变极距型电容传感器.pptVIP

第3章 生物医学传感器基础 常向荣 changxiangrong@163.com 3.5 电容式传感器及其医学应用 （1）电容式测厚仪: 测量金属带材在轧制过程中厚度 （2）电容式转速传感器 要求掌握 电容计算公式 电容传感器的基本原理 变面积型传感器测位移量 变极距型电容传感器测位移量 变介质型电容传感器测位移量 作业： 电容式传感器测量角位移，公式推导，灵敏度推导。 电容式传感器是一种将被测非电量(例如位移、速度和微小压力等)的变化转换为电容量变化的传感器件。 电容式传感器输出是电容的变化 其主要优点是分辨率高，结构简单和可非接触测量等。 介绍电容式传感器原理、特点及其测量电路,在生物医学工程和人体信息检测中的应用。 3.5.1 电容式传感器基本原理 平板电容器构造 两金属极板用介质隔开,构成一简单的电容。忽略极板边缘效应，电容量C表示： ? 板间介质的介电常数 ?0 真空介电常数，?0=1/3.6π(PF/cm2) ?r =?/?0 介质的相对介电常数 （对于空气介质 ?r ≈1）。 若A、d、ε三个参数中任意一个发生变化,都会引起电容的变化,通过测量电路可转换为相应电量输出,这是电容式传感器基本原理。 电容式传感器可以分为三种类型： 变面积式:改变极板面积A； 变极距式:改变极板距离d； 变介电常数式:改变介电常数? 。 3.5.2 变面积型电容传感器 变面积型电容传感器的原理图 (a)变面积型 (b)差动变面积型 设两极板间覆盖面积A=L×b,当设定传感两极板间距d和介电常数?r为常数时, 改变L,可以改变电容量 初始电容: 若电容传感器上极板可动,下极板固定 设定动极板相对定极板向右(或向左)平移ΔL时,其电容C与ΔL为线性关系: 电容的相对变化量为: ΔC/C0 = ΔL/L ΔC与ΔL(动极板的位移)呈线性关系,变面积型电容传感器的输出特性为线性。 灵敏度S: S = ΔC/ΔL = ε0εr b/d 减小极距d,提高灵敏度。 用于测量直线位移和角位移。ΔL不能太大,否则边缘效应增加,产生非线性。 差动式变面积型传感器特点： 有3个电极,上面的为可动电极,也是公共电极,它与两个固定电极分别形成电容C1和C2 当可动电极向右(或向左)移动时,电容C1减小(或增加),而电容C2增加(或减小),差动输出灵敏度提高,非线性得到改善,克服极板的边缘效应，获得较大直线位移或角位移测量。 初始位置必须保持可动极板与两固定极板构成的电容C1和C2为相同值。 3.5.3 变极距型电容传感器 结构图 上极板为固定极板；下极板为动极板（动片）。 动极板随被测参数的改变上下移动时，极距d改变，引起电容量的变化。 初始电容（未移动时）为 C0 = ? A/d=ε0εr A/d 动极板上下移动Δd ,则电容C变为： 电容的相对变化量为: 变极距电容传感器输出特性C=f(d)是非线性的,为双曲线函数关系,如图 满足微小变化条件：Δd/d《 1 , 则上式可用级数展开： 设定Δd/d为0.02～0.1，可略去高次项,得到线性关系： ΔC/C0 ≈ Δd/d 灵敏度(线性）: S=ΔC/Δd = C0 /d = ε0εrA/d2 如果考虑二次项,其相对非线性误差为: 变极距型电容传感器（总结） ①? 变极距型电容传感器在Δd/d很小时,才有近似线性输出,因此,适用于微米(μm)级位移测量。 ②? 传感器的灵敏度S与初始极距d的平方成反比,故可采用减小d的办法来提高灵敏度,但又影响线性。在设计时采用折中办法解决, 例如电容式压力传感器,取d=0.1～0.2mm,C0在20～100PF之间,由于分辨力极高,可测小至0.01μm的位移。 变极距型电容传感器 ③ 为了克服非线性和提高灵敏度之间的矛盾,可采用差动式结构。 变极距型差动电容传感器结构: 动极板置于两定极板1,2之间, 初始位置时dl = d2 = d,两边初始电容相等。 当动极板向上移Δd时,两边极距变化为: d1= d–Δd , d2= d+Δd 若Δdd,上两式可按级数展开： 差动输出，电容总的变化量为: 此时电容总的相对变化量为: 忽略高次项,电容传感器的线性关系 ΔC/C0 = 2Δd/d 其灵敏度: S = ΔC/Δd = 2 C0/d 与单臂结构电容传感器比较,差动式结构电容传感器灵敏度提高