第二章 电阻式传感器.ppt.ppt

第二章 电阻式传感器,王豫、刘文勇老师,生物医学传感器,本章内容,1.绪论2.金属应变式传感器3.金属应变片的参数和特性4.半导体压阻式传感器5.电阻式传感器测量电路6.电阻式传感器的生物医学应用,1.绪 论,血压测量,血压：体循环动脉血压简称血压（blood pressure，BP）。血压是血液在血管内流动时，作用于血管壁的压力，它是推动血液在血管内流动的动力。收缩压（systolic blood pressure，SBP）：心室收缩，血液从心室流入动脉，此时血液对动脉的压力舒张压（diastolic blood pressure，DBP）：心室舒张，动脉血管弹性回缩，血液仍慢慢继续向前流动，但血压下降，此时的压力,1.绪论,血压测量,正常血压：理想血压：收缩压120mmHg、舒张压80mmHg正常血压：收缩压139mmHg、舒张压89mmHg血压测量方法：直接血压测量：精确、有创，用于危重患者和手术监控间接血压测量：听诊法（Auscultatory method）示波法（Oscillometric method）,1.绪论,血压测量,电子血压计示波法：仍采用充气袖套来阻断上臂动脉血流。由于心搏的血液动力学作用，在气袖压力上将重叠与心搏同步的压力波动，即脉搏波。示波法血压测量就是根据脉搏波振幅与气袖压力之间的关系来估计血压的。使用基于压阻原理的压力传感器,1.绪论,电阻式传感器的应用,足底压力检测骨骼生物力学实验脊柱矫形压力检测,1.绪论,2.金属应变式传感器,基本概念（1）应力,应力：物体由于外因(受力、湿度、温度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力,2.金属应变式传感器,基本概念（2）应变,应变：物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。为此可在该点处取一单元体，比较变形前后单元体大小和形状的变化 即应变是由载荷、温度、湿度等因素引起的物体局部的相对变形,2.金属应变式传感器,工作原理 电阻应变效应,电阻应变效应：当金属在外力作用下发生机械变形（应变）时其电阻值将发生变化在金属导体的拉伸比例极限内，金属导体的电阻的相对变化与应变成正比,:发生应变时电阻的变化量,:无应变时的电阻值,:轴向应变,:金属材料的灵敏系数（材料的固有特性）,2.金属应变式传感器,电阻应变效应的公式推导,设有一段金属电阻丝，其截面积为A，电阻率为，长度为L，则其电阻为：,形变,自然对数,全微分,2.金属应变式传感器,电阻应变效应的公式推导,：金属丝在应力作用下电阻值的变化率,：金属丝电阻率的相对变化量,：金属丝截面积的相对变化量,：金属丝长度的相对变化量,轴向应变,2.金属应变式传感器,电阻应变效应的公式推导,若金属丝截面是圆形的，则截面积为：,金属丝横向应变,金属丝纵向应变,泊松比或泊松系数，是一常数,2.金属应变式传感器,电阻应变效应的公式推导,形变引起的电阻变化包括两个部分,材料的几何尺寸变化引起的电阻变化，称为尺寸效应,材料的电阻率变化引起的电阻变化，称为压阻效应,金属材料的灵敏系数：,实验表明，在金属丝变形的弹性范围内，为一常数，并可通过实验测得。,2.金属应变式传感器,常用金属电阻丝材料的性能,2.金属应变式传感器,金属应变片的结构,基本结构底基（基片）：绝缘并传递应变电阻丝：感受应变，并将其转换为电阻的变化覆盖层：起保护作用，防湿、蚀、尘引出线：连接电阻丝与测量电路，输出电参量,2.金属应变式传感器,金属应变片的分类,金属应变片,丝式应变片,箔式应变片,薄膜应变片,回线式应变片,短接式应变片,2.金属应变式传感器,金属应变片的种类,丝式应变片回线式应变片将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在底基和覆盖层之间。优点：加工简单、成本低，最常用的应变片缺点：横向效应明显短接式应变片敏感栅平行安放，两端用直径比栅丝直径大510倍的镀银丝短接而成优点：较好的克服了横向效应缺点：焊接点易出现疲劳破坏，制造工艺要求高,2.金属应变式传感器,金属应变片的种类,箔式应变片在绝缘基底上，将厚度为0.0010.01mm的电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀技术，制成各种需要的形状，再加上覆盖层和引出线,优点：可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；与被测件粘结面积大，传递应变性能好；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；横向效应可忽略；蠕变和机械滞后小，寿命长,缺点：电阻值分散性大,2.金属应变式传感器,3.金属应变片的参数和特性,应变片的尺寸,应变片敏感栅的尺寸基长（标距）l：沿应变片轴向敏感栅两端转向处之间的距离栅宽b：敏感栅的横向尺寸应变片底基的尺寸底基长度L：L l底基宽度W：W b,3.金属应变片的参数和特性,应变片的灵敏系数,应变片的灵敏轴线 应变片的纵轴线使用时总是把应变片的灵敏轴线平行于试件的最大主应变方向应变片的灵敏度k应变片电阻变化率与应变片沿灵敏轴线方向的应变之比，表达式为：,或,其中,电阻应变片的灵敏系数 k 电阻丝的灵敏系数 k0,电阻应变片的横向效应,3.