《医用传感器》课件

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1、第第4章章 电电容式容式传传感器感器测测量量电电路路1.2第第4章章 电电容式容式传传感器感器基本工作原理、基本工作原理、结结构及特性构及特性4.14.2误误差分析差分析4.3电电容式容式传传感器的医学感器的医学应应用用4.4-电电容式容式传传感器是将被感器是将被测测非非电电量的量的变变化化转换为电转换为电容量容量变变化的一种化的一种传传感器感器。结结构构简单简单、高分辨力、高分辨力、可非接触可非接触测测量，并能在高温、量，并能在高温、辐辐射和射和强强烈振烈振动动等等恶恶劣条件下工作，劣条件下工作，这这是它的独特是它的独特优优点。随着点。随着集成集成电电路技路技术术和和计计算机技算机技术术的的

2、发发展，促使它展，促使它扬扬长长避短，成避短，成为为一种很有一种很有发发展前途的展前途的传传感器。感器。第第4章章 电电容式容式传传感器感器-第第4章章 电电容式容式传传感器感器第一第一节节 基本工作原理、基本工作原理、结结构和特性构和特性 两平行极板两平行极板组组成的成的电电容器容器,当忽略当忽略边缘边缘效效应时应时，它，它的的电电容量容量为为:式式中中d、S或或三三个个参参量量中中任任意意一一个个发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电电容容量量的的变变化化，再再通通过过测测量量电电路路就就可可转转换换为为电电量量输输出出。因因此此，电电容容式式传传感感器器可可分分为为变变间间距距型型、变

3、变面面积积型型和和变变介介质质型型三种三种类类型型 。-第第4章章 电电容式容式传传感器感器当当传传感器的感器的和和S为为常数，初始极距常数，初始极距为为d，当忽略当忽略边缘边缘效效应应时时，可知其初始可知其初始电电容量容量C0为为一、一、变间变间距型距型电电容容传传感器感器 变变极距型极距型电电容容传传感器原理感器原理图图-当可当可动动极板向下移极板向下移动动d 时时，电电容量容量变为变为电电容的容的变变化量化量为为 第第4章章 电电容式容式传传感器感器负负号表示：号表示：电电容的容的变变化是随着两极板化是随着两极板间间距的距的增大而减小增大而减小的。的。电电容的相容的相对变对变化量化量灵敏

4、度灵敏度变间变间距型距型电电容容传传感器的感器的电电容容C随随间间距的距的变变化化时时非非线线性的性的。-如果如果满满足条件足条件(d/d)1，则则可按可按级级数展开成数展开成第第4章章 电电容式容式传传感器感器略去高次略去高次(非非线线性性)项项，则则 近似呈近似呈线线性关系性关系灵敏度灵敏度-第第4章章 电电容式容式传传感器感器如果考如果考虑虑式中式中级级数展开中的一次数展开中的一次项项，则则 其相其相对对非非线线性性误误差差-第第4章章 电电容式容式传传感器感器 变变极距型极距型电电容容传传感器只有在感器只有在|d/d|很小很小(小小测测量量范范围围)时时，才有近似的，才有近似的线线性性

5、输输出出；欲提高灵敏度，欲提高灵敏度，应应减小减小间间隙隙d，但，但d的减小，一的减小，一是将是将增大非增大非线线性性，二是也会受到，二是也会受到电电容器容器击击穿穿电压电压的影响的影响；为为改善非改善非线线性，可以采用性，可以采用差差动动式式。-动动极板置于两定极板之极板置于两定极板之间间，初始位置，初始位置时时，d1d2d，两，两边边初始初始电电容相等。当容相等。当动动板向板向上移上移 d时时，两，两边边极距极距变变化化为为:第第4章章 电电容式容式传传感器感器按按级级数展开：数展开：电电容容总总的的变变化量化量为为：-灵敏度提高一倍，非灵敏度提高一倍，非线线性性误误差减小。差减小。电电容

