生物醫(yī)學(xué)傳感器電容

第四章

電容式傳感器生物醫(yī)學(xué)工程系醫(yī)用傳感器原理及應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：1.測(cè)量范圍大：相對(duì)變化量可達(dá)100%。2.靈敏度高：可達(dá)10-7。3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短：可動(dòng)部件質(zhì)量小，固有頻率高，適合于動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量。4.機(jī)械損失?。弘姌O間引力小，無(wú)摩擦，熱效應(yīng)小，因此，精度高。5.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)：金屬做電極，無(wú)機(jī)材料絕緣支撐，能承受大的溫度變化和強(qiáng)輻射，適合于惡劣環(huán)境工作。1.寄生電容影響大：導(dǎo)線(xiàn)電容、泄露電容。降低了靈敏度，非線(xiàn)性輸出，甚至不穩(wěn)定。2.當(dāng)用變間隙原理進(jìn)行測(cè)量時(shí)，具有非線(xiàn)性輸出特性。缺點(diǎn)：應(yīng)用：

壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。第一節(jié)電容式傳感器的工作原理平板電容同軸圓柱型電容第二節(jié)

電容式傳感器的類(lèi)型及特性變面積式3.1根本工作原理〔1〕平面線(xiàn)位移型：當(dāng)其中一個(gè)極板發(fā)生x位移后，改變了兩極板間的遮蓋面積S，電容量C同樣隨之變化。a〕直線(xiàn)位移式因此，與位移呈線(xiàn)性關(guān)系。變面積型電容傳感器3.1根本工作原理θ定片動(dòng)片（b）角位移式因此，與角位移呈線(xiàn)性關(guān)系?！?〕角位移型：3.1根本工作原理靈敏度系數(shù)

靈敏度系數(shù)

變面積型電容傳感器不管是角位移式還是直線(xiàn)式，傳感器的電容值都與引起遮蓋面積變化的因素〔轉(zhuǎn)角θ或直線(xiàn)位移x〕呈線(xiàn)性關(guān)系。且靈敏度系數(shù)K與初始電容C0呈正比。角位移型平面線(xiàn)位移型3.1根本工作原理這類(lèi)傳感器具有良好的線(xiàn)性,大多用來(lái)檢測(cè)位移等參數(shù)。

〔3〕圓柱體線(xiàn)位移型：當(dāng)內(nèi)筒上移x時(shí)，內(nèi)外筒間的電容Cx為：D1D0Lx與x成線(xiàn)性關(guān)系。結(jié)論：變面積式電容傳感器輸出是線(xiàn)性的，靈敏度為常數(shù)。①增大初始電容C0可以提高傳感器的靈敏度；②極板寬度a的大小不影響靈敏度，但不能太小，否那么邊緣電場(chǎng)影響增大，非線(xiàn)性將增大；③△X變化不能太大，否那么邊緣效應(yīng)會(huì)使傳感器特性產(chǎn)生非線(xiàn)性變化。變極距式單極式變極距型初始電容

當(dāng)減小時(shí)

電容C增加

當(dāng)時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)

電容相對(duì)變化忽略高次項(xiàng)即當(dāng)

(一般取0.02-0.1)時(shí)，電容的相對(duì)變化量ΔC與極板間距離變化量近似呈線(xiàn)性關(guān)系。

傳感器靈敏度

非線(xiàn)性誤差d0越小，靈敏度系數(shù)K越高；而d0減小又使非線(xiàn)性誤差δ增大。結(jié)論：由前式可知,傳感器的輸出特性C=f(d)不是線(xiàn)性關(guān)系,而是雙曲線(xiàn)關(guān)系此時(shí)C與Δd近似呈線(xiàn)性關(guān)系,所以變極距型電容式傳感器只有在很小時(shí),才有近似的線(xiàn)性輸出措施：①欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙d，但受電容器擊穿電壓的限制.通常極板間可采用高介電常數(shù)的材料〔云母、塑料膜等〕作介質(zhì)；②非線(xiàn)性隨相對(duì)位移的增加而增加，為保證一定的線(xiàn)性度，應(yīng)限制動(dòng)極板的相對(duì)位移量。③為改善非線(xiàn)性，可以采用差動(dòng)式。為提高靈敏度和非線(xiàn)性，一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。差動(dòng)式變極距型上下兩局部的初始電容：上移后：展開(kāi)：差動(dòng)式電容傳感器的輸出為：非線(xiàn)性誤差為：略去高階無(wú)窮小：差動(dòng)式電容傳感器比單個(gè)電容靈敏度提高一倍非線(xiàn)性誤差可以減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

