醫(yī)用傳感器4學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1醫(yī)用傳感器醫(yī)用傳感器 4第一頁(yè)，共61頁(yè)。第2頁(yè)/共61頁(yè)第二頁(yè)，共61頁(yè)。第一節(jié)第一節(jié) 基本工作原理、結(jié)構(gòu)基本工作原理、結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)和特性和特性 兩平行極板組成兩平行極板組成(z chn)(z chn)的電容器的電容器, ,當(dāng)忽略邊當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，它的電容量為緣效應(yīng)時(shí)，它的電容量為: :式中式中d d、S S或或三個(gè)參量中任意一個(gè)發(fā)生變化三個(gè)參量中任意一個(gè)發(fā)生變化(binhu)(binhu)時(shí)，都會(huì)引起電容量的變化時(shí)，都會(huì)引起電容量的變化(binhu)(binhu)，再通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容再通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分

2、為變間距型、變面積型和變介質(zhì)型三式傳感器可分為變間距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類(lèi)型種類(lèi)型 。0rSSCdd =第3頁(yè)/共61頁(yè)第三頁(yè)，共61頁(yè)。一、一、 變間距變間距(jin j)型電容傳感器型電容傳感器 變極距型電容變極距型電容(dinrng)傳感器原理圖傳感器原理圖00rSSCdd =第4頁(yè)/共61頁(yè)第四頁(yè)，共61頁(yè)。當(dāng)可動(dòng)極板向下當(dāng)可動(dòng)極板向下(xin xi)(xin xi)移動(dòng)移動(dòng)d d 時(shí)，電容量變?yōu)闀r(shí)，電容量變?yōu)?電容的變化量為電容的變化量為 001rSCCdddd = =10(1)CddCdd 1000(1)dddC CCCCdddd = =負(fù)號(hào)表示：電容的變化負(fù)號(hào)表示：電容的變

3、化(binhu)是隨著兩極板間距的增大而減小的。是隨著兩極板間距的增大而減小的。電容電容(dinrng)(dinrng)的相對(duì)變化量的相對(duì)變化量靈敏度靈敏度101(1)CdkCddd 變間距型電容傳感器的電容變間距型電容傳感器的電容C隨間距的變化時(shí)隨間距的變化時(shí)非線性的非線性的。第5頁(yè)/共61頁(yè)第五頁(yè)，共61頁(yè)。如果滿(mǎn)足條件如果滿(mǎn)足條件(d/d)1，則可按級(jí)數(shù)，則可按級(jí)數(shù)(j sh)展開(kāi)成展開(kāi)成 2301CddddCdddd 略去略去(l q)高次高次(非線性非線性)項(xiàng)，則項(xiàng)，則 0CdCd 近似近似(jn s)呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系靈敏度靈敏度02rSCkdd 第6頁(yè)/共61頁(yè)第六頁(yè)，共61頁(yè)

4、。 如果考慮式中級(jí)數(shù)如果考慮式中級(jí)數(shù)(j sh)展開(kāi)中的一次展開(kāi)中的一次項(xiàng)，則項(xiàng)，則 20()CddCdd 其相對(duì)其相對(duì)(xingdu)(xingdu)非線性誤差非線性誤差2/100%100%/d ddd dd 第7頁(yè)/共61頁(yè)第七頁(yè)，共61頁(yè)。第第4章章 電容式傳感器電容式傳感器2/100%100%/d ddd dd 變極距型電容傳感器只有在|d/d| 很小(小測(cè)量范圍)時(shí)，才有近似的線性輸出； 欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙d，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； 為改善非線性，可以(ky)采用差動(dòng)式。第8頁(yè)/共61頁(yè)第八頁(yè)，共61頁(yè)。動(dòng)極板置于兩定極板之間，初始位置

5、時(shí)，動(dòng)極板置于兩定極板之間，初始位置時(shí)，d1d2d，兩邊，兩邊(lingbin)初始電容相等。當(dāng)動(dòng)板初始電容相等。當(dāng)動(dòng)板向上移向上移 d 時(shí)，兩邊時(shí)，兩邊(lingbin)極距變化為極距變化為:第第4章章 電容式傳感器電容式傳感器1ddd 2ddd 1011ACCdddd 2011ACCdddd 按級(jí)數(shù)按級(jí)數(shù)(j sh)展開(kāi)：展開(kāi)：23101()()dddCCddd23201()()dddCCddd電容電容(dinrng)總的變化量為：總的變化量為：3512022()2()dddCCCCddd第9頁(yè)/共61頁(yè)第九頁(yè)，共61頁(yè)。24021()()CdddCddd 靈敏度提高靈敏度提高(t go)