6、容值值相相对变对变化量化量为为忽略高次忽略高次项项，则则此此电电容容传传感器的感器的线线性关系近性关系近似似为为：灵敏度灵敏度其相其相对对非非线线性性误误差差第第4章章 电电容式容式传传感器感器-第第4章章 电电容式容式传传感器感器二、二、变变面面积积型型电电容容传传感器感器 设设两矩形极板两矩形极板间间覆盖面覆盖面积为积为S，当，当动动极板移极板移动动X，则则面面积积S发发生生变变化，化，电电容量也改容量也改变变。灵敏度：灵敏度：-增大介增大介电电常数常数、极板极板边长边长b或或减小极板减小极板间间距距d，都可以提高都可以提高传传感器的灵敏度；感器的灵敏度；极板极板宽宽度度a的大小不影响灵敏

7、度，但的大小不影响灵敏度，但不能太小不能太小，否否则则边缘电场边缘电场影响增大，非影响增大，非线线性将增大；性将增大；X变变化不能太大化不能太大，否，否则边缘则边缘效效应应会使会使传传感器感器特性特性产产生非生非线线性性变变化。化。第第4章章 电电容式容式传传感器感器变变面面积积式式电电容容传传感器感器输输出是出是线线性性的，灵敏度的，灵敏度为为一常数。一常数。-为为了提高灵敏度和克服极板的了提高灵敏度和克服极板的边缘边缘效效应应，改善非，改善非线线性性。可采用如。可采用如图图所示的所示的差差动动式式变变面面积积型型传传感器。感器。该传该传感器有三个极板，上面的感器有三个极板，上面的为为可可动

8、电动电极，也是公极，也是公共共电电极，它与两个固定极，它与两个固定电电极分极分别电别电容容C1 和和C2，当可，当可动电动电极向右（或向左）移极向右（或向左）移动时动时，电电容容C1减小减小（或增（或增加），而加），而电电容容C2增加增加（或减小），差（或减小），差动输动输出，出，提高了灵敏度，非提高了灵敏度，非线线性性得到改善。得到改善。-第第4章章 电电容式容式传传感器感器图示为平板形线位移传感器结构原理图，设平行板面积为S=Lb，在忽略边缘效应时，当电容器内无介电常数为1的电介质时，电容器的电容为插入介电常数为1的电介质时，电容器的电容变为三、三、变变介介电电常数型常数型电电容容传传感器

9、感器 电电容容C与介与介电电常数常数为为1的的电电介介质质的位移的位移x成成线线性关系性关系-被被测测液体的液面在液体的液面在电电容容式式传传感器元件的两同心同柱感器元件的两同心同柱型型电电极极间变间变化化时时，引起极，引起极间间不同介不同介电电常数的高度常数的高度发发生生变变化，化，导导致致电电容的改容的改变变。1液体介液体介质质介介电电常数；常数；0空气中介空气中介电电常数（常数（F/m）；）；h电电极板极板总长总长度（度（m）；）；r内内电电极板外径（极板外径（m）；）；R外外电电极板内径（极板内径（m）；）；x液面高度（液面高度（m）。）。可见，输出电容C与液面高度 x 成线性关系。液

10、面高度液面高度-置于某置于某储储存罐的存罐的电电容式液位容式液位传传感器由半径感器由半径为为20mm和和4mm的两个同的两个同心心圆圆柱体柱体组组成，并与成，并与储储存罐等高。存罐等高。储储存罐也是存罐也是圆圆柱形，半径柱形，半径为为25cm，高，高为为1.2m，被，被储储存液体的存液体的r=2.1。试计试计算算传传感器的最小感器的最小电电容容和最大和最大电电容以及容以及传传感器用在感器用在该储该储存罐内的灵敏度。存罐内的灵敏度。解：当被解：当被测测液位液位为为零零时时，传传感器感器电电容最小，即有容最小，即有同理，当被同理，当被测测液位高度最大，即液位高度最大，即h=H=1.2m时传时传感器

11、感器电电容最大，即有容最大，即有储储存罐的容存罐的容积为积为故故传传感器的灵敏度感器的灵敏度为为-有一变极距型电容传感器，两极板的重合面积为8cm2，两极板间的距离为1mm，已知空气的相对介电常数为1.0006，试计算该传感器的位移灵敏度。-第二第二节节 电电容式容式传传感器的感器的测测量量电电路路电电容式容式传传感器将被感器将被测测非非电电量量变换为电变换为电容容变变化后，必化后，必须须采用采用测测量量电电路将其路将其转换为电压转换为电压、电电流或流或频频率信号。率信号。目前的目前的测测量量电电路种路种类类很多，一般可很多，一般可归为归为调调幅幅、调频调频、脉冲脉冲三大三大类类型。型。调调幅

