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第 3 章 生物医学传感器基础

第 3 章 生物医学传感器基础. 常向荣 changxiangrong@163.com. 3.5 电容式传感器及其医学应用. （ 1 ）电容式测厚仪 : 测量金属带材在轧制过程中厚度. C1 、 C2 工作极板与带材之间形成两个电容， 其总电容为 C= C1+C2 。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。. （ 2 ）电容式转速传感器. 当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为 z , 频率为 f , 则转速为 :. 要求掌握.

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第 3 章 生物医学传感器基础

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Presentation Transcript

  1. 第3章 生物医学传感器基础 常向荣 changxiangrong@163.com

  2. 3.5 电容式传感器及其医学应用

  3. （1）电容式测厚仪: 测量金属带材在轧制过程中厚度 C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容， 其总电容为C= C1+C2 。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。

  4. （2）电容式转速传感器 当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为z,频率为f,则转速为:

  5. 要求掌握 • 电容计算公式 • 电容传感器的基本原理 • 变面积型传感器测位移量 • 变极距型电容传感器测位移量 • 变介质型电容传感器测位移量 • 作业： • 电容式传感器测量角位移，公式推导，灵敏度推导。

  6. 电容式传感器是一种将被测非电量(例如位移、速度和微小压力等)的变化转换为电容量变化的传感器件。 • 电容式传感器输出是电容的变化 • 其主要优点是分辨率高，结构简单和可非接触测量等。 • 介绍电容式传感器原理、特点及其测量电路,在生物医学工程和人体信息检测中的应用。

  7. 3.5.1 电容式传感器基本原理 • 平板电容器构造 A 极板相互覆盖面积(cm2 ) d 两极板间的距离(cm) 板间介质的介电常数

  8. 两金属极板用介质隔开,构成一简单的电容。忽略极板边缘效应，电容量C表示：两金属极板用介质隔开,构成一简单的电容。忽略极板边缘效应，电容量C表示： •  板间介质的介电常数 • 0真空介电常数，0=1/3.6π(PF/cm2) • r =/0 介质的相对介电常数 • （对于空气介质 r ≈1）。

  9. 若A、d、ε三个参数中任意一个发生变化,都会引起电容的变化,通过测量电路可转换为相应电量输出,这是电容式传感器基本原理。 • 电容式传感器可以分为三种类型： • 变面积式:改变极板面积A； • 变极距式:改变极板距离d； • 变介电常数式:改变介电常数 。

  10. 3.5.2 变面积型电容传感器 • 变面积型电容传感器的原理图 (a)变面积型 (b)差动变面积型 • 设两极板间覆盖面积A=L×b,当设定传感两极板间距d和介电常数r为常数时,改变L,可以改变电容量

  11. 初始电容: • 若电容传感器上极板可动,下极板固定 • 设定动极板相对定极板向右(或向左)平移ΔL时,其电容C与ΔL为线性关系:

  12. 电容的相对变化量为: ΔC/C0 = ΔL/L • ΔC与ΔL(动极板的位移)呈线性关系,变面积型电容传感器的输出特性为线性。 • 灵敏度S: S = ΔC/ΔL = ε0εr b/d • 减小极距d,提高灵敏度。 • 用于测量直线位移和角位移。ΔL不能太大,否则边缘效应增加,产生非线性。

  13. 差动式变面积型传感器特点： • 有3个电极,上面的为可动电极,也是公共电极,它与两个固定电极分别形成电容C1和C2 • 当可动电极向右(或向左)移动时,电容C1减小(或增加),而电容C2增加(或减小),差动输出灵敏度提高,非线性得到改善,克服极板的边缘效应，获得较大直线位移或角位移测量。 • 初始位置必须保持可动极板与两固定极板构成的电容C1和C2为相同值。

  14. 3.5.3 变极距型电容传感器 • 结构图 • 上极板为固定极板；下极板为动极板（动片）。 • 动极板随被测参数的改变上下移动时，极距d改变，引起电容量的变化。

