范圍內(nèi)，對于如此微小電容必須借助測量電路,將其轉換成與其測量值成正比的電壓、電流或者頻率信號等，才能進一步處理，包括記錄和傳輸?shù)取?交流電橋(alternating current bridge)是電容傳感器最基本的一種測量電路，其作用與電阻傳感器的直流電橋一樣，是將微弱的電容變化量轉換為電壓和電流。,交流電

11、橋,交流電橋采用交流穩(wěn)壓源Us，電橋四個臂是阻抗。設Z1為變極距型電容傳感器阻抗,另外三個臂Z2、Z3、Z4為固定阻抗,,Uo為電橋輸出電壓，圖中所示極性為設定的電壓參考方向。設交流電橋初始條件為平衡狀態(tài),且輸出端開路（無窮大負載）,則:Z1 Z4 = Z2 Z3 此時，輸出電壓為Uo=0。,= 0 。,,當被測參數(shù)變化引起電容傳感器阻抗Z1變化△Z,于是橋路失去平衡,其輸出電壓為:,設橋臂比n=Z2/Z1=Z4/Z3,由于ΔZ&

12、lt;<Z1,分母中ΔZ/Z1可忽略，將電橋的平衡條件Z1 Z4 = Z2 Z3代入上式可得,(1)傳感器阻抗相對變化比率β:(2)橋臂比n:(3)橋臂系數(shù)K:,,試估算下面幾種電橋的輸出電壓？,,上述電橋電路分析的前提是在輸出端開路情況下進行的，但實際上由于負載阻抗的存在會使輸出電壓偏小，達不到理論計算結果。同時，電橋輸出為交流信號，這里分析只是在設定的參考方向(或參考極性)下進行的，故不能判斷傳感器輸入信號的極性

13、。因此電橋輸出信號須經(jīng)過交流放大器后，采用相敏檢波電路進行檢波，再用低通濾波器才能得到反映輸入信號極性的輸出信號。,電容電橋平衡條件為,其中，d1和d2為差動電容的平衡極距。當差動電容的動極板移動Δd時，根據(jù)差動電容電橋輸出得到,差動變間距型電容傳感器，輸出電壓Uo與極距變化量Δd成線性關系。相敏檢波器是一個同步檢波，檢出被測量的變化（調(diào)制信號），參考電壓有交流振蕩器提供。注意:(a)上述討論是在理想電容元件情況下進行的，實際上傳感

14、器存在寄生電容和漏電阻，將會引起了輸出特性的非線性。而且使靈敏度下降。(b)為了保證線性，要求交流電源是穩(wěn)頻穩(wěn)幅的，而且前置放大器輸入阻抗很高。,信號的調(diào)制與解調(diào),解調(diào)技術,整流檢波解調(diào)相敏檢波解調(diào),相敏檢波電路的分析,調(diào)制信號,參考信號,,,運算放大器式測量電路 克服變極距電容傳感器的非線性,因為固定電容C0 為常數(shù)值，設所用的變極距式電容傳感器 Cx = ?A/d

15、，則,,雖然變極距式電容器是一個非線性元件，但采用運算放大器式測量電路后，輸出電壓與極距d（動極板的輸入位移）成線性關系。,諧振法測量電路,諧振法是一種簡單的測量方法，利用 LC諧振電路在諧振點附近的電壓—電容特性來檢測出電容增量。次級端，根據(jù)克?；舴螂妷憾捎?電路的輸出信號是激勵源同頻率、幅度受非電量調(diào)制的調(diào)幅波。,電容式傳感器的應用舉例,電容式陣列觸覺傳感器 觸覺是構成智能機器人的核心技術-感覺技術的重要組成部分目前觸覺傳感

16、器按照其敏感材料、感知機理大致可分為六種:機械式、壓阻式、電容式、壓電式、磁電式和光電式。,電容式觸覺陣列傳感器的設計,原理：變極距式電容傳感器通過受力使導電板間的相對位移發(fā)生變化，從而使電容發(fā)生變化，通過檢測電容變化量來測量受力的大小。垂直交叉電極的陣列設計采用垂直交叉電極的形式?？梢詼p少引線的數(shù)目,通過對電容陣列傳感器的行、列掃描來確定受力點的位置。,8x8電容陣列式傳感器,上層是帶有條型導電橡膠電極的硅橡膠層；中層是聚胺脂泡