12、幅测测量量电电路路-用被用被测测量量调调制制电电路中路中输输出量幅度出量幅度的的电电路。路。调频测调频测量量电电路路-用被用被测测量量调调制制电电路中路中输输出量出量频频率率的的电电路。路。脉冲脉冲调调制制测测量量电电路路-用被用被测测量量调调制制电电路中路中脉冲脉冲输输出量出量的的电电路。路。-(一一)交流交流电桥测电桥测量量电电路路一、一、调调幅幅测测量量电电路路电桥电桥初始初始处处于平衡状于平衡状态态，且，且输输出端开路，有出端开路，有当被当被测测量量变变化化时时，将引起阻抗，将引起阻抗Z1变变化化Z，于是，于是电桥电桥失去平衡，失去平衡，输输出出电压为电压为将将电桥电桥平衡条件平衡条件

13、Z1Z4=Z2Z3代入，代入，设桥设桥臂比臂比Z1/Z2=n，并考，并考虑虑到到ZZ，得，得电桥电桥的的桥桥臂系数臂系数传传感器阻抗相感器阻抗相对变对变化率化率-对对于于电电容式容式传传感器，感器，Z1为为容抗，容抗，则则有有电电容式容式传传感器阻抗相感器阻抗相对变对变化率是一个化率是一个实实数，与数，与C近似成近似成线线性性关系关系。而而桥桥臂比臂比式中是式中是桥桥臂比臂比n的模的模；是是桥桥臂比臂比n的相的相角角。所以，。所以，桥桥臂比臂比n是一个复数，是信号是一个复数，是信号频频率的函数。率的函数。-当当a=1时时，|K|为为最大最大值值Km，Km随着随着而而变变化化；=0 时时，Km=

14、0.25，输输出出电压电压与与电电源源电压电压同相位同相位；=90时时，Km=0.5，输输出出电压电压相相对电对电源源电压电压发发生生90相移相移；=180时时，Km=，电桥发电桥发生振生振荡荡，输输出出电压电压趋趋于无限大于无限大。桥桥臂系数臂系数K为为复数，表示复数，表示为为。整理得。整理得K的模和相角的模和相角为为-当当a=1时时，无，无论论为为任何任何值值，始始终为终为零，即零，即输输出与出与电电源同相位源同相位；当当a时时，为为最大最大值值，且，且=；当当=0时时，=0，这这意味着当意味着当桥桥臂臂Z1、Z2是相同性是相同性质质元件元件时时，无，无论论a为为任何任何值值，输输出出电压

15、电压都与都与电电源源电压电压同相同相。桥桥臂系数臂系数K为为复数，表示复数，表示为为。整理得。整理得K的模和相角的模和相角为为因此，在因此，在桥桥路路电电源源电压电压和和传传感元件阻抗相感元件阻抗相对变对变化量化量一定一定时时，应应满满足足两两桥桥臂初始阻抗模相等臂初始阻抗模相等（a=1），且使），且使两两桥桥臂阻抗角差臂阻抗角差尽尽量增大量增大。-电桥电电桥电电桥电电桥电路路路路 为为了了桥桥路平衡路平衡,四个四个桥桥臂中必臂中必须须接入两个接入两个电电容，另外两个容，另外两个桥桥臂接臂接入其他入其他类类阻抗元件，如：两个阻抗元件，如：两个电电阻、两个阻、两个电电感、或两个感、或两个电电容。

16、容。-当当RL时时-代入，得代入，得若在若在该电该电路中接入的路中接入的电电容式容式传传感感器是器是变间变间距型，距型，则则代入，得代入，得若在若在该电该电路中接入的路中接入的电电容式容式传传感器是感器是变变面面积积型，型，则则结论结论：当放大器：当放大器输输入阻抗极大入阻抗极大时时，电电桥桥的的输输出出电压电压与与输输入量成入量成线线性。性。-电电路的主要特路的主要特点：点：必必须须接成差接成差动动形式使用；形式使用；电桥电桥的交流激励源的幅的交流激励源的幅值值和和频频率率要要稳稳定；定；要求后要求后续电续电路路输输入阻抗无限大。入阻抗无限大。-C为传为传感器感器电电容，它跨接在高增益运算放