6、一倍，非線性誤差減小。一倍，非線性誤差減小。電容值相對(duì)電容值相對(duì)(xingdu)(xingdu)變化量為變化量為忽略忽略(hl)高次項(xiàng)，則此電容傳感器的線性關(guān)系近似為：高次項(xiàng)，則此電容傳感器的線性關(guān)系近似為：02CdCd 靈敏度靈敏度022rSCkdd 其相對(duì)非線性誤差其相對(duì)非線性誤差32/100%()100%/d ddd dd 第第4章章 電容式傳感器電容式傳感器第10頁(yè)/共61頁(yè)第十頁(yè)，共61頁(yè)。00rabCd 0CdCd 二、二、 變面積變面積(min j)型電容傳感器型電容傳感器 設(shè)兩矩形設(shè)兩矩形(jxng)極板間覆蓋面積為極板間覆蓋面積為S，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)X，則面積，則面

7、積S發(fā)生變化，電容量也改變。發(fā)生變化，電容量也改變。 靈敏度：靈敏度：0rbCkxd 000()rrax bxbCCdd 00rxbCCCd 第11頁(yè)/共61頁(yè)第十一頁(yè)，共61頁(yè)。 增大介電常數(shù)、極板邊長(zhǎng)增大介電常數(shù)、極板邊長(zhǎng)b或減小極板間距或減小極板間距d，都可，都可以提高傳感器的靈敏度；以提高傳感器的靈敏度； 極板寬度極板寬度a的大小不影響靈敏度，但不能太小，否的大小不影響靈敏度，但不能太小，否則邊緣電場(chǎng)影響增大，非線性將增大；則邊緣電場(chǎng)影響增大，非線性將增大； X變化變化(binhu)不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)使傳不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)使傳感器特性產(chǎn)生非線性變化感器特性產(chǎn)生非線性變化(b

8、inhu)。 0rbCkxd 第第4章章 電容式傳感器電容式傳感器變面積變面積(min j)式電容傳感器輸出式電容傳感器輸出是線性的，靈敏度為一常數(shù)。是線性的，靈敏度為一常數(shù)。第12頁(yè)/共61頁(yè)第十二頁(yè)，共61頁(yè)。為了提高靈敏度和克服為了提高靈敏度和克服(kf)極板的邊緣效應(yīng)，改善非線性極板的邊緣效應(yīng)，改善非線性。可采用如圖所示的差動(dòng)式變面積型傳感器。可采用如圖所示的差動(dòng)式變面積型傳感器。該傳感器有三個(gè)極板，上面的為可動(dòng)電極，也是公共該傳感器有三個(gè)極板，上面的為可動(dòng)電極，也是公共電極，它與兩個(gè)固定電極分別電容電極，它與兩個(gè)固定電極分別電容 C1 和和 C2，當(dāng)可動(dòng)，當(dāng)可動(dòng)電極向右（或向左）移動(dòng)

9、時(shí)，電容電極向右（或向左）移動(dòng)時(shí)，電容C1減小（或增加）減?。ɑ蛟黾樱?，而電容，而電容C2增加增加（或減?。?，差動(dòng)輸出，（或減?。顒?dòng)輸出，提高了靈敏度，非線性提高了靈敏度，非線性得到得到(d do)改善。改善。第13頁(yè)/共61頁(yè)第十三頁(yè)，共61頁(yè)。2()b lxCd 1()b lxCd ()()2b lxb lxb xCddd2Cbkxd第14頁(yè)/共61頁(yè)第十四頁(yè)，共61頁(yè)。00001SLbCddd三、變介電常數(shù)三、變介電常數(shù)(ji din chn sh)型電容傳型電容傳感器感器 0101001200101100101()()()Lx bd CxbCCCCxdddddd L電容電容(din

