醫(yī)學(xué)第四章電容式傳感器

1、第四章第四章 電容式傳感器電容式傳感器 作用： 電容的 變化 非電量的變化 （位移、振動(dòng)、加速 度、力、厚度、濕度、 成分分析等) 電容式傳感器 類型：類型： 1、變間距型 2、變面積型 3、變介電常數(shù)型 第一節(jié)第一節(jié)基本工作原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)基本工作原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 基本原理：基本原理： ? 平板形電容器 0rS S C dd ? ? ? ?傳感器類型：變面積型、變間距型、變介電常數(shù)型 當(dāng)三個(gè)參數(shù)d、S、中任意一個(gè)變化時(shí)，C都會(huì)變化；若保持其中的 兩個(gè)參數(shù)不變，僅改變一個(gè)參數(shù)，并使該參數(shù)與被測(cè)量之間存在某種一一 對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，則被測(cè)量的變化就可直接由C的變化反映出來。 把兩塊金屬極板用介質(zhì)隔

2、 開就構(gòu)成簡(jiǎn)單的電容器，當(dāng) 忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，電容量為： 12 0 (8.854 10/)F m? ? ? 一、變間距型電容傳感器一、變間距型電容傳感器 1、電容的變化： 00 0 1/ rS C CCC ddd d ? ? ? ? ? ? ? 0 1 (1/) Cd Cdd d ? ? ? ? ? 輸出特性是非線性的 0 0 rS C d ? ? ? 000 1 1/ dd CCCCC dddd d ? ? ? ? ? ? 0 23 /(1/ ) 1()() Cd d d Cd dddd dddd ? ? ? ? ? ? ? 2 、靈敏度 2 00 / r kCdCdS d? ? ? ，則/1

3、 dd?=通常 0 /C Cd d?若只考慮一次項(xiàng)，則： 即傳感器的輸出特性近似為線性。此條件下傳感器的靈敏度為： 3 、 線性度（相對(duì)非線性誤差）： 2 /100%/100%d dd dd d? ? ? 0 /(1/ ) d C Cd d d ? ? 若考慮線性項(xiàng)和二次項(xiàng)，則： 適用于微米級(jí) 的位移測(cè)量 0 /C Cd d? 若只考慮一次項(xiàng)，則： 由此得到其相對(duì)非線性誤差為： 2 00 / r kCdCdS d? ? ? 2 /100%/100%d dd dd d? ? ? 討論：靈敏度與非線性 （1）變間距型電容式傳感器的非線性與極板間距d成反比， 只有在d/d很小時(shí)，才有近似的線性輸出，

4、故適用于小范 圍（微米級(jí)）的位移測(cè)量； （2）采用減小初始極板間距d可大幅度提高靈敏度，但d 的減小，一是將增大非線性，二是也會(huì)受到電容器擊穿電 壓的影響，對(duì)加工精度的要求也更高。 （3）實(shí)際應(yīng)用中，為了克服非線性與提高靈敏度之間的矛 盾，傳感器大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。 三個(gè)極板構(gòu)成兩個(gè)電容器， 上下兩極板固定，中間極板可 動(dòng)。初始極距為d1=d2=d，初 始電容均為C0 4、差動(dòng)式結(jié)構(gòu)、差動(dòng)式結(jié)構(gòu) ： 00 2 22 r CSC k ddd ? ? ? ? 24 0120 /()/21()().2 dddd C CCCC dddd ? ? 32 2(/) / 2/100%(/)100%d dd

5、dd d? ? 23 0 101 ()() 1/ Cddd CC d dddd ? ? ? ? 23 0 201 ()() 1/ Cddd CC d dddd ? ? ? ? 靈敏度提高一倍，非線性 大為減小。 二、變面積型電容傳感器：二、變面積型電容傳感器： 1、初始電容： 00 0 rr SL b C dd ? ? ? ? 2、電容的變化： 0 000 () (1) r LL bLL CCCCCC dLL ? ? ? ? ? 0 CL CL ? ? 用于測(cè)量直線位 移（cm級(jí)）和角 位移（幾十度）。 3、靈敏度： 0rb C k Ld ? ? ? ? 輸出特性是線性的，靈敏度為 一常數(shù)。b