17、大器的容，它跨接在高增益运算放大器的输输入端和入端和输输出端之出端之间间。放大器的。放大器的输输入阻抗很高入阻抗很高(Zi)，因此可，因此可视视作理想运算放大器。作理想运算放大器。C0为为一固定一固定电电容容(二二)运算放大器运算放大器测测量量电电路路整理得整理得如果如果传传感器的感器的电电容式由平行板构成，容式由平行板构成，则则-可可可可见见见见运算放大器的运算放大器的运算放大器的运算放大器的输输输输出出出出电压电压电压电压与与与与动动动动极板的板极板的板极板的板极板的板间间间间距离成正距离成正距离成正距离成正比。运算放大器比。运算放大器比。运算放大器比。运算放大器电电电电路解决了路解决了路

18、解决了路解决了单单单单个个个个变变变变极距型极距型极距型极距型电电电电容容容容传传传传感器感器感器感器的非的非的非的非线线线线性性性性问题问题问题问题。上式是在运算放大器的放大倍数和上式是在运算放大器的放大倍数和上式是在运算放大器的放大倍数和上式是在运算放大器的放大倍数和输输输输入阻抗无限大入阻抗无限大入阻抗无限大入阻抗无限大的条件下得出的，的条件下得出的，的条件下得出的，的条件下得出的，实际实际实际实际上上上上该测该测该测该测量量量量电电电电路仍然存在一定路仍然存在一定路仍然存在一定路仍然存在一定的非的非的非的非线线线线性。性。性。性。-二、二、调频测调频测量量电电路路Cxf振振荡器器uf限

19、幅限幅放大器放大器uL鉴频鉴频器器高高频频振振荡荡回路的振回路的振荡频荡频率率传传感器起始感器起始电电容容引引线线分布分布电电容容振振荡荡回路固定回路固定电电容容当被当被测测量没有量没有变变化化时时，-当被当被测测量改量改变时变时，振，振荡荡器器频频率随之有个相率随之有个相应应的改的改变变量量 f，称，称为为频频偏偏。整理得整理得可可可可见见见见当当当当输输输输入量入量入量入量导导导导致致致致电电电电容容容容发发发发生改生改生改生改变时变时变时变时，振，振，振，振荡荡荡荡器的振器的振器的振器的振荡频荡频荡频荡频率率率率f f也随也随也随也随之之之之发发发发生相生相生相生相应变应变应变应变化，化

20、，化，化，实现实现实现实现了由了由了由了由电电电电容到容到容到容到频频频频率的率的率的率的转换转换转换转换。在在测测量量电电路中，伴随路中，伴随频频率的改率的改变变，振，振荡荡器器输输出幅出幅值值往往也会往往也会改改变变，为为克服后者，在振克服后者，在振荡荡器之后要加器之后要加限幅限幅环节环节。-(一一)二极管二极管T T形网形网络络三、三、脉冲脉冲调调制制测测量量电电路路若将二极管理想化，若将二极管理想化，若将二极管理想化，若将二极管理想化，则则则则正半周正半周正半周正半周时时时时，二极管二极管二极管二极管D D1 1导导导导通、通、通、通、D D2 2截止，截止，截止，截止，电电电电容容容

21、容C C1 1被以极短的被以极短的被以极短的被以极短的时间时间时间时间充充充充电电电电至至至至U UE E，如如如如图图图图(b)(b)所示。在所示。在所示。在所示。在负负负负半周半周半周半周时时时时，二极，二极，二极，二极管管管管D D2 2导导导导通、通、通、通、D D1 1截止，截止，截止，截止，电电电电容容容容C2C2很快被充很快被充很快被充很快被充电电电电至至至至电压电压电压电压-U-UE E，如，如，如，如图图图图(c)(c)所示。所示。所示。所示。-当当当当t=tt=t1 1时进时进时进时进入入入入负负负负半周，半周，半周，半周，C C2 2很快被充很快被充很快被充很快被充电电电

