生物医学测量与传感器6课件.ppt

电容式传感器的测量电路 电容式传感器的测量电路 电容式传感器的输出电容变化值一般都很小，在几皮法到几十皮法范围内，对于如此微小的电容，必须借助测量电路，将其转换成与其测量值成正比的电压、电流或者频率信号等，才能进一步处理，包括记录和传输等。 交流电桥 交流电桥(alternating current bridge)是电容式传感器最基本的一种测量电路，其作用与电阻式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。 交流电桥 交流电桥采用交流稳压源 Us ，电桥四个臂是阻抗。设Z1为变极距型电容传感器阻抗，另外三个臂Z2、Z3、Z4为固定阻抗 ，U0为电桥输出电压，设交流电桥初始条件为平衡状态，且输出端开路(无穷大负载) ，则 当被测参数变化引起电容式传感器阻抗 Zl 变化为 ，输出电压为， 交流电桥 交流电桥 交流电桥常用变压器式电容传感器测量电桥，图所示为采用变压器的电容传感器测量电桥，它是一个差动式结构。电桥的两个固定臂用变压器的二次绕组实现，一方面变压器易于加入交流电压，另一方面线圈可以改变匝数实现平衡调节。另外两臂采用变极距型差动电容传感器 。电桥的交流电源由振荡器产生，通过变压器耦合到二次绕组。静态时输出电压为0，电容电桥平衡条件为 d1和d2 为变极距型差动电容传感器的平衡极距。当动极板移动时，根据电桥输出，得到 该变极距型电容传感器是差动式结构，其输出特性是线性的。输出电压与极距变化量成线性关系。但应注意:上述讨论是在理想电容元件情况下进行的，实际上传感器存在寄生电容和漏电阻，将引起输出特性的非线性，而且使灵敏度下降;为了保证线性，要求交流电源是稳频稳幅的，而且前置放大器输入阻抗很高。 交流电桥 电容传感器运算放大器式测量电路 这种测量电路的最大特点是，能够克服变极距型电容传感器的非线性。由于运算放大器的增益很大，输入阻抗很高，因而图示运算放大器为理想运算放大器。这种电路实质上是一个反相比例运算电路，只是用 C0 和 Cx 代替了反相比例运算电路中的电阻R和Rf,输入和输出电压均为交流电压。由理想运算放大器的条件，可得其特性方程式为 因为固定电容 C。为常数值，设所用的变极距型电容传感器 ， 有 上式表明虽然变极距型电容传感器是一个非线性元件，但采用运算放大器式测量电路后，输出电压与极距成线性关系.极距 d 的变化量可反映为输出的变化.由式可以看出，测试精度还将取决于信号源电压的稳定性，所以需要高精度的交流稳压电源，输出亦为交流电压，最后还须经整流才能得到直流电压输出。采用合适的测量电路，可以减少变极距型电容传感器的非线性误差，提高测量的精确度和灵敏度。 对于电容式传感器而言，还可以采用其他测量电路，例如调制式电路、谐振电路等。 电容式传感器的应用举例 电容式心音传感器 心音是由于心脏瓣膜关闭和血液撞击心室壁引起的振动所产生的，可在胸壁的一定部位上用心音传感器获取，即成为心音图。每一心动周期共有四个心音，第一心音系心室肌收缩及房室瓣关闭时的振动，标志着心室收缩 ；第二心音是由于大动脉管的半月瓣关闭而发出振动所致，标志着心室收缩完毕。心音、心电图和心内压力变化之间的对应关系如图所示。 心音、心电图和心内压力之间的对应关系 电容式传感器的应用举例 主动脉瓣、肺动脉瓣和房室瓣等的狭窄或闭锁不全，都会导致异常的心杂音，知道心杂音在心动周期中出现的时间，就可推知杂音产生的部位。用听诊器通常可以听到的只是第一和第二两个心音。如果采用灵敏度高的电容式心音传感器可以获取更多的信息。心音测量对传感器和放大器都有较高的要求。 电容式心音传感器采用可动的金属圆形膜片做成动片，其周边固定在传感器塑料外壳上，前面有一个多孔保护膜，起到滤除外界噪声的作用。圆形金属固定极板固定在陶瓷圆盘上，与动片之间充以气体介质，组成变极距型电容式心音传感器。圆形塑料外壳上有通气孔和引出导线孔。当心音的振动波压迫膜片式动片前后移动，两个极板(固定极板和动极片)的极距发生变化，引起电容的变化。通过电容测量电路实现心音测量。由于电容式传感器具有无接触测量的优点，利用这一特点可测量心音、脉搏、心尖搏动和胸壁运动等。电容式心音传感器是较好的一种心音传感器，其灵敏度高，频率可达 3~800Hz。 电容式心音传感器结构原理 电容式传感器的应用举例 心音传感器、心音放大滤波器和记录器构成心音测量系统。心音和心杂音的幅度都较小，其主要频率一般为 O.1~600Hz 范围内。由于低频端处于人耳听阈以下，所以只有用心音测量系统才能真