  15. 初始电容（未移动时）为 C0 =  A/d=ε0εr A/d • 动极板上下移动Δd ,则电容C变为： • 电容的相对变化量为:

  16. 变极距电容传感器输出特性C=f(d)是非线性的,为双曲线函数关系,如图变极距电容传感器输出特性C=f(d)是非线性的,为双曲线函数关系,如图

  17. 满足微小变化条件：Δd/d《 1 , 则上式可用级数展开： • 设定Δd/d为0.02～0.1，可略去高次项,得到线性关系： ΔC/C0 ≈ Δd/d

  18. 灵敏度(线性）: S=ΔC/Δd = C0 /d = ε0εrA/d2 • 如果考虑二次项,其相对非线性误差为:

  19. 变极距型电容传感器（总结） • ①变极距型电容传感器在Δd/d很小时,才有近似线性输出,因此,适用于微米(μm)级位移测量。 • ② 传感器的灵敏度S与初始极距d的平方成反比,故可采用减小d的办法来提高灵敏度,但又影响线性。在设计时采用折中办法解决, • 例如电容式压力传感器,取d=0.1～0.2mm,C0在20～100PF之间,由于分辨力极高,可测小至0.01μm的位移。

  20. 变极距型电容传感器 • ③ 为了克服非线性和提高灵敏度之间的矛盾,可采用差动式结构。 • 变极距型差动电容传感器结构: • 动极板置于两定极板1,2之间, • 初始位置时dl = d2 = d,两边初始电容相等。

  21. 当动极板向上移Δd时,两边极距变化为: • d1= d–Δd , d2= d+Δd

  22. 若Δd<<d,上两式可按级数展开：

  23. 差动输出，电容总的变化量为: • 此时电容总的相对变化量为:

  24. 忽略高次项,电容传感器的线性关系 ΔC/C0 = 2Δd/d • 其灵敏度: S = ΔC/Δd = 2 C0/d • 与单臂结构电容传感器比较,差动式结构电容传感器灵敏度提高了一倍。

  25. 而非线性误差大为减小,其相对线性误差为:

  26. 3.5.4 变介质型电容传感器 • 变介电常数型电容传感器是通过改变介电常数ε实现测量 • 各种介质的介电常数不同， • 如水的相对介电常数r为80；甲醇为37；乙醇为20～25； 盐为6；云母为6～8；玻璃为3.7；塑料为1.8～2.2；液态空气为1.5；真空为1等。

  27. 利用介质块移动进行位移测量原理图

  28. 变介质式电容传感器: • 两固定极板间充以气体介质，其介电常数ε1。介质块可移动，其高度为d2,介电常数为ε2,介质块移入电容中的距离为x。两固定极板间距为(d1+d2)。无介质块时电容为C0, b为极板宽度

  29. 介质块移入x后的电容为

  30. 电容大小与介质块移入电容距离x成线性比例关系。 • 可用于测量微小移动

  31. 电容式液面计的原理图 • 其基本原理是变介质型电容传感器 • 假设在两个同心圆柱形极板1和极板2中放入被测介质 • 若容器内液体介质的介电常数为1，容器内气体介电常数为0 • 当容器内液面高度发生变化时，极板1和2之间的电容量就要发生变化。 • 用来检测容器中的液面高度

  32. 图3.5.4-1电容式液面计的原理图

  33. 若气体介质间的电容量为C0，液体介质间的电容量为C1若气体介质间的电容量为C0，液体介质间的电容量为C1 • 电容C等于C0和C1之和

  34. 设： C = A + Bx • 电容C与液面高度x成线性关系

  35. 电容传感器小结： • 1 变面积型：线性关系 ΔC/C0 = ΔL/L • 2 变极距型：双曲线函数 • 近似线性： ΔC/C0≈Δd/d • 差动输出： ΔC/C0 = 2Δd/d • 3 变介质型：C = A + Bx