22、电至至至至电压电压电压电压-U UE E，但此，但此，但此，但此时时时时C C1 1上的上的上的上的电电电电荷荷荷荷还还还还来不及通来不及通来不及通来不及通过负载电过负载电过负载电过负载电阻阻阻阻R RL L放放放放电电电电，电压电压电压电压仍仍仍仍为为为为U UE E。由于。由于。由于。由于R R1 1=R=R2 2=R=R，在，在，在，在t t1 1瞬瞬瞬瞬间间间间，c c点和点和点和点和o o点点点点电势电势电势电势相等，相等，相等，相等，R RL L上上上上电电电电流流流流为为为为零。随着零。随着零。随着零。随着C C1 1放放放放电电电电，c c点点点点电势电势电势电势越来越比越来越

23、比越来越比越来越比o o点低，点低，点低，点低，则则则则R RL L上上上上电电电电流逐流逐流逐流逐渐渐渐渐增大。增大。增大。增大。故在故在故在故在负载负载负载负载R RL L上上上上产产产产生的生的生的生的电压为电压为电压为电压为：-当当当当R R R RL L L L已知已知已知已知时时时时，常数，常数，常数，常数，设设设设为为为为K K K K，则则则则输输输输出出出出电压电压电压电压不不不不仅仅仅仅与与与与电电电电源源源源电压电压电压电压的的的的频频频频率和幅率和幅率和幅率和幅值值值值有关，而且与有关，而且与有关，而且与有关，而且与T T形网形网形网形网络络络络中的中的中的中的电电电电

24、容容容容C C1 1和和和和C C2 2的差的差的差的差值值值值有关。有关。有关。有关。当当当当电电电电源源源源电压电压电压电压确确确确定后，定后，定后，定后，输输输输出出出出电压电压电压电压只是只是只是只是电电电电容容容容C C1 1和和和和C C2 2 的函数的函数的函数的函数。-利用利用利用利用对传对传对传对传感器感器感器感器电电电电容的充放容的充放容的充放容的充放电电电电使使使使电电电电路路路路输输输输出脉冲的出脉冲的出脉冲的出脉冲的宽宽宽宽度随度随度随度随传传传传感感感感器器器器电电电电容量容量容量容量变变变变化而化而化而化而变变变变化。通化。通化。通化。通过过过过低通低通低通低通滤

25、滤滤滤波器得到波器得到波器得到波器得到对应对应对应对应被被被被测测测测量量量量变变变变化的直流信号。化的直流信号。化的直流信号。化的直流信号。C C1 1、C C2 2为为为为差差差差动动动动式式式式传传传传感器感器感器感器的两个的两个的两个的两个电电电电容；容；容；容；A A1 1、A A2 2是是是是两个比两个比两个比两个比较较较较器，器，器，器，U Ur r为为为为其参其参其参其参考考考考电压电压电压电压。(二二)脉冲脉冲宽宽度度调调制制电电路路-脉冲脉冲调宽电调宽电路波形路波形图图C C1 1、C C2 2的充的充的充的充电时间电时间电时间电时间T T1 1、T T2 2为为为为：A

26、A、B B两点两点两点两点间间间间的的的的电压经电压经电压经电压经低通低通低通低通滤滤滤滤波器波器波器波器滤滤滤滤波后波后波后波后获获获获得，等于得，等于得，等于得，等于A A、B B两点两点两点两点电压电压电压电压平均平均平均平均值值值值U UA A与与与与U UB B之差之差之差之差-设设设设R R1 1 1 1R R2 2 2 2R R，则则则则 说说说说明差明差明差明差动动动动脉冲脉冲脉冲脉冲调调调调制制制制电电电电路路路路输输输输出的出的出的出的直流直流直流直流电压电压电压电压与与与与传传传传感器两感器两感器两感器两电电电电容差容差容差容差值值值值成正比。成正比。成正比。成正比。可可

27、可可见见见见差差差差动动动动脉冲脉冲脉冲脉冲调宽电调宽电调宽电调宽电路能适用于任何差路能适用于任何差路能适用于任何差路能适用于任何差动动动动式式式式电电电电容容容容传传传传感感感感器，并具有理器，并具有理器，并具有理器，并具有理论论论论上的上的上的上的线线线线性特性。性特性。性特性。性特性。该电该电该电该电路采用直流路采用直流路采用直流路采用直流电电电电源，源，源，源，电压稳电压稳电压稳电压稳定度高，不存在定度高，不存在定度高，不存在定度高，不存在稳频稳频稳频稳频、波形、波形、波形、波形纯纯纯纯度的要求，也不度的要求，也不度的要求，也不度的要求，也不需要相敏需要相敏需要相敏需要相敏检检检检波与