17、沫作介質(zhì)；下層是帶有條形下極板的印刷電路。電路板一端有一個16腳的針式插座，上下極板的所有引線將與此插座相連,傳感器的整體進行封裝。,電容陣列觸覺傳感器的測量原理,采用運算放大器測量電路，對于電容值小的電容傳感器的檢測是合適的，而且能得到較好的線性輸出。,電容測量的運算放大器電路,實際電容測量的等效電路Rxij—被測單元的漏電阻Cu—被測單元與其他相鄰單元的分布電容Rop—運放的輸入阻抗G—運放的增益,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構,,電容

18、式微音器(microphone) 原理： 采用直流電源激勵，靠振動膜與基板之間的距離導致電容變化，從而產(chǎn)生電壓的變化。,設靜態(tài)時，極間距為X0，電路里沒有電流流過，V1等于E。 動態(tài)時，電容變化，產(chǎn)生了輸出電壓，V0=V1-E， V0與X之間的關系如下： 當ωt>>1時，則V0(jω)/X1(jω)=E/x0,等于常數(shù)，當ω是低頻時，V0降低，當ω=0時，V0=0，呈現(xiàn)高通特性。電路特性決定微音器適合

19、測量高于20Hz的聲壓，但不適宜測量有低頻成分的生理信號。,式中：,電容式心音傳感器,心音是由于心臟瓣膜關閉和血液撞擊心室壁引起的振動所產(chǎn)生的，可在胸壁的一定部位上用心音傳感器獲取，稱心音圖(Phonocardiogram）。,電容式心音傳感器的結構,當心音的振動波壓迫膜片式動片前后移動，兩個極板的極距發(fā)生變化，引起電容的變化。通過電容測量電路實現(xiàn)心音測量。由于電容式傳感器具有無接觸測量的優(yōu)點，利用這一特點可測量心音，脈搏，心尖搏動和

20、胸壁傳運動等。電容傳感器是較好的一種心音傳感器,靈敏度高,頻響可達3-800Hz。,心音傳感器結構,測量電路,心音測量系統(tǒng)的結構,第一心音主要成分為70-100Hz第二心音約為100-150Hz，第三和第四心音為極弱的低頻振動,一般為30Hz以下。心雜音多分布在100-600Hz之間，通過濾波可加以區(qū)分。,思考題：,麥克風的工作原理及其性能特點？ 至少說出兩類以上。耳機的工作原理及其性能特點？至少說出兩類以上。以上問題請大

21、家上網(wǎng)搜索相關信息，給出解釋,電容式血壓傳感器,用于血壓測量的變極距式電容傳感器,它是由熔凝石英晶體制成。膜片厚1.25mm,基座厚6.4mm,在基座表面上用等離子浸蝕方法得到的腔室作為電容傳感器的間距。此腔室通過基座排氣孔接通到大氣。 腔內(nèi)的電極都通過真空鍍膜方法得到。參比電容CR與敏感電容CS串聯(lián)排列，便于組成補償電路。,血壓測量的數(shù)學模型,由圖可見,當被測血壓P均勻作用在膜片上時，膜片撓曲變形，若膜片厚度h 遠大于撓曲變形的

22、最大值，即圓心處的撓曲變形，可得到其敏感電容CS為：其中P為壓力，C0為未受壓的靜態(tài)電容,r0為敏感電容CS的半徑，E為揚氏模量，μ和ε分別為材料的泊松比和介電常數(shù)。,電容傳感器的測量電路,,將P與Cs和CS0的關系代入，得到輸出電壓Uo與被測壓力P呈現(xiàn)成正比的關系,輸出特性呈線性。,作業(yè)：分析該電路，并推導U0和Us關系,電容式血壓傳感器的優(yōu)點及應用,由于傳感器采用了熔凝石英作為傳感器膜片和基座材料，因此，傳感器具有很好的穩(wěn)定