10、rng)C與介電常數(shù)為與介電常數(shù)為1的電介質(zhì)的位移的電介質(zhì)的位移x成線性關(guān)系成線性關(guān)系第15頁(yè)/共61頁(yè)第十五頁(yè)，共61頁(yè)。 被測(cè)液體的液面在電容被測(cè)液體的液面在電容式傳感器元件的兩同心同柱式傳感器元件的兩同心同柱型電極間變化時(shí)，引起極間型電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致化，導(dǎo)致(dozh)電容的改變電容的改變。 1液體介質(zhì)介電常數(shù)；液體介質(zhì)介電常數(shù)；0空氣中介電常數(shù)（空氣中介電常數(shù)（F/m）；）； h電極板總長(zhǎng)度（電極板總長(zhǎng)度（m）；）； r內(nèi)電極板外徑（內(nèi)電極板外徑（m）；）； R外電極板內(nèi)徑（外電極板內(nèi)徑（m）；）； x液面高度（液面高度（m

11、）。）。 可見(jiàn)，輸出可見(jiàn)，輸出(shch)電容電容C與液面高度與液面高度 x 成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。液面高度液面高度(god)010120102()2lnln22 ()lnlnhxxCCCRRrrhxKBxRRrr 第16頁(yè)/共61頁(yè)第十六頁(yè)，共61頁(yè)。12120min3322 3.14 8.85 101.241.5 1041.5ln(/ )ln(20 10/ 4 10 )HCFpFR r121201max33222 3.14 8.85 102.1 1.287.1 1087.1ln(/ )ln(/ )ln(20 10/ 4 10 )rHHCFpFR rR r 24312355 10235.5

12、VRHmL置于某儲(chǔ)存罐的電容式液位傳感器由半徑為置于某儲(chǔ)存罐的電容式液位傳感器由半徑為20mm和和4mm的兩個(gè)同心的兩個(gè)同心(tngxn)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，高為1.2m，被儲(chǔ)存液體的，被儲(chǔ)存液體的r=2.1。試計(jì)算傳感器的最小電容和。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)的靈敏度。最大電容以及傳感器用在該儲(chǔ)存罐內(nèi)的靈敏度。解：當(dāng)被測(cè)液位為零時(shí)解：當(dāng)被測(cè)液位為零時(shí)(ln sh)，傳感器電容最小，即，傳感器電容最小，即有有同理，當(dāng)被測(cè)液位高度同理，當(dāng)被測(cè)液位高度(god)最大，即

13、最大，即h=H=1.2m時(shí)傳感器電容最大，即有時(shí)傳感器電容最大，即有儲(chǔ)存罐的容積為儲(chǔ)存罐的容積為maxmin0.19/CCKpF LV故傳感器的靈敏度為故傳感器的靈敏度為第17頁(yè)/共61頁(yè)第十七頁(yè)，共61頁(yè)。第18頁(yè)/共61頁(yè)第十八頁(yè)，共61頁(yè)。第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測(cè)量電容式傳感器的測(cè)量(cling)(cling)電路電路電容式傳感器將被測(cè)非電量變換為電容變化后，必須采電容式傳感器將被測(cè)非電量變換為電容變化后，必須采用測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。用測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。目前的測(cè)量電路種類(lèi)很多，一般可歸為調(diào)幅、調(diào)頻目前的測(cè)量電路種類(lèi)很多，一般可歸為調(diào)幅、調(diào)頻

14、(dio pn)、脈沖三大類(lèi)型。、脈沖三大類(lèi)型。調(diào)幅測(cè)量電路調(diào)幅測(cè)量電路-用被測(cè)量調(diào)制電路中輸出量幅度的電用被測(cè)量調(diào)制電路中輸出量幅度的電路。路。調(diào)頻調(diào)頻(dio pn)測(cè)量電路測(cè)量電路-用被測(cè)量調(diào)制電路中輸出量用被測(cè)量調(diào)制電路中輸出量頻率的電路。頻率的電路。脈沖調(diào)制測(cè)量電路脈沖調(diào)制測(cè)量電路- 用被測(cè)量調(diào)制電路中脈沖輸出量用被測(cè)量調(diào)制電路中脈沖輸出量的電路。的電路。第19頁(yè)/共61頁(yè)第十九頁(yè)，共61頁(yè)。(一一) 交流電橋測(cè)量交流電橋測(cè)量(cling)電路電路14230,0Z ZZ Z U&3101234()sZZZUUZZZZZ電橋初始處于電橋初始處于(chy)平衡狀態(tài)，且輸出端開(kāi)路，