28、解波与解波与解波与解调调调调等；等；等；等；对对对对元件无元件无元件无元件无线线线线性要求；性要求；性要求；性要求；经经经经低通低通低通低通滤滤滤滤波器可波器可波器可波器可输输输输出出出出较较较较大的直流大的直流大的直流大的直流电压电压电压电压，对输对输对输对输出矩形波的出矩形波的出矩形波的出矩形波的纯纯纯纯度度度度要求也不高。要求也不高。要求也不高。要求也不高。-例例题题：P54解解:(1)根据运放知根据运放知识识，得，得题题目中目中为为了了满满足足U0与与x呈呈线线性关系，性关系，Cx应应接在接在输输入回路入回路C1位置，位置，CF应应接在反接在反馈馈回路回路C2位置，此位置，此时时有有-

29、(3)由由U0的表达式求的表达式求该测该测量量变换变换系系统统的的输输出出电压电压灵敏度灵敏度(2)由由Cx的表达式求的表达式求电电容式容式传传感器的灵敏度感器的灵敏度-第二第二节节 电电容式容式传传感器的感器的误误差分析差分析一、等效一、等效电电路路图图中中C为传为传感器感器电电容，容，Rp为损为损耗并耗并联电联电阻，它包含极板阻，它包含极板间间漏漏电电和介和介质损质损耗；耗；Rs为为引引线线、极板、金属支座等引起的的串、极板、金属支座等引起的的串联损联损耗耗电电阻；阻；Ls为电为电流回路的流回路的总电总电感；感；Cp为为寄生寄生电电容，分析可容，分析可视视为为含于含于传传感器感器电电容容C

30、中。中。在在电电容器的各种容器的各种损损耗、耗、电场边缘电场边缘效效应应、寄生与分布、寄生与分布电电容等因容等因素不可忽略素不可忽略时时，其等效阻抗，其等效阻抗-由于由于传传感器并感器并联电联电阻阻Rp一般都很大，一般都很大，Rs又相又相对较对较小，因小，因而而简简化后可得等效化后可得等效电电容容则电则电容的容的实际实际相相对变对变化量化量为为在在在在这这这这种情况下，每当改种情况下，每当改种情况下，每当改种情况下，每当改变变变变激励激励激励激励频频频频率或者更率或者更率或者更率或者更换传输电缆换传输电缆换传输电缆换传输电缆时时时时都必都必都必都必须对测须对测须对测须对测量系量系量系量系统统统

31、统重新重新重新重新进进进进行行行行标标标标定。定。定。定。-二、二、边缘边缘效效应应以上分析各种以上分析各种电电容式容式传传感器感器时还时还忽略了忽略了边缘边缘效效应应的影响。的影响。电电容器两极板容器两极板间间的的电场线电场线中中间间部分是均匀的部分是均匀的，到了，到了边缘边缘会会发发生弯曲生弯曲。这时这时，对对极板半径极板半径为为r的的变变极距型极距型电电容容传传感器，感器，其其电电容容值应值应按下式按下式计计算：算：为为了克服了克服边缘边缘效效应应，应应尽量增大前一尽量增大前一项项，减小后一，减小后一项项。增大前增大前项项，意味着增大极板面，意味着增大极板面积积，减小极板，减小极板间间距

32、；距；减小后减小后项项，意味着极板厚度要尽量小于极板，意味着极板厚度要尽量小于极板间间距。距。-边缘边缘效效应应不不仅仅使使电电容容传传感器的灵敏度降低，而且感器的灵敏度降低，而且产产生非生非线线性性。为为了消除了消除边缘边缘效效应应的影响，可以采用的影响，可以采用带带有有保保护环护环的的结结构，如构，如图图所示。所示。保保护环护环与定极板同心、与定极板同心、电电气上气上绝缘绝缘且且间间隙越小越好，同隙越小越好，同时时始始终终保持等保持等电电位，以保位，以保证证中中间间工作区得到均匀的工作区得到均匀的场场强强分布分布，从而克，从而克服服边缘边缘效效应应的影响。的影响。为为减小极板厚度，往往不用