變介質(zhì)型變介質(zhì)型傳感器變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。右圖相當(dāng)于兩個(gè)電容器的并聯(lián)，1、2為筒狀極板。上面的電容器以ε2為介質(zhì)，下面的電容器以ε1為介質(zhì)。電容液位計(jì)原理圖其中,A為常數(shù)，K為靈敏度系數(shù)電容C與液位h1之間呈線(xiàn)性關(guān)系.電容式厚度傳感器Rp為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。這些損耗在低頻時(shí)影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱。Rs代表串聯(lián)損耗，即代表引線(xiàn)電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。電感L由電容器本身的電感和外部引線(xiàn)電感組成。Cp

寄生電容，C傳感器電容電容傳感器的等效電路第三節(jié)電容傳感器的測(cè)量電路分析電容式傳感器的等效阻抗為：RS很小，RP很大,均可忽略。電路的等效容抗為：電容的相對(duì)變化量為：激勵(lì)電源頻率電路諧振頻率結(jié)論：電容傳感器的等效電容與鼓勵(lì)電源的頻率有關(guān)，還與電路自身的諧振頻率有關(guān)，而影響諧振頻率的重要因素是電感L，它與電容傳感器的連接導(dǎo)線(xiàn)等因素有關(guān)，所以電容傳感器在實(shí)際使用時(shí)必須保持與標(biāo)定時(shí)的狀態(tài)是完全一致的。交流電橋電容傳感器的測(cè)量電路

將電容傳感器接入電橋的一個(gè)臂，不平衡電橋輸出：為使橋路平衡，在四個(gè)橋臂上必須接入兩個(gè)電容〔一個(gè)單極電容傳感器和一個(gè)固定電容，或接入差動(dòng)電容傳感器〕。另外兩個(gè)橋臂接入其他阻抗元件，如：兩個(gè)電阻、兩個(gè)電感或是兩個(gè)電容。當(dāng)橋臂上接入不同的阻抗元件時(shí)，電路的靈敏度不同，一般有0.25、0.5、1，輸出信號(hào)相移有0°、±90°、±180°。變壓器式電橋

即輸出電壓

與位移△d成線(xiàn)性關(guān)系正負(fù)半周分析：正半周：C1充電，電流順時(shí)針；C2放電，電流逆時(shí)針負(fù)半周：C2充電，電流逆時(shí)針；C1放電，電流順時(shí)針假設(shè)C1=C2，那么電流抵消，假設(shè)C1≠C2，那么RL有信號(hào)輸出二極管雙T形交流電橋脈沖調(diào)制電路運(yùn)算放大器電路調(diào)頻電路特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換電路生成頻率信號(hào)，可遠(yuǎn)距離傳輸不受干擾。具有較高的靈敏度，可以測(cè)量高至0.01μm級(jí)位移變化量。但非線(xiàn)性較差，可通過(guò)鑒頻器〔頻壓轉(zhuǎn)換〕轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后，進(jìn)行補(bǔ)償。第三節(jié)電容傳感器的誤差分析溫度的影響邊緣效應(yīng)的影響寄生電容、分布電容的影響溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響電容傳感器由于極板間隙很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感在傳感器各零件材料線(xiàn)脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極板間隙發(fā)生較大的相對(duì)變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。在設(shè)計(jì)電容式傳感器時(shí)，適中選擇材料及有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)溫度誤差的補(bǔ)償。溫度對(duì)介質(zhì)的影響溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而變化，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零，而某些液體介質(zhì)，如硅油、醫(yī)麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。例如煤油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)可達(dá)0.07%/℃，假設(shè)環(huán)境溫度變化℃，那么將帶來(lái)7%的溫度誤差，故采用此類(lèi)介質(zhì)時(shí)必須注意溫度變化造成的誤差。溫度影晌減小溫度影響措施：①一般盡量選取溫度系數(shù)小和溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料。如絕緣材料采用石英、陶瓷等，金屬材料選用低膨脹系數(shù)的鎳鐵合金。或極板直接在陶瓷、石英等絕緣材料上蒸鍍一層金屬膜來(lái)代替。②采用差動(dòng)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，并在測(cè)量線(xiàn)路中對(duì)溫度誤差加以補(bǔ)償。邊緣效應(yīng)當(dāng)極板厚度與極距之比相對(duì)較大時(shí)，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。危害：邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線(xiàn)性。消除措施：1.增大初始電容2.加裝等位環(huán)帶有保護(hù)環(huán)的電容傳感器原理結(jié)構(gòu)寄生電容的影響