15、有平衡狀態(tài)，且輸出端開(kāi)路，有當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，將引起阻抗當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，將引起阻抗Z1變化變化Z，于是電橋，于是電橋失去平衡，輸出電壓為失去平衡，輸出電壓為將電橋平衡條件將電橋平衡條件Z1Z4=Z2Z3代入，設(shè)橋臂比代入，設(shè)橋臂比Z1/Z2=n，并考慮到，并考慮到ZZ，得，得112022112(/)(/)(1)1 (/)sssZ ZZZnZUUUK UnZZZ2(1)nKn1ZZ電橋的橋臂系數(shù)電橋的橋臂系數(shù)傳感器阻抗相對(duì)變化率傳感器阻抗相對(duì)變化率第20頁(yè)/共61頁(yè)第二十頁(yè)，共61頁(yè)。111*+ZCCj CZj CjCCCCC（）對(duì)于對(duì)于(duy)電容式傳感器，電容式傳感器，Z1為容抗，則有為容抗

16、，則有電容式傳感器阻抗相對(duì)變化率是一個(gè)實(shí)數(shù)電容式傳感器阻抗相對(duì)變化率是一個(gè)實(shí)數(shù)(shsh)，與，與C近近似成線性關(guān)系。似成線性關(guān)系。而橋臂比而橋臂比式中是式中是 橋臂比橋臂比n的模；的模； 是橋臂比是橋臂比n的相角。所以，橋的相角。所以，橋臂比臂比n是一個(gè)復(fù)數(shù)，是信號(hào)頻率是一個(gè)復(fù)數(shù)，是信號(hào)頻率(pnl)的函數(shù)。的函數(shù)。121122|jjjZZenaeZZe12|ZaZ 12第21頁(yè)/共61頁(yè)第二十一頁(yè)，共61頁(yè)。212 cosaKaa當(dāng)當(dāng)a=1時(shí)，時(shí)，|K|為最大值為最大值Km，Km隨著隨著而變化；而變化；=0 時(shí)，時(shí)，Km=0.25，輸出電壓與電源電壓同相位；，輸出電壓與電源電壓同相位；=9

17、0 時(shí)，時(shí)，Km=0.5，輸出電壓相對(duì)電源電壓發(fā)生，輸出電壓相對(duì)電源電壓發(fā)生(fshng)90 相移；相移；=180 時(shí)，時(shí)，Km=，電橋發(fā)生，電橋發(fā)生(fshng)振蕩，輸出電壓趨于無(wú)限大。振蕩，輸出電壓趨于無(wú)限大。橋臂系數(shù)橋臂系數(shù)K為復(fù)數(shù)，表示為為復(fù)數(shù)，表示為 。整理。整理(zhngl)得得K的模和的模和相角為相角為22(1)sinarctan2(1)cosaaajKK e 第22頁(yè)/共61頁(yè)第二十二頁(yè)，共61頁(yè)。212 cosaKaa當(dāng)當(dāng)a=1時(shí)，無(wú)論時(shí)，無(wú)論為任何為任何(rnh)值，值，始終為零，即輸出與電源同始終為零，即輸出與電源同相位；相位；當(dāng)當(dāng)a時(shí)，時(shí)， 為最大值，且為最大值，且

18、= ；當(dāng)當(dāng)=0時(shí)，時(shí)， =0，這意味著當(dāng)橋臂，這意味著當(dāng)橋臂Z1、Z2是相同性質(zhì)元件時(shí)，無(wú)是相同性質(zhì)元件時(shí)，無(wú)論論a為任何為任何(rnh)值，輸出電壓都與電源電壓同相。值，輸出電壓都與電源電壓同相。橋臂系數(shù)橋臂系數(shù)(xsh)K為復(fù)數(shù)，表示為為復(fù)數(shù)，表示為 。整理得。整理得K的模和相角為的模和相角為22(1)sinarctan2(1)cosaaajKK e 因此，在橋路電源電壓和傳感元件阻抗因此，在橋路電源電壓和傳感元件阻抗(zkng)相對(duì)變化量相對(duì)變化量一一定時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足兩橋臂初始阻抗定時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足兩橋臂初始阻抗(zkng)模相等（模相等（a=1），且使兩），且使兩橋臂阻抗橋臂阻抗(zkng)角差