6、或d，則K 4、差動(dòng)式變面積型傳感器：、差動(dòng)式變面積型傳感器： 差動(dòng)式結(jié)構(gòu)：有3個(gè)極板，上面的可動(dòng)極板 為公共極板，它與下面兩個(gè)固定極板分別形 成電容C1和C2，當(dāng)可動(dòng)極板向右（左）移 動(dòng)時(shí)，C1和C2一增一減，差動(dòng)輸出。 為了提高靈敏度，克服極板的邊緣效應(yīng)，改善非線性， 也可采用右圖差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。 通過改變極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)r來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。此 類傳感器大多用來測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位、液量， 還可根據(jù)r隨溫度、濕度、容量改變來測(cè)量溫度、濕度、容 量等。 1、電容式濕度計(jì)： ?電容極間介質(zhì)：高分子聚合膜材料 ?濕度：濕度：指大氣中所含的水蒸氣量。 ?絕對(duì)濕度：指某一特定空間水蒸氣的絕對(duì)含

7、量，可 用kg/m 3或水的蒸氣壓表示； ?相對(duì)濕度：指某一待測(cè)蒸氣壓與相同溫度下的飽和 蒸氣壓之比的百分?jǐn)?shù)。 三、變介電常數(shù)型電容傳感器三、變介電常數(shù)型電容傳感器 2 、平板型線位移傳感器： 01010 120 01 011001 01 )() = () Lx bdCxb CCCCx dd dddd L ? ? ? ? ? ? ? （ 1010 1001 () () dCC k xdd L ? ? ? ? ? 00 0 01 SLb C ddd ? ? ? S L b? ? 無(wú)介質(zhì)1時(shí)的 電容為： 平行板面積為： 插入介質(zhì)1時(shí)的電容器等效為右圖，電容和靈敏度分別為： （C與x與線性關(guān)系） 1

8、0 21 2 ()/ln(/ ) 2/ln(/ ) CHhR r ChR r ? ? ? ? ? 010 12 22 () ln(/ )ln(/ ) H CCKB R rR r Chh ? ? ? 3 、圓筒式液位傳感器：、圓筒式液位傳感器： 由兩個(gè)同軸圓筒狀電極板 構(gòu)成。電容器高H，內(nèi)筒外徑r, 外筒內(nèi)徑R，液面高度h，液體 和氣體的介電常數(shù)分別為1、0. 00 2/ln(/ )CHR r? 無(wú)液體時(shí)的電容： 有液體時(shí)： 電容器的電容C與液面高度h成線性關(guān)系，可用此方便地 測(cè)量或監(jiān)控液面的高度。 儲(chǔ)存罐 R1 傳感器 P47例4-1 置于某儲(chǔ)存罐的電容式液位傳感器 由半 徑為20mm和4mm

9、的兩個(gè)同心圓柱體組成，并與儲(chǔ) 存罐等高。儲(chǔ)存罐也是圓柱形，半徑為 25cm，高為 1.2m，被儲(chǔ)存液體的r=2.1。試計(jì)算傳感器的最小 電容和最大電容以及傳感器用在該儲(chǔ)存罐內(nèi)時(shí)的靈 敏度。 解： 12 12 0 min 33 22 3.14 8.85 101.2 41.5 10( )41.5 ln(/ )ln(20 10/4 10 ) H CFpF R r ? ? ? ? ? ? ? 12 12 1 max 33 22 3.148.85 102.1 1.2 87.1 10( )87.1 ln(/ )ln(20 10/4 10 ) H CFpF R r ? ? ? ? ? ? ? 22243 (