產(chǎn)生原因

極板與周?chē)矬w及電纜本身均產(chǎn)生電容，與傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性。

消除措施1.整體屏蔽法整體屏蔽的關(guān)鍵在于正確選取接地點(diǎn)。整體屏蔽法是一種較好的方法，但將使總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。但仍存在問(wèn)題：(1)當(dāng)屏蔽線(xiàn)很長(zhǎng)，其本身電容很大，且大于傳感器電容量，導(dǎo)致傳感器靈敏度下降；(2)電纜電容量因放置位置和形狀的不同而不同，造成傳感器特性不穩(wěn)定。一種等電位屏蔽法，是解決電纜電容影響問(wèn)題的有效方法。在電容傳感器與測(cè)量電路的前置級(jí)之間采用雙層屏蔽電纜，這種接法使傳輸電纜的芯線(xiàn)與內(nèi)層屏蔽等電位，消除了芯線(xiàn)對(duì)內(nèi)層屏蔽的容性漏電，從而消除了寄生電容的影響，并接入增益為1的驅(qū)動(dòng)放大器。優(yōu)點(diǎn)：消除了芯線(xiàn)對(duì)內(nèi)屏蔽層的容性漏電，克服了寄生電容的影響；驅(qū)動(dòng)放大器是一個(gè)輸入阻抗很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1的同相放大器。缺點(diǎn)：要在很寬的頻帶上嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)等于1，且輸出與輸入的相移為零。2.驅(qū)動(dòng)電纜法驅(qū)動(dòng)電纜法原理結(jié)論：注意傳感器的接地和屏蔽增加原始電容值，降低容抗導(dǎo)線(xiàn)分布合理盡可能一點(diǎn)接地盡量采用差動(dòng)式電容傳感器測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中厚度的電容式測(cè)厚儀電容傳感器的應(yīng)用厚度測(cè)量

轉(zhuǎn)速測(cè)量

加速度測(cè)量

加速度傳感器安裝在轎車(chē)上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車(chē)前部的折疊式平安氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。3.4電容式傳感器的應(yīng)用濕敏電容一般用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。HM1500濕度傳感器當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。濕度測(cè)量

電容式鍵盤(pán)

3.4電容式傳感器的應(yīng)用常規(guī)的鍵盤(pán)有機(jī)械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤(pán)是基于電容式開(kāi)關(guān)的鍵盤(pán)，原理是通過(guò)按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時(shí)形成震蕩脈沖允許通過(guò)的條件。這種開(kāi)關(guān)是無(wú)觸點(diǎn)非接觸式的，磨損率極小。利用變極距型電容傳感器實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換.電容式傳聲器

3.4電容式傳感器的應(yīng)用駐極體電容傳聲器大膜片電容傳聲器傳聲器〔Microphone〕即話(huà)筒，音譯作麥克風(fēng)，目前使用的話(huà)筒大多是動(dòng)圈式和電容式。電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過(guò)前置放大器變換為輸出電壓。電容式指紋傳感器

3.4電容式傳感器的應(yīng)用目前的指紋采集技術(shù)主要有光學(xué)采集、半導(dǎo)體采集、超聲波采集。(1)半導(dǎo)體壓感式傳感器

其外表的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料,它們依照指紋的外表地形(凹凸)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子信號(hào),并進(jìn)一步產(chǎn)生具有灰度級(jí)的指紋圖像。(2)半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器