19、角差盡量增大。盡量增大。第23頁(yè)/共61頁(yè)第二十三頁(yè)，共61頁(yè)。為了橋路平衡為了橋路平衡,四個(gè)橋臂中必須四個(gè)橋臂中必須(bx)接入兩個(gè)電容，另外兩個(gè)橋臂接入其接入兩個(gè)電容，另外兩個(gè)橋臂接入其他類(lèi)阻抗元件，如：兩個(gè)電阻、兩個(gè)他類(lèi)阻抗元件，如：兩個(gè)電阻、兩個(gè)電感、或兩個(gè)電容。電感、或兩個(gè)電容。第24頁(yè)/共61頁(yè)第二十四頁(yè)，共61頁(yè)。20,012aKaa22(1)90 ,arctan12aaKaa 212 cosaKaa22(1)sinarctan2(1)cosaaa2180 ,012aKaa 第25頁(yè)/共61頁(yè)第二十五頁(yè)，共61頁(yè)。當(dāng)當(dāng)RL時(shí)時(shí)1212CCUECC1212()1()LLjCCUER

20、jCC R第26頁(yè)/共61頁(yè)第二十六頁(yè)，共61頁(yè)。1212CCUECC代入，得代入，得SUES若在該電路若在該電路(dinl)中接入的電容中接入的電容式傳感器是變間距型，則式傳感器是變間距型，則dUEd代入，得代入，得0012rrSSCCdddd 0012()()rrSSSSCCdd 若在該電路若在該電路(dinl)中接入的中接入的電容式傳感器是變面積型，電容式傳感器是變面積型，則則結(jié)論結(jié)論(jiln)：當(dāng)放大器輸入阻抗極大時(shí)：當(dāng)放大器輸入阻抗極大時(shí)，電橋的輸出電壓與輸入量成線性。，電橋的輸出電壓與輸入量成線性。第27頁(yè)/共61頁(yè)第二十七頁(yè)，共61頁(yè)。電路的主要特點(diǎn)：電路的主要特點(diǎn)： 必須接成

21、差動(dòng)形式使用；必須接成差動(dòng)形式使用； 電橋的交流激勵(lì)源的幅值和頻率電橋的交流激勵(lì)源的幅值和頻率 要穩(wěn)定；要穩(wěn)定； 要求后續(xù)要求后續(xù)(hux)電路輸入阻抗無(wú)電路輸入阻抗無(wú)限大。限大。第28頁(yè)/共61頁(yè)第二十八頁(yè)，共61頁(yè)。00iC dUUS (二二) 運(yùn)算運(yùn)算(yn sun)放大器測(cè)量電路放大器測(cè)量電路00iCUUC 0011iicicUIUIIIj Cj C 整理整理(zhngl)得得如果傳感器的電容式由平行板構(gòu)成，如果傳感器的電容式由平行板構(gòu)成，則則第29頁(yè)/共61頁(yè)第二十九頁(yè)，共61頁(yè)。00iC dUUS 第30頁(yè)/共61頁(yè)第三十頁(yè)，共61頁(yè)。二、二、 調(diào)頻調(diào)頻(dio pn)(dio p

22、n)測(cè)量電路測(cè)量電路Cxf振蕩器振蕩器uf限幅限幅放大器放大器uL鑒頻器鑒頻器高頻振蕩高頻振蕩(zhndng)回路的振蕩回路的振蕩(zhndng)頻率頻率LCf21gpCCCC0傳感器起始傳感器起始(q sh)電電容容引線分布電容引線分布電容振蕩回路固定電容振蕩回路固定電容當(dāng)被測(cè)量沒(méi)有變化時(shí)，當(dāng)被測(cè)量沒(méi)有變化時(shí)，LCCCfgp)(2100第31頁(yè)/共61頁(yè)第三十一頁(yè)，共61頁(yè)。 2100LCCCCfffgp 當(dāng)被測(cè)量改變時(shí)，振蕩器頻率隨之有個(gè)相應(yīng)當(dāng)被測(cè)量改變時(shí)，振蕩器頻率隨之有個(gè)相應(yīng)(xingyng)的改的改變量變量 f，稱(chēng)為頻偏。，稱(chēng)為頻偏。整理整理(zhngl)得得00 21fCCCCfg