10、25 10 )3.14 1.22355 10 ()235.5VRHmL? ? ? 罐 maxmin87.141.5 0.19/ 235.5 CCpFpF kpF L VL ? ? 第二節(jié)第二節(jié)電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路 主要有三大類型： ? 調(diào)幅：用被測(cè)量調(diào)制測(cè)量電路中輸出量幅度的電路。 最基本且最具有代表性的就是交流電橋測(cè)量電路。 ? 調(diào)頻：用被測(cè)量調(diào)制測(cè)量電路中輸出量頻率的電路。 ? 脈沖：用被測(cè)量調(diào)制測(cè)量電路中脈沖輸出量的電路。 一、調(diào)幅測(cè)量電路一、調(diào)幅測(cè)量電路 1、交流電橋： （1）電路介紹：Z1為電容傳感器，Z2、Z3、Z4為固定阻抗， Us為電源電壓（設(shè)內(nèi)阻為0）

11、，U0為電橋輸出電壓。因?yàn)橐话?電橋輸出端都接入運(yùn)放，所以可視其輸出端為開路。 ? 電橋初始處于平衡狀態(tài)，且輸出端 開路，有Z 1 Z 4 =Z 2 Z 3 ，輸出為0； ? 當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，引起Z1的變化， 輸出電壓為： 31 0 1234 () s ZZZ UU ZZZZZ ? ? ? ? ? gg 31 0 1234 112 2 12 2 1 () (/)(/) (1/) (1) s s ss ZZZ UU ZZZZZ Z ZZ Z Z Z nZ K nZ U UU ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? gg 設(shè)電橋初始為平衡（Z 1 Z 4 =Z 2 Z 3 ），且Z

12、Z1， 則 2 (1) n K n ? ? 稱為電橋的橋臂系數(shù) 1 = Z Z ? ? 稱為傳感器阻抗相對(duì)變化率 n=Z1/Z2 稱為橋臂比 ， 是一個(gè)實(shí)數(shù)，且與C近似呈線性關(guān)系。 1 11 () 1/ ZCCj CjCC Zj CCCC ? ? ? ? ? ? ? ? ? /1Z Z? ?-傳感器阻抗相對(duì)變化率（1） 12 1212 / jjj nZ ZZ eZ eae ? ? 12 /aZZ? 12? 1/23/4nZ ZZZ? - 橋臂比（2） 2 2 2 (1)sin arctan( , ) 2(1)cos a f a aa ? ? ? ? ? ? 2 ( , ) (1) j n KK

13、 ef a n ? ? ? - 橋臂系數(shù)（是一復(fù)數(shù)）（3） 1 2 ( , ) 12 cos a Kf a aa ? ? ? ? （n是一個(gè)復(fù)數(shù)，是信號(hào)頻率的函數(shù)） （2）電橋性能分析： 圖a示出了對(duì)于不同的 ， K與a 的關(guān)系曲線。 12 / j nZZae ? ? j KK e ? ? 為最大值當(dāng)a=1，K m K m K 又隨而變化 圖a 1 2 ( , ) 12 cos a Kf a aa ? ? ? ? 當(dāng)a=1時(shí)，若=0，Km=0.25 ,輸 出電壓與電源電壓同相位； 若 =90 ，Km=0.5 ， 輸出信 號(hào)有90 相移 ； 若=180 ，Km，此時(shí)電橋發(fā)生諧 振，輸出電壓趨于無(wú)

14、窮大。 0s UKU? gg 2 2 2 (1)sin ( , )arctan 2(1)cos a f a aa ? ? ? ? ? ? 當(dāng)a=1時(shí)，始終為0，則輸出與 電源電壓同相； 當(dāng)a時(shí)， =（最大值）； 當(dāng)=0時(shí)，則=0，即當(dāng)橋臂Z1、 Z2是相同性質(zhì)元件時(shí)，無(wú)論a為任何 值，輸出與電源電壓同相位。 圖圖b: 示出了對(duì)于不同的，與a的關(guān)系曲線 12 / j nZZae ? ? j KK e ? ? 0s UKU? gg 交流測(cè)量電橋的設(shè)計(jì)要求與特點(diǎn)：交流測(cè)量電橋的設(shè)計(jì)要求與特點(diǎn)： （1）為了使橋路平衡，在四個(gè)橋臂中必須接入兩個(gè)電容 （一個(gè)單電容式傳感器和一個(gè)固定電容，或接入差動(dòng)型電 容