  36. 3.5.5 电容传感器的测量电路 • 电容传感器电容值一般在几PF到几十PF内变化。 • 必须借助测量电路,将电容值转换成与其成正比的电压、电流等。 • 常用测量电路分为： • 交流电桥 • 变压器式电桥 • 运算放大器测量电路

  37. 3.5.5.1.交流电桥 • 交流电桥是电容传感器最基本的一种测量电路 • 其作用与电阻传感器的直流电桥一样，是将微弱的电容变化量转换为电压和电流。

  38. Z1电容传感器阻抗, Z2、Z3、Z4为固定阻抗 • 交流稳压源 设其内阻抗为零 • 输出电压

  39. 电桥初始为平衡状态,且输出端开路,则： Z1 Z4 = Z2 Z3及 输出电压 =0。 • 被测参数变化引起电容传感器阻抗Z1变化△Z,于是桥路失去平衡,输出电压为

  40. 设桥臂比 n=Z2/Z1, 由于ΔZ<<Z1,分母中ΔZ/Z1可忽略，将电桥的平衡条件Z1 Z4 = Z2 Z3 代入上式可得

  41. 式中: • △Z/Z1 - 传感器阻抗相对变化率; • n=Z2 /Z1 =Z4/Z3 - 桥臂比; • K - 桥臂系数。 • 对各个参数进行讨论： • (1)传感器阻抗相对变化比率β: • 对变极距电容传感器： • 是一个实数, 已知△C或△d可确定阻抗相对变化比率。

  42. (2)桥臂比n: • 式中 a=|Z2|/Z1|为n的模,θ=（Ф2-Ф1）为n的相角。显然,桥臂比n为一复数,n与信号的频率有关。 • (3)桥臂系数K: • K是桥臂比n的函数,因此K也为一复数,表示为:

  43. <i • 将 代入上式，整理得到K的模和相角：

  44. 几种常用交流电桥

  45. 对于图(a)(b)单臂交流电桥取n=1有: • a=1, θ=0, • 桥臂系数:|K|=0.25, ф=0 。 • 因此输出电压: • 用变极距电容传感器则

  46. 对于图(c)所示电桥,如果平衡条件能满足: <i • 则桥臂系数|K|=0.5, φ =0。输出电压： • 求得:a=1, θ=90º ,

  47. 图(c)和(a)都是单臂交流电桥，不同的是传感器位置发生变换。使得图(c)输出电压,灵敏度比图(a)、(b)提高了一倍,这种情况在直流电桥中不会出现。图(c)和(a)都是单臂交流电桥，不同的是传感器位置发生变换。使得图(c)输出电压,灵敏度比图(a)、(b)提高了一倍,这种情况在直流电桥中不会出现。 • 比较图(c)和(a),、使用RC元件一样,只是改变了联接法,使得桥臂比n的相角θ由零变为90º,从而使电路灵敏度提高了一倍。

  48. 图(d)所示电桥,采用了差动式电容传感器,故输出电压又比图(c)提高了一倍,输出电压：图(d)所示电桥,采用了差动式电容传感器,故输出电压又比图(c)提高了一倍,输出电压： • 上述分析的前提是输出端开路,实际由于负载阻抗存在会使输出电压偏小。 • 电桥的输出为交流信号, 在设定的参考方向(或参考极性)下进行分析。

  49. 3.5.6 电容式传感器的应用 • 3.5.6.1 电容式阵列触觉传感嚣的原理, • 触觉是构成智能机器人的核心技术-感觉技术的重要组成部分。 • 目前触觉传感器按照其敏感材料、感知机理大致可分为六种:机械式、压阻式、电容式、压电式、磁电式和光电式。 • 从触觉机理、传感材料、信息获取、图像识别等方面进行大量研究。 其中电容式触觉传感器具有很高的实用价值。

  50. （1） 电容式传感器的原理 • 小间距的电容可用于检测两个导电极板间的相对位移 • 当两极板间产生相对位移时Δd,（Δd<<d0, d0为电容极板初始间距）可得到如下近似线形关系:

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