23、p 在測(cè)量電路中，伴隨頻率的改變，振蕩器輸出幅值往往也會(huì)在測(cè)量電路中，伴隨頻率的改變，振蕩器輸出幅值往往也會(huì)改變，為克服后者，在振蕩器之后要加改變，為克服后者，在振蕩器之后要加限幅環(huán)節(jié)限幅環(huán)節(jié)。第32頁(yè)/共61頁(yè)第三十二頁(yè)，共61頁(yè)。 0000000000000000000000000000 211222121fCCCCCCCCCCCCCCfCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCfCCCCCCCCCCCfCCCCCCCfLCCCCLCCCffLCCCCLCCCfffgpgpgpgpgpgpgpgpgpgpgpgpgpgpgpgpgpgpgpgp ）（）（）（）（）（ 第33頁(yè)/共6

24、1頁(yè)第三十三頁(yè)，共61頁(yè)。( (一一) )二極管二極管T T形網(wǎng)絡(luò)形網(wǎng)絡(luò)三、三、 脈沖調(diào)制測(cè)量脈沖調(diào)制測(cè)量(cling)(cling)電路電路第34頁(yè)/共61頁(yè)第三十四頁(yè)，共61頁(yè)。01222()LLELRRRRUUCCRRT第35頁(yè)/共61頁(yè)第三十五頁(yè)，共61頁(yè)。2)(2LLLRRRRRR 210CCUfKUE第36頁(yè)/共61頁(yè)第三十六頁(yè)，共61頁(yè)。( (二二) )脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路第37頁(yè)/共61頁(yè)第三十七頁(yè)，共61頁(yè)。脈沖脈沖(michng)調(diào)寬電路波形圖調(diào)寬電路波形圖 lnln1122211111rrUUUCRTUUUCRT 12121121212110UTTTTUTTT

25、UTTTUUUBA 第38頁(yè)/共61頁(yè)第三十八頁(yè)，共61頁(yè)。 121210UCCCCU 第39頁(yè)/共61頁(yè)第三十九頁(yè)，共61頁(yè)。102iCUUC 02()ln(/ )rxLxCR r 0 xiiFCLxUUUCL 例題例題(lt)：P54解解: (1)根據(jù)運(yùn)放根據(jù)運(yùn)放(yn fn)知識(shí)，得知識(shí)，得題目題目(tm)中中02ln(/ )rFLCR r 為了滿(mǎn)足為了滿(mǎn)足U0與與x呈線性關(guān)系，呈線性關(guān)系，Cx應(yīng)接在輸入回路應(yīng)接在輸入回路C1位置，位置，CF應(yīng)接應(yīng)接在反饋回路在反饋回路C2位置，此時(shí)有位置，此時(shí)有第40頁(yè)/共61頁(yè)第四十頁(yè)，共61頁(yè)。020.05/ln(/ )xdCkpF mmdxR r

26、(3)由由U0的表達(dá)式求該測(cè)量的表達(dá)式求該測(cè)量(cling)變換系統(tǒng)的輸出電壓靈敏度變換系統(tǒng)的輸出電壓靈敏度00.24/idUUkVmmdxL(2)由由Cx的表達(dá)式求電容式傳感器的靈敏度的表達(dá)式求電容式傳感器的靈敏度02()ln(/ )rxLxCR r 0 xiiFCLxUUUCL 第41頁(yè)/共61頁(yè)第四十一頁(yè)，共61頁(yè)。第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的誤差電容式傳感器的誤差(wch)(wch)分析分析一、等效電路一、等效電路 圖中圖中C為傳感器電容，為傳感器電容， Rp為損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電為損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電(lu din)和介質(zhì)損耗；和介質(zhì)損耗； Rs為引線、極板、金屬

27、支座等引起的的串聯(lián)損耗電阻；為引線、極板、金屬支座等引起的的串聯(lián)損耗電阻； Ls為電流回路的總電感；為電流回路的總電感； Cp為寄生電容，分析可視為寄生電容，分析可視 為含于傳感器電容為含于傳感器電容C中。中。2222222()()111pppppcsssspCRRRZRj LRjLj CRC RC R在電容器的各種損耗、電場(chǎng)邊緣效應(yīng)、寄生與分布電容等因在電容器的各種損耗、電場(chǎng)邊緣效應(yīng)、寄生與分布電容等因素素(yn s)不可忽略時(shí)，其等效阻抗不可忽略時(shí)，其等效阻抗第42頁(yè)/共61頁(yè)第四十二頁(yè)，共61頁(yè)。21esCCCL由于傳感器并聯(lián)電阻由于傳感器并聯(lián)電阻(dinz)Rp一般都很大，一般都很大，