15、傳感器），另外兩個(gè)橋臂接入其他類型的阻抗元件（如 兩個(gè)電阻、兩個(gè)電感、兩個(gè)電容）； （2）交流不平衡電橋不宜于作為單電容式傳感器的測(cè)量電 路。如在對(duì)稱平衡條件（ Z1=Z2 ， Z3=Z4 ）下，分母中 的Z/2Z1為橋路結(jié)構(gòu)引入非線性因素，即使是線性傳感器。 （3）對(duì)于Z1、Z2為電容，另外兩臂由任意阻抗元件組成 的電橋，輸出相移為零時(shí)，橋臂系數(shù)最大為0.25；對(duì)于電 容式傳感器與電阻構(gòu)成的電橋，其橋臂系數(shù)最大為0.5，此 時(shí)輸出信號(hào)有90 相移；對(duì)于電容式傳感器與電感組成的 電橋，橋臂比的相角=180時(shí)，橋臂系數(shù)最大，且輸 出相移為零。 31 0 123411 11 () 4 1(/2)

16、sS ZZZZ UUU ZZZZZZZZ ? ? ? ? ? ? gg & gg （3）常用交流電橋的形式： 1/) RC? （設(shè) 0 0.5 s UU? ? ? 圖g：差動(dòng)式電容傳感器 0s UU? ? ? 圖a、c、d、f：a=1，=0 0 0.25 s UU? ? ? （f） （g） 圖e：a=1, =180,電橋諧振 圖b： a=1，=90 12 0 12 ) , () ( L CC UE CC if R ? ? ? ? ? gg 0 SL UEE SL ? ? ggg 0 d UE d ? ? gg 特點(diǎn)：對(duì)于任何類型的差動(dòng)電容傳感器，電橋的輸出電壓與輸 入量均成線性關(guān)系： 12 0

17、 12 () 1() L L jCC UER jCCR ? ? ? ? ? gg （4）變壓器式交流電橋：電橋兩臂是電源變壓器二次線圈， 電橋負(fù)載為放大器的輸入阻抗。該橋路目前采用較多，它 使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小。 變極距型： 變面積型： 對(duì)于平行板電容傳感器，則有： 0 0i C UU C ? ? ? 2 2、運(yùn)算放大器測(cè)量電路：、運(yùn)算放大器測(cè)量電路：將電容傳感器作為電路的反饋 元件接在運(yùn)放的輸入輸出之間，C0為一固定電容。 0 0 0 i r C d UU S? ? ? ? ? 0 0 11 ,iciUIUI j Cj C? ? ? icII ? ? ? 雖然變間距型電容傳感器是非線

18、性元件，但采用此電路后，其輸出 電壓與極板間距的變化成正比，這 是該電路測(cè)量的最大優(yōu)點(diǎn)。 二、二、*差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路 (P53) （1）線性輸出；（2）對(duì)輸出波形的純度要求不高；（3）要求 直流電源的電壓穩(wěn)定度較高；（4）便于與傳感器做在一起。 12 1212 , ab TT UUUU TTTT ? ? 12 120 12 , XX XX CC ifRRRUU CC ? ? ? 111222 lnln XX ff UU TRCTRC UUUU ? ? 結(jié)論：差動(dòng)電容的變化導(dǎo)致U0不同，且輸出是線性的。 1 0 12 2 0 12 22 (cossin) 22 (coss

