高等教育生物医学传感器电容和电感.pptx

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1、高等教育生物医学传感器电容和电感高等教育生物医学传感器电容和电感优点：测量范围大灵敏度高动态响应时间短机械损失小结构简单，适应性强寄生电容影响大具有非线性输出（变间隙式）缺点：第1页/共52页第一节 电容式传感器的工作原理平板电容同轴圆柱型电容第2页/共52页第二节 电容式传感器的类型及特性变面积式第3页/共52页变极距式单极式变极距型第4页/共52页 差动式变极距型差动式变极距型第5页/共52页变介质型第7页/共52页电容式厚度传感器第8页/共52页vv电容传感器的等效电路第三节 电容传感器的测量电路分析第9页/共52页交流电桥v电容传感器的测量电路第10页/共52页第11页/共52页第12

2、页/共52页变压器式电桥第13页/共52页即输出电压与位移d成线性关系第14页/共52页正负半周分析：正负半周分析：正半周：C1充电，电流顺时针；C2放电，电流逆时针负半周：C2充电，电流逆时针；C1放电，电流顺时针若C1=C2，则电流抵消，若C1C2，则RL有信号输出二极管双T形交流电桥第15页/共52页脉冲调制电路第16页/共52页第17页/共52页调频电路特点：特点：n转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。n具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01m级位移变化量。n但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。第18页/共52页运算放大器电路第19页/共52页第三

3、节 电容传感器的误差分析温度的影响边缘效应的影响寄生电容、分布电容的影响第20页/共52页温度对结构尺寸的影响温度对结构尺寸的影响电容传感器由于极板间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极板间隙发生较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。在设计电容式传感器时，适当选择材料及有关结构参数，从而实现温度误差的补偿。温度对介质的影响温度对介质的影响温度对介电常数的影响随介质不同而变化，空气及云母的介电常数温度系数近似为零，而某些液体介质，如硅油、医麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数的温度系数可达0.07%/，若环境温度变化，

4、则将带来7%的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。温度影晌温度影晌第21页/共52页边缘效应边缘效应当极板厚度与极距之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。危害：边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。消除措施：1.增大初始电容 2.加装等位环 带有保护环的电容传感器原理结构第22页/共52页寄生电容的影响寄生电容的影响产生原因：极板与周围物体及电缆本身均产生电容，与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性。消除措施：消除措施：1.整体屏蔽法 整体屏蔽的关键在于正确选取接地点。整体屏蔽法是一种较好的方法，但将使总体结构复杂化。但仍存在问题：(1)当屏蔽线很长

5、，其本身电容很大，且大于传感器电容量，导致传感器灵敏度下降；(2)电缆电容量因放置位置和形状的不同而不同，造成传感器特性不稳定。第23页/共52页 一种等电位屏蔽法，是解决电缆电容影响问题的有效办法。在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，并接入增益为1的驱动放大器。优点：消除了芯线对内屏蔽层的容性漏电，克服了寄生电 容的影响；驱动放大器是一个输入阻抗很高、具有 容性负载、放大倍数为1的同相放大器。缺点：要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且输出 与输入的相移为零。2.驱动电缆法 驱动电缆法原理第24页/共52页电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式

6、变送器电容式变送器差压传感器第25页/共52页电容式传感器医学应用第26页/共52页第27页/共52页第五章 电感式传感器第28页/共52页电感式传感器应用应用电磁感应原理电磁感应原理，将非电量参数如：位移、将非电量参数如：位移、压力、应变、流量等转压力、应变、流量等转换成电感量的变化，然换成电感量的变化，然后通过相应的测量电路后通过相应的测量电路转换成电压或电流形式转换成电压或电流形式输出，实现非量电测的输出，实现非量电测的一种装置。主要包括线一种装置。主要包括线圈、铁芯和活动衔铁三圈、铁芯和活动衔铁三个部分。个部分。第29页/共52页电感式传感器的主要分类自感式自感式互感式（差动变压器式）

7、互感式（差动变压器式）电涡流式电涡流式第30页/共52页F36V交流毫安表交流毫安表交流电压源交流电压源交流接触器线圈交流接触器线圈自感式电感传感器第31页/共52页 气隙变小，电感变大，电流变小自感传感器的基本工作原理演示第32页/共52页自感式电感传感器（气隙型和螺线管型）简单自感式简单自感式气隙型电感传感器螺线管型电感传感器a 变气隙厚度型b 变气隙面积型第33页/共52页差动自感式在变隙式差动电感传感器中，在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，感量一个增加，一个减小，形成差动形式

8、。形成差动形式。两只完全对称的简单自感传感器合用一个活动衔铁就构成了差动自感传感器。第34页/共52页第35页/共52页互感式电感传感器 将被测量的变化转化为线圈互感的变化，其工作原理类似变压器，但其副边接成差动式，故又称为差动变压器式传感器。第36页/共52页第37页/共52页一次绕组的电流为：一次绕组的电流为：二次绕组的感应动势为二次绕组的感应动势为 由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势:第38页/共52页电涡流式传感器电涡流当通过金属体的磁通量变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的。涡流效应电涡流的产生消耗一部分能量，使产生

9、磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。第39页/共52页电涡流使通电线圈的等效阻抗发生变化，线圈等效阻抗的变化反映了金属导体的涡流效应。电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率等参数有关。通过电路可将被测金属参数转换成电压或电流变化。电涡流传感器根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。Z:高频涡流传感器线圈阻抗 :电导率:导磁率 r：线圈半径等几何尺寸I:线圈电流 f:频率 x:距离第40页/共52页第41页/共52页电感式传感器测量电路第42页/共52页浮子的位移变成电量：液位升高，液体对浮子的浮力F，破坏平衡状态。浮子上升，铁

10、心上移，电感变化，输出信号改变。自感式传感器测液位电感式传感器应用第43页/共52页位移测量仪位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。数显位移测量仪及探头数显位移测量仪及探头电感式传感器应用第44页/共52页测转速 若转轴上开z个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为 电感式传感器应用第45页/共52页电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈电涡流的应用 电磁炉电感式传感器应用第46页/共52页高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底高

11、频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。食物。电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理电感式传感器应用第47页/共52页电涡流的应用 大直径电涡流探雷器 电感式传感器应用第48页/共52页封口机市场上自动封口机，利用电涡流原理。待封口位置含铝，检测到封口位置时，电涡流效应产生热量，实现封口。间隙越大，电涡流越小电感式传感器应用第49页/共52页安检门当有金属物体穿当有金属物体穿越安检门时报警越安检门时报警 安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软x光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。电感式传感器应用第50页/共52页电感式传感器医学应用电感式传感器应用第51页/共52页感谢您的观看。感谢您的观看。第52页/共52页