28、 Rs又相對(duì)又相對(duì)較小，因而簡(jiǎn)化后可得等效電容較小，因而簡(jiǎn)化后可得等效電容2/1eesCC CCCL則電容的實(shí)際則電容的實(shí)際(shj)相對(duì)變化量為相對(duì)變化量為第43頁(yè)/共61頁(yè)第四十三頁(yè)，共61頁(yè)。222221011/ppssppRRRC RRC R2222222()()111pppppcsssspCRRRZRj LRjLj CRC RC R22221()1ppseCRjjLCC R 2222222211111/pppsssseCRCLCLLLCC RRCCC第44頁(yè)/共61頁(yè)第四十四頁(yè)，共61頁(yè)。二、邊緣效應(yīng)二、邊緣效應(yīng) 以上分析各種電容式傳感器時(shí)還忽略了邊緣效應(yīng)的影響以上分析各種電容式傳感

29、器時(shí)還忽略了邊緣效應(yīng)的影響。電容器兩極板間的電場(chǎng)線。電容器兩極板間的電場(chǎng)線中間部分是均勻的中間部分是均勻的，到了，到了邊邊緣會(huì)發(fā)生彎曲緣會(huì)發(fā)生彎曲。這時(shí)，對(duì)極板半徑為。這時(shí)，對(duì)極板半徑為r的變極距型電容傳的變極距型電容傳感器，其電容值應(yīng)按下式計(jì)算：感器，其電容值應(yīng)按下式計(jì)算：216ln1( )rrhCrfddd 為了克服邊緣效應(yīng)，應(yīng)盡量增大前一項(xiàng)，減小后一項(xiàng)為了克服邊緣效應(yīng)，應(yīng)盡量增大前一項(xiàng)，減小后一項(xiàng)。增大前項(xiàng)。增大前項(xiàng)(qin xin)，意味著增大極板面積，減小，意味著增大極板面積，減小極板間距；極板間距；減小后項(xiàng)，意味著極板厚度要盡量小于極板間距。減小后項(xiàng)，意味著極板厚度要盡量小于極板間

30、距。第45頁(yè)/共61頁(yè)第四十五頁(yè)，共61頁(yè)。 邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了(wi (wi le)le)消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖所示。消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖所示。 保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)始終保持等電保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)始終保持等電位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布，從而位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布，從而(cng r)(cng r)克服邊緣效克服邊緣效應(yīng)的影響。應(yīng)的影響。為減小極板厚度，

31、往往不用為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一薄層涂一薄層(bo cn)(bo cn)金屬作金屬作為極板。為極板。第46頁(yè)/共61頁(yè)第四十六頁(yè)，共61頁(yè)。消除寄生與分布電容的影響，一是可從改善傳感器結(jié)構(gòu)消除寄生與分布電容的影響，一是可從改善傳感器結(jié)構(gòu)和尺寸下手，即增加初始電容值，使寄生與分布電容對(duì)和尺寸下手，即增加初始電容值，使寄生與分布電容對(duì)傳感器的影響減小。二是使用傳感器的影響減小。二是使用(shyng)(shyng)各種屏蔽技術(shù)各種屏蔽技術(shù)。第47頁(yè)/共61頁(yè)第四十七頁(yè)，共61頁(yè)。(一一)、驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)(

32、q dn)電纜法電纜法 它實(shí)際上是一種它實(shí)際上是一種等電位屏蔽法。如等電位屏蔽法。如圖所示：在電容傳圖所示：在電容傳感器與測(cè)量電路的感器與測(cè)量電路的前置級(jí)之間采用雙前置級(jí)之間采用雙層屏蔽電纜。層屏蔽電纜。第48頁(yè)/共61頁(yè)第四十八頁(yè)，共61頁(yè)。該方法該方法(fngf)(fngf)的的難處是，要在很寬難處是，要在很寬的頻帶上嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)的頻帶上嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)等于放大倍數(shù)等于1 1，且輸出與輸入的相且輸出與輸入的相移為零。移為零。第49頁(yè)/共61頁(yè)第四十九頁(yè)，共61頁(yè)。01()(1)cxiiiiUUUUAUA U 例題例題(lt)：P58解：由圖可知解：由圖可知(k zh)，傳感器，傳感器Cx兩端電