19、in) a n b n Tnn UUAtBt TTTT Tnn UUAtBt TTTT ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0 12 12 ab TT UUUU TT ? ? ? 三、*調(diào)頻測(cè)量電路 (P51) 0 0 11 22() pg fff LCL CCCC? ? ? ? m 0 0 1 2 pg C ff CCC ? ? ? gg 0 0 1 2() pg f L CCC? ? ? P54例例4-2 現(xiàn)有一只電容式位移傳感器，其結(jié)構(gòu)如左圖所示。 已知L=25mm，R=6mm，r=2mm。其中，圓柱C為內(nèi)電極， 圓筒A、B為兩個(gè)外電極，D為屏蔽套筒，CB構(gòu)成一個(gè)固定電容 C

20、F，CA是隨活動(dòng)屏蔽套筒伸入位移量x而變的可變電容Cx。采 用理想檢測(cè)電路如右圖所示，其信號(hào)源電壓有效值Ui=6V。問： （1）在要求運(yùn)放輸出電壓U0與輸入位移x成正比時(shí)，標(biāo)出CF和 Cx在圖 (b)中應(yīng)連接的位置；（2）求該電容式傳感器的靈敏度 k；（3）求該測(cè)量變換系統(tǒng)輸出電壓靈敏度Kv。 0 0 xx iiv F CdCdULx UUUkK CLdxdx ? ? ? ? 第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的誤差分析電容式傳感器的誤差分析 C-傳感器電容； Rp-并聯(lián)損耗電阻（包含極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗， 反映電容器在低頻時(shí)的損耗）； Rs-串聯(lián)損耗電阻（由引線、極板和金屬支座等引起）； Cp

21、-寄生電容（它與傳感器電容并聯(lián)，分析時(shí)可視為含于 傳感器電容C中） Ls-傳感器接線端之間的電流回路的總電感； 一、實(shí)際傳感器的等效電路模型一、實(shí)際傳感器的等效電路模型 ?各種損耗 ?電場(chǎng)邊緣效應(yīng) ?寄生與分布電容 ?環(huán)境溫度 2 222222 1 1 ()() 11 p css p pp ss pp R j C ZRj L R j C RR C RjL R CR C ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? g 等效阻抗： 等效電容：等效電容：通常不考慮Rs和Rp的影響，只考慮L的影響， 此時(shí)有: 22 0 11 (/) e s CC C LCff? ? ? 22 0 / / 11(/ / )

22、 ee s C C C CC C CC LCff? ? ? ? ? 電容的實(shí)際相對(duì)變化量： 0 ()ff? 激勵(lì)信 號(hào)頻率 2f? 1/1/ es j Cj Lj C? 0 1 2 s f LC? ?電路諧振 頻率： 討論： 1、電容傳感器電容的實(shí)際相對(duì)變化量與傳感器的固有電 感（包括引線電感）有關(guān)。由于電路的感抗會(huì)抵消一部分 容抗，電容傳感器的有效電容Ce將有所增加。因此，實(shí) 際使用時(shí)，供電電源頻率與連接電纜長(zhǎng)度應(yīng)與標(biāo)定時(shí)的條 件相同，否則會(huì)引入測(cè)量誤差。 2、等效電路有一諧振頻率，通常為幾十兆赫。諧振或接 近諧振時(shí)，它破壞了電容器的正常作用。因此，只有在低 于諧振頻率（通常為諧振頻率的1/

23、3-1/2)時(shí)，電容傳感器 才能正常工作。 3、由電容的實(shí)際相對(duì)變化量的式子中可知，只有在激勵(lì) 信號(hào)頻率遠(yuǎn)低于諧振頻率時(shí)，Ce=C，電容傳感元件本身 才可用純電容表示。 22 0 / / 11(/ / ) ee s C C C CC C CC LCff? ? ? ? ? 0 ()ff? 二、電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)及等位環(huán)的應(yīng)用：二、電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)及等位環(huán)的應(yīng)用： 1、電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)：兩極板間的電場(chǎng)線中間部分是均 勻的，邊緣會(huì)發(fā)生彎曲。這種彎曲與極板厚度、極板間距有 關(guān)。 h/d越小，則f(h/d)越?。ū?-2） 2 00 ln16 1(/) rr r rf h d d r C d ? ?