它通過(guò)感應(yīng)壓在設(shè)備上的脊和遠(yuǎn)離設(shè)備的谷溫度的不同就可以獲得指紋圖像。(3)硅電容指紋圖像傳感器

這是最常見(jiàn)的半導(dǎo)體指紋傳感器,它通過(guò)電子度量來(lái)捕捉指紋。在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約100,000個(gè)電容傳感器,其外面是絕緣的外表。3.4電容式傳感器的應(yīng)用傳感器陣列的每一點(diǎn)是一個(gè)金屬電極,充當(dāng)電容器的一極,按在傳感面上的手指頭的對(duì)應(yīng)點(diǎn)那么作為另一極,傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對(duì)于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在),導(dǎo)致硅外表電容陣列的各個(gè)電容值不同,測(cè)量并記錄各點(diǎn)的電容值,就可以獲得具有灰度級(jí)的指紋圖像。3.4電容式傳感器的應(yīng)用指紋識(shí)別系統(tǒng)的電容傳感器發(fā)出電子信號(hào)，電子信號(hào)將穿過(guò)手指的外表和死性皮膚層，直達(dá)手指皮膚的活體層(真皮層)，直接讀取指紋圖案。由于深入真皮層，傳感器能夠捕獲更多真實(shí)數(shù)據(jù)，不易受手指外表塵污的影響，提高辨識(shí)準(zhǔn)確率，有效防止辨識(shí)錯(cuò)誤。3.4電容式傳感器的應(yīng)用西門(mén)子推出的“IDMouse〞鼠標(biāo)。鼠標(biāo)上端安有指尖傳感器，一旦指紋被識(shí)別，使用者就可以啟動(dòng)PC的操作系統(tǒng)。如果長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)鼠標(biāo)，它將自動(dòng)啟動(dòng)屏幕保護(hù)程序，直到使用者再次觸摸ID鼠標(biāo)為止。這個(gè)鼠標(biāo)在0.25平方英寸的觸摸芯片上有65000個(gè)傳感系統(tǒng)，可捕捉指紋的細(xì)節(jié)。該系統(tǒng)非常靈敏，甚至用戶(hù)的手有傷口它都能準(zhǔn)確的區(qū)分出來(lái)。電阻式觸摸屏主要是利用壓力感應(yīng)進(jìn)行控制。構(gòu)成：顯示屏和一塊與其緊密貼合的電阻薄膜屏。這個(gè)電阻薄膜屏通常分為兩層，一層是由玻璃或有機(jī)玻璃構(gòu)成的基層，其外表涂有透明的導(dǎo)電層；基層外面壓著我們平時(shí)直接接觸的經(jīng)過(guò)硬化及防刮處理的塑料層，塑料層內(nèi)部同樣有一層導(dǎo)電層，兩個(gè)導(dǎo)電層之間是別離的。當(dāng)我們用手指或其他物體觸摸屏幕的時(shí)候，兩個(gè)導(dǎo)電層發(fā)生接觸，電阻產(chǎn)生變化，控制器那么根據(jù)電阻的具體變化來(lái)判斷接觸點(diǎn)的坐標(biāo)并進(jìn)行相應(yīng)的操作。觸摸屏電容式觸摸屏：利用人體的電流感應(yīng)進(jìn)行工作感應(yīng)屏是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)外表和夾層各涂有一層導(dǎo)電層，最外層是一薄層矽土玻璃保護(hù)層。當(dāng)我們用手指觸摸在感應(yīng)屏上的時(shí)候，人體的電場(chǎng)讓手指和和觸摸屏外表形成一個(gè)耦合電容，對(duì)于高頻電流來(lái)說(shuō)，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點(diǎn)吸走一個(gè)很小的電流。這個(gè)電流分從觸摸屏的四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個(gè)電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過(guò)對(duì)這四個(gè)電流比例的精確計(jì)算，得出觸摸點(diǎn)位置。電阻屏和電容屏區(qū)別：1、電阻式觸控屏幕在工作時(shí)每次只能判