33、壓為兩端電壓為0201aaiUAUA AU 而放大器而放大器-Aa的輸出的輸出(shch)電壓為電壓為(1)iaiA UA AU當(dāng)當(dāng) 時(shí)，電纜芯線與內(nèi)屏蔽線等電勢(shì)，有時(shí)，電纜芯線與內(nèi)屏蔽線等電勢(shì)，有02cxUU 11aAA 即即第50頁(yè)/共61頁(yè)第五十頁(yè)，共61頁(yè)。(二二)、整體屏蔽法、整體屏蔽法以差動(dòng)電容傳感器配用電橋測(cè)量電路為例，如圖所示。以差動(dòng)電容傳感器配用電橋測(cè)量電路為例，如圖所示。C1和和C2構(gòu)成構(gòu)成(guchng)差動(dòng)電容傳感器，與平衡電阻差動(dòng)電容傳感器，與平衡電阻R1和和R2組成測(cè)組成測(cè)量電橋，量電橋，Cp1和和Cp2為寄生電容為寄生電容 。屏蔽層接地點(diǎn)選擇在兩平衡電阻阻抗臂屏蔽

34、層接地點(diǎn)選擇在兩平衡電阻阻抗臂R1和和R2中間中間(zhngjin)，使，使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容Cp1和和Cp2分別與分別與R1和和R2相并聯(lián)相并聯(lián)。如果。如果R1和和R2比比Cp1和和Cp2的的容抗小得多，則寄生容抗小得多，則寄生電容電容Cp1和和Cp2對(duì)電橋?qū)﹄姌蚱胶鉅顟B(tài)的影響就很平衡狀態(tài)的影響就很小。小。 第51頁(yè)/共61頁(yè)第五十一頁(yè)，共61頁(yè)。四、環(huán)境溫度四、環(huán)境溫度設(shè)一變極距型電容式傳感器，設(shè)固定極板厚度為設(shè)一變極距型電容式傳感器，設(shè)固定極板厚度為h，線脹系數(shù)為，線脹系數(shù)為ah；絕；絕緣件厚度為緣件厚度為b，線脹系數(shù)為，線脹系數(shù)為ab；可動(dòng)

35、版至絕緣層底部的殼體長(zhǎng)為；可動(dòng)版至絕緣層底部的殼體長(zhǎng)為L(zhǎng)，線，線脹系數(shù)為脹系數(shù)為aL。當(dāng)環(huán)境溫度為當(dāng)環(huán)境溫度為t時(shí)，極板間距時(shí)，極板間距(jin j)為為d=L-b-h。當(dāng)環(huán)境溫度變化當(dāng)環(huán)境溫度變化t時(shí)，極板間距時(shí)，極板間距(jin j)變?yōu)樽優(yōu)閐t，有，有(1)(1)(1)tLbhdLatbathat第52頁(yè)/共61頁(yè)第五十二頁(yè)，共61頁(yè)。()()tLbhttLbhdda La ba htdda La ba ht 將將d=L-b-h帶入，整理帶入，整理(zhngl)得得0Lbha La ba h消除消除(xioch)由溫度變化而引起的電容相對(duì)誤差的條件為由溫度變化而引起的電容相對(duì)誤差的條件為

36、(1)(1)bhLLaadbhaa在設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)(shj)電容式傳感器時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)根據(jù)合理的初始電容決定極板電容式傳感器時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)根據(jù)合理的初始電容決定極板間隙間隙d，然后再根據(jù)材料的線脹系數(shù)，然后再根據(jù)材料的線脹系數(shù)ah、ab、aL，適當(dāng)?shù)剡x擇，適當(dāng)?shù)剡x擇b和和h，就可，就可消除由環(huán)境溫度變化而引起的電容量相對(duì)誤差。消除由環(huán)境溫度變化而引起的電容量相對(duì)誤差。由于溫度變化而引起的電容量相對(duì)誤差為由于溫度變化而引起的電容量相對(duì)誤差為第53頁(yè)/共61頁(yè)第五十三頁(yè)，共61頁(yè)。第四節(jié)電容式傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用第四節(jié)電容式傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用一、電容式壓力一、電容式壓力(yl)傳感器及血壓測(cè)量傳感器及血壓測(cè)量腔室通過(guò)腔室通過(guò)