24、 ? ? ? ? ? ? ? ? （圓形平行 板電容器） 邊緣效應(yīng)因子 附加電容將引起附加電容將引起 傳感器靈敏度下降和 非線性增加。 等勢(shì)環(huán) 2、邊緣效應(yīng)的克服、邊緣效應(yīng)的克服：增大前項(xiàng)，減小后項(xiàng) （1）極板面積增大，極距減??； （2）極板厚度減?。ㄈ缭谑⒒蛱沾善矫嫔险婵斟兡ぷ鰳O板）； （3）加裝等勢(shì)環(huán)。等勢(shì)環(huán)安裝在固定極板外，與固定極板同心、 絕緣、等電勢(shì)，使邊緣電場(chǎng)線平直以得到均勻電場(chǎng)。 2 00 ln16 1(/) rr r rf h d d r C d ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 三、寄生與分布電容：三、寄生與分布電容： 1、極板與周圍物體間產(chǎn)生的寄生與分布電容Cp ：

25、 ?電纜寄生與分布電容 ?極板與元件、人體間的寄生與分布電容 2、影響： ? Cp與傳感器電容并聯(lián)，且隨機(jī)變化，有時(shí)可達(dá)傳感器電 容的幾倍到幾十倍，使傳感器工作很不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響 輸出特性，甚至淹沒有用信號(hào)。 3、消除方法： ? 改善傳感器結(jié)構(gòu)、尺寸：增加初始電容；傳感器與測(cè)量 電路裝在同一個(gè)殼體內(nèi)，省去電纜引線，或集成于同一 芯片，構(gòu)成集成電容式傳感器。 ? 使用各種屏蔽技術(shù)：驅(qū)動(dòng)電纜法、整體屏蔽法等。 ? 內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸芯線通過增益為1的放大器（驅(qū)動(dòng)放大器）相連而成為 等電勢(shì)-消除芯線對(duì)內(nèi)屏蔽的容性漏電，克服了寄生與分布電容的影響； ? 外屏蔽層接大地-防止外界電場(chǎng)的干擾。 ? 對(duì)驅(qū)動(dòng)

26、放大器的要求：Ri很高，Ci極小，能驅(qū)動(dòng)大的容性負(fù)載，且在工作 頻率范圍內(nèi)嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)k=1，輸出與輸入相移為0（困難點(diǎn)）. 當(dāng)傳感器的電容值 很小，而因某些原因 （環(huán)境、溫度等）必須 與測(cè)量電路分開時(shí)，可 采用此技術(shù)?？墒闺娎| 長(zhǎng)達(dá)10m之遠(yuǎn)而不影響 儀器的性能。 （一）驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)（一）驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù) （等電勢(shì)屏蔽法、雙層屏蔽電纜技術(shù)）（等電勢(shì)屏蔽法、雙層屏蔽電纜技術(shù)） ? 差動(dòng)傳感器、測(cè)量電橋、傳輸電纜等用同一個(gè)屏蔽殼屏 蔽起來-防止外界干擾。 ? 正確選取屏蔽接地點(diǎn)，可減小或消除寄生分布電容Cp的 影響，防止外界干擾。 （二）整體屏蔽法：（二）整體屏蔽法：將傳感器與測(cè)量電路、傳輸電纜將傳感器

27、與測(cè)量電路、傳輸電纜 等用同一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來。 ?固定極板：厚度h；線膨脹系數(shù)h； ?絕緣件：厚度b， 線膨脹系數(shù)b； ?可動(dòng)極板至絕緣層底部的殼體長(zhǎng)L， 線膨脹系數(shù)L。 當(dāng)環(huán)境溫度為t時(shí)，極板間距為 四、環(huán)境溫度 若傳感器各部件材料線膨脹系 數(shù)不匹配，當(dāng)溫度變化時(shí)就會(huì)產(chǎn)生 較大的溫度誤差。 變極距型 傳感器 固定極板 可動(dòng)極板 絕緣件 殼體 dL b h? 0(1)(1) bhbh Lbh LLLL LbhLbhdbh ? ? ? ? 固定極板 可動(dòng)極板 絕緣件 殼體 當(dāng)環(huán)境溫度為t時(shí)，極板間距變?yōu)椋?(1)(1)(1) tLbh Lbdttht? 由于溫度變化而引起的電容量相對(duì)誤差為：