33、减小极板厚度，往往不用整整块块金属板做极板，而用石金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄涂一薄层层金属作金属作为为极板。极板。-三、寄生与分布三、寄生与分布电电容容 电电容式容式传传感器由于受感器由于受结结构与尺寸的限制，其构与尺寸的限制，其电电容量都很容量都很小小(几几pFpF到几十到几十pF)pF)，因此极易受外界干，因此极易受外界干扰扰，尤其是受大，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆电缆寄生寄生电电容的容的干干扰扰。消。消灭灭寄生寄生电电容影响，是容影响，是电电容式容式传传感器感器实实用的关用的关键键。消

34、除寄生与分布消除寄生与分布电电容的影响，一是可从容的影响，一是可从改善改善传传感器感器结结构和尺寸构和尺寸下手，即增加初始下手，即增加初始电电容容值值，使寄生与分布，使寄生与分布电电容容对传对传感器的影响减小。二是使用感器的影响减小。二是使用各种屏蔽技各种屏蔽技术术。-(一一)、驱动电缆驱动电缆法法它它实际实际上是一种等上是一种等电电位屏蔽法。如位屏蔽法。如图图所示：所示：在在电电容容传传感器与感器与测测量量电电路的前置路的前置级级之之间间采用采用双双层层屏蔽屏蔽电缆电缆。1 1：1 1+测测测测量量量量电电电电路路路路外屏蔽外屏蔽外屏蔽外屏蔽层层层层内屏蔽内屏蔽内屏蔽内屏蔽层层层层芯芯芯芯线

35、线线线传传传传感感感感器器器器-内屏蔽内屏蔽层层与信号与信号传输导线传输导线通通过过增益增益为为1的放大器的放大器相相连连而而为为等等电势电势。电缆电缆外屏蔽外屏蔽层层接大地接大地，用来防止外界，用来防止外界电电场场的干的干扰扰。-这这种接种接线线法使内屏蔽与芯法使内屏蔽与芯线线等等电电位，消除了芯位，消除了芯线对线对内内屏蔽的容性漏屏蔽的容性漏电电，克服了寄生，克服了寄生电电容的影响容的影响 ；而内、外；而内、外层层屏蔽之屏蔽之间间的的电电容容变变成了成了驱动驱动放大器的放大器的负载负载。因此因此驱动驱动放大器是一个放大器是一个输输入阻抗很高、具有容性入阻抗很高、具有容性负载负载、放大倍数、

36、放大倍数为为1 1的同相放大器。的同相放大器。1 1：1 1+测测测测量量量量电电电电路路路路外屏蔽外屏蔽外屏蔽外屏蔽层层层层内屏蔽内屏蔽内屏蔽内屏蔽层层层层芯芯芯芯线线线线传传传传感感感感器器器器-该该方法的方法的难处难处是，是，要在很要在很宽宽的的频带频带上上严严格格实现实现放大倍数放大倍数等于等于1 1，且，且输输出与出与输输入的入的相移相移为为零零。-例例题题：P58解：由解：由图图可知，可知，传传感器感器Cx两端两端电压为电压为而放大器而放大器-Aa的的输输出出电压为电压为当当时时，电缆电缆芯芯线线与内屏蔽与内屏蔽线线等等电势电势，有，有即即-(二二)、整体屏蔽法、整体屏蔽法C C1

37、 1C C2 2C CP P1 1C CP P2 2R R1 1R R2 2-A A以差以差动电动电容容传传感器配用感器配用电桥测电桥测量量电电路路为为例，如例，如图图所示。所示。C C1 1和和和和C C2 2构成差构成差构成差构成差动电动电动电动电容容容容传传传传感器感器感器感器，与平衡，与平衡，与平衡，与平衡电电电电阻阻阻阻R R1 1和和和和R R2 2组组组组成成成成测测测测量量量量电桥电桥电桥电桥，C Cp1p1和和和和C Cp2p2为为为为寄生寄生寄生寄生电电电电容容容容。U U屏屏蔽蔽层层接接地地点点选选择择在在两两平平衡衡电电阻阻阻阻抗抗臂臂R1和和R2中中间间，使使电电缆缆

