生物医学传感器电容.ppt

为使桥路平衡，在四个桥臂上必须接入两个电容（一个单极电容传感器和一个固定电容，或接入差动电容传感器）。另外两个桥臂接入其他阻抗元件，如：两个电阻、两个电感或是两个电容。当桥臂上接入不同的阻抗元件时，电路的灵敏度不同，一般有0.25、0.5、1，输出信号相移有0°、±90°、±180°。 变压器式电桥 即输出电压 与位移△d成线性关系 正负半周分析： 正半周：C1充电，电流顺时针； C2放电，电流逆时针 负半周： C2充电，电流逆时针； C1放电，电流顺时针 若C1 = C2，则电流抵消，若C1 ≠C2，则RL有信号输出 二极管双T形交流电桥 脉冲调制电路 运算放大器电路 调频电路 特点： 转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。 具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。 但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。 第三节 电容传感器的误差分析 温度的影响 边缘效应的影响 寄生电容、分布电容的影响 温度对结构尺寸的影响 电容传感器由于极板间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感 在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极板间隙发生较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。 在设计电容式传感器时，适当选择材料及有关结构参数，从而实现温度误差的补偿。 温度对介质的影响 温度对介电常数的影响随介质不同而变化，空气及云母的介电常数温度系数近似为零，而某些液体介质，如硅油、医麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数的温度系数可达0.07%/℃，若环境温度变化℃，则将带来7%的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。 温度影晌 减小温度影响措施： ① 一般尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料。如绝缘材料采用石英、陶瓷等，金属材料选用低膨胀系数的镍铁合金。或极板直接在陶瓷、石英等绝缘材料上蒸镀一层金属膜来代替。 ② 采用差动对称结构，并在测量线路中对温度误差加以补偿。 边缘效应 当极板厚度与极距之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。 危害：边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。 消除措施：1.增大初始电容 2.加装等位环 带有保护环的电容传感器原理结构 寄生电容的影响 ?产生原因 极板与周围物体及电缆本身均产生电容，与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性。 ?消除措施 1.整体屏蔽法 整体屏蔽的关键在于正确选取接地点。整体屏蔽法是一种较好的方法，但将使总体结构复杂化。 但仍存在问题： (1)当屏蔽线很长，其本身电容很大，且大于传感器电容量，导致传感器灵敏度下降； (2)电缆电容量因放置位置和形状的不同而不同，造成传感器特性不稳定。 一种等电位屏蔽法，是解决电缆电容影响问题的有效办法。在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，这种接法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响，并接入增益为1的驱动放大器。 优点：消除了芯线对内屏蔽层的容性漏电，克服了寄生电 容的影响；驱动放大器是一个输入阻抗很高、具有 容性负载、放大倍数为1的同相放大器。 缺点：要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且输出 与输入的相移为零。 2.驱动电缆法 驱动电缆法原理 结论： 注意传感器的接地和屏蔽 增加原始电容值，降低容抗 导线分布合理 尽可能一点接地 尽量采用差动式电容传感器 C1+c2 * 第四章 电容式传感器 生物医学工程系 医用传感器原理及应用 优点： 1.测量范围大：相对变化量可达100%。 2.灵敏度高：可达10-7。 3.动态响应时间短：可动部件质量小，固有频率高，适合于动态信号的测量。 4.机械损失小：电极间引力小，无摩擦，热效应小，因此，精度高。 5.结构简单，适应性强：金属做电极，无机材料绝缘支撑，能承受大的温度变化和强辐射，适合于恶劣环境工作。 1.寄生电容影响大：导线电容、泄露电容。降低了灵敏度，非线性输出，甚至不稳定。 2.当用变间隙原理进行测量时，具有非线性输出特性。 缺点： 应用： 压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。 第一节 电容式传感器的工作原理 平板电容 同轴圆柱型电容 第二节??? 电容式传感器的类型及特性 变面积式 3.1 基本工作原理 （1）平面线位移型：当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的遮盖面积S ，电容量C同样随之变化。 a）直线位移式 因此， 与位移 呈线性关系。 变面积型电容传感器 3.1 基本工作原理 θ 定片 动片 （b）角位移式 因此，