28、( ) ) ) ( ( tLbh t tLbh ddLbht dd d t b h L Lb h ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 消除由溫度變化而引起的電容量相對(duì)誤差的條件為： *P58例例4-3 下圖為一種驅(qū)動(dòng)電纜線路，Cx為傳感器電 容，兩個(gè)放大器的電壓放大倍數(shù)分別為-A和-Aa，試求實(shí) 現(xiàn)電纜芯線與內(nèi)屏蔽線等電勢(shì)的條件。 01 0201 02 ()(1) 1 1 cxiiii i aa a cx UUUUAUA U UA UA UU AU A A ? ? ? ? ? ? gggggg g gg gg 令 第四節(jié)第四節(jié) 電容式傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用電容式傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用 22 3

29、 00 (1)11 16 x xxr P r CCEh ? ? ? ? ? 一、電容式壓力傳感器及血壓測(cè)量：一、電容式壓力傳感器及血壓測(cè)量： ? 膜片和基座均由熔凝石英制成，工作和參比電極均通過真空鍍 膜得到?；】捉油ù髿?。 ? 極板間距10m；電容初值：敏感電容Cx0=112pF 、參比電容 CR0=56pF。 等效電路 當(dāng)被測(cè)血壓P均勻作用在膜片上時(shí)，膜片撓曲變形。若膜片厚度h 遠(yuǎn)大于撓曲變形的最大值時(shí)，Cx和P的關(guān)系為： 泊松比；E楊氏模量； rx敏感電容的半徑；h- 膜片厚度 Cx 采用運(yùn)算法測(cè)量電路：初始時(shí)刻，血壓為0時(shí)，調(diào)節(jié)電位器W 使橋路平衡，則輸出電壓為0；測(cè)量時(shí)，在血壓壓

30、力的作 用下，導(dǎo)致橋路不平衡，輸出電壓為： 0 0 000 1/ RSR XXRX CUC U CCCC ? ?U0(V) 血壓測(cè)量范圍：-440kPa（-30300mmHg)， 非線性誤差0.5% 代入Cx與P的關(guān)系式， 可知U0與P成正比。 （1）電容式微音器（氣體濃度比較器） 二、直流極化型電容傳感器及呼吸測(cè)量二、直流極化型電容傳感器及呼吸測(cè)量 ? 可動(dòng)電極為5-10 m的鋁箔， 與固定電極構(gòu)成平行板電容 器。 ? 極距：0.050.08mm ? 電容量：50100pF ? 光射入接收室氣體吸收能量溫度升高室內(nèi)壓強(qiáng)增大（若兩邊氣體濃度不 等，則左右室壓強(qiáng)增量不同，可動(dòng)極片位移改變電容量）。 ? 由于輻射光束受測(cè)量系統(tǒng)切光片調(diào)制，故可動(dòng)電極也相應(yīng)以調(diào)制頻率振動(dòng)，由于輻射光束受測(cè)量系統(tǒng)切光片調(diào)制，故可動(dòng)電極也相應(yīng)以調(diào)制頻率振動(dòng)， 氣體濃度不同產(chǎn)生的振幅也不同。由于傳感器氣室內(nèi)會(huì)發(fā)生微音，故稱為電 容式微音器。 （2 2）直流極化電路：）直流極化電路： 電容式微應(yīng)器常與直流極化電路結(jié)合使用，又稱為直流 極化型電容式傳感器。 電路采用恒壓源Us。當(dāng)隨時(shí)間變化的力或速度作用在極 板膜片上時(shí)，可動(dòng)電極（感壓膜片）與固定電極間的距離將 發(fā)生變化，x=x0 0+x， 則平行板電容器的電容為： 0 0 00 1 1/