38、芯芯线线与与其其屏屏蔽蔽层层之之间间的的寄寄生生电电容容Cp1和和Cp2分分别别与与R1和和R2相相并并联联。如如果果R1和和R2比比Cp1和和Cp2的的容抗小得多容抗小得多，则则寄生寄生电电容容Cp1和和Cp2对电桥对电桥平衡状平衡状态态的影响就很的影响就很小。小。-四、四、环环境温度境温度设设一一变变极极距距型型电电容容式式传传感感器器，设设固固定定极极板板厚厚度度为为h，线线胀胀系系数数为为ah；绝绝缘缘件件厚厚度度为为b，线线胀胀系系数数为为ab；可可动动版版至至绝绝缘缘层层底底部的壳体部的壳体长为长为L，线胀线胀系数系数为为aL。当当环环境温度境温度为为t时时，极板极板间间距距为为d

39、=L-b-h。当当环环境温度境温度变变化化t时时，极板极板间间距距变为变为dt，有，有-将将d=L-b-h带带入，整理得入，整理得消除由温度消除由温度变变化而引起的化而引起的电电容相容相对误对误差的条件差的条件为为在在设计电设计电容式容式传传感器感器时时，应应首先根据根据首先根据根据合理的初始合理的初始电电容容决定决定极板极板间间隙隙d，然后再根据，然后再根据材料的材料的线胀线胀系数系数ah、ab、aL，适当地，适当地选选择择b和和h，就可，就可消除消除由由环环境温度境温度变变化而引起的化而引起的电电容量相容量相对误对误差差。由于温度由于温度变变化而引起的化而引起的电电容量相容量相对误对误差差

40、为为-第四第四节节电电容式容式传传感器的医学感器的医学应应用用一、一、电电容式容式压压力力传传感器及血感器及血压测压测量量腔腔室室通通过过排排气气孔孔接接通通到到大大气气。膜膜片片上上有有两两个个电电极极，圆圆形形的的为为工工作作电电极极，与与公公共共电电极极组组成成敏敏感感电电容容Cx；环环形形的的为为参参比比电电极极，与与公公共共电电极极组组成成参比参比电电容容CR。等效。等效为为两个两个电电容容串串联联排列排列。-当当被被测测血血压压P均均匀匀作作用用在在膜膜片片上上时时，膜膜片片挠挠曲曲变变形形。若若膜膜片片厚厚度度h远远大于大于挠挠曲曲变变形的最大形的最大值值，其敏感，其敏感电电容容

41、Cx与血与血压压P有如下关系：有如下关系：采用如采用如图图的的测测量量电电路。初始路。初始时时刻，血刻，血压压为为零，零，调节电势调节电势器器W使使桥桥路平衡路平衡，输输出出电压为电压为零零；测测量量时时，在血，在血压压压压力的作用力的作用下，膜片下，膜片挠挠曲使敏感曲使敏感电电容容发发生生变变化，化，导导致致桥桥路不平衡，路不平衡，则输则输出出电压为电压为-求求得得输输出出电电压压与与被被测测血血压压P成成正正比比，输输出特性出特性呈呈线线性性。-二、直流极化型二、直流极化型电电容式容式传传感器及呼吸感器及呼吸测测量量当当参参比比光光束束和和测测量量光光束束射射入入到到左左右右两两边边接接收收室室后后，被被接接收收室室的的气气体体所吸收所吸收，使，使气体温度升高气体温度升高，室内室内压压强强增加增加。若若参参比比光光束束和和测测量量光光束束取取自自同同一一光光源源，则则两两边边室室内内压压强强相相等等，可可动动电电极将极将维维持在持在平衡位置平衡位置。若若被被测测气体气体浓浓度增加度增加，则测则测量光束的量光束的入射量减入射量减少少，导导致致测测量室内气体量室内气体吸收能量吸收能量少于少于参比室吸参比室吸收能量，而使收能量，而使两室两室压压强强不相等不相等，可，可动电动电极极发发生生位移位移，从而，从而改改变电变电容量容量。-作作业业：P61习题习题1、2（0.025）、5-