金属应变片的参数和特性,应变片的灵敏系数,标称灵敏系数应变片的灵敏系数是通过实验测定得到的应变片的测试实验是消耗性的测试实验：受轴向单向力，试件材料为泊松系数=0.285的钢等从每批的应变片产品中抽取一定的比例（5%）来测定灵敏系数k再取平均值作为这批产品的灵敏系数，即为“标称灵敏系数”,3.金属应变片的参数和特性,横向效应,定义：将直的金属丝绕成敏感栅后，应变片的电阻变化将比同等长度的直的金属丝小，因而灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应原因：圆弧处电阻丝受拉，截面积增大，电阻值减小,3.金属应变片的参数和特性,横向灵敏系数,应变片对轴向应变的灵敏系数 时，敏感栅电阻相对变化与 之比应变片对横向应变的灵敏系数 时，敏感栅电阻相对变化与 之比横向灵敏系数：表示横向应变对应变片电阻相对变化的影响程度,经分析：应变丝圆弧半径越小，基长l 越大，横向灵敏系数越小,3.金属应变片的参数和特性,应变片的应变极限,应变特性曲线应变片的真实应变特性是非线性的应变片的真实应变与指示应变之间的关系曲线应变极限应变片指示应变与真实应变的相对误差小于规定值（一般为10%）时所能达到的最大应变值,:经过校准的应变仪 的应变读数,:应变片的实际应变值,3.金属应变片的参数和特性,机械滞后,定义对已安装好的应变片，在恒定温度下，加载和卸载过程中同样载荷所指示的应变值并不相同，其最大差值称为机械滞后原因敏感栅材料、底基和粘接剂的残余变形预防对新粘贴的应变片，在正式测量前进行反复的加载、卸载35次,3.金属应变片的参数和特性,最高工作频率,动态测量时，应变是以应变波的形式在材料中传播的，其传播速度与声波相同（钢材中为5000m/s）应变片要响应应变需要一定的时间，即应变片有最高工作频率的限制最高工作频率与应变片基长有关,不同基长对应的最高工作频率（钢材）,3.金属应变片的参数和特性,应变片电阻值,应变片在未经安装也不受外力的情况下，于室温时测得的电阻值，是使用应变片时应知道的特性参数目前应变片的标准名义电阻值通常为：60、120、350、500、1000。其中120 的最为常用应变片在相同的工作电流下，电阻值越大，允许的工作电压就越大，可提高测量的灵敏度,3.金属应变片的参数和特性,最大工作电流,指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值工作电流越大，应变片的输出信号越大，测量灵敏度越高过大的工作电流会使应变片过热，导致灵敏系数变化，零漂和蠕变增加，甚至烧毁应变片通常允许的电流值在静态测量时取25mA左右，动态测量时可高一些；箔式应变片可达500mA,3.金属应变片的参数和特性,零漂和蠕变,零漂已安装好的应变片，在一定温度下，不承受机械应变时，其指示应变随时间而变化的特性，称为该应变片的零漂蠕变在一定温度下，应变片承受一恒定的机械应变时，指示应变对时间变化的特性，称为应变片的蠕变衡量应变片对时间的稳定性,3.金属应变片的参数和特性,应变片的温度特性,应变片的温度误差在测量中，应变片的电阻值将随环境温度的变化而变化，由此造成的误差称为温度误差应变片由温度引起的电阻变化与试件应变引起的电阻变化几乎具有相同的数量级，因此必须进行补偿出现温度误差的原因应变片的金属敏感栅电阻本身随温度变化试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同而造成应变片的附加变形使得电阻变化,3.金属应变片的参数和特性,温度误差补偿,桥路补偿法R1：工作应变片，贴在受力件上RB：补偿应变片，贴在不受力但环境温度相同的材料上R1和RB接入电桥，并处于相邻的桥臂上，则温度引起的电阻变化会互相抵消,3.金属应变片的参数和特性,温度误差补偿,测量弯曲应变时的桥路补偿R1：工作应变片，贴在试件上表面，受拉力RB：补偿应变片，贴在试件下表面，受绝对值相等符号相反的压力R1和RB接入电桥，并处于相邻的桥臂上，则使输出增加一倍，提高输出灵敏度，并补偿了温度误差,3.金属应变片的参数和特性,4.半导体压阻式传感器,工作原理 压阻效应,定义：半导体材料在机械应力的作用下，材料本身的电阻率发生较大变化的现象，称为压阻效应原理晶体在应力作用下，晶格间的载流子（空穴、电子）的相互作用发生了变化，原子结构中的导带和价带之间的禁带宽度发生了变化，这就影响了导带中载流子的数目，同时又使载流子的迁移率发生变化，导致晶体电阻率发生了变化,4.半导体压阻式传感器,半导体应变片的灵敏系数比金属应变片大几十倍至一百多倍,压阻效应的公式推导,半导体晶片压阻效应的方向性很强，在某一晶格方向上压阻效应最显著，而其他方向上压阻效应较小或不会出现半导体应变片的压阻效应是指：在轴向受力时，其电阻率的变化,：半导体材料的压阻系数,E：杨氏模量,ks：半导体应变片的灵敏系数,4.半导体压阻式传感器,半导体应变片的特点,灵敏系数高半导体应变片的灵敏系数：50200（金属应变片的灵敏系数：14）体积小、机械滞后低横向效应小半导体晶体的压阻效应具有方向性（定向灵敏）温度系数大，应变时非线性比较大,4.半导体压阻式传感器,半导体应变片的分类,体型半导体应变片,扩散式半导体应变片,半导体应变片,体型半导体应变片：需要胶水粘贴,扩散式半导体应变片：有两种型式，一种本身既是敏 感元件，又是换能元件，无需粘贴；另一种尺寸很 小，需要粘贴，只能做换能元件,4.半导体压阻式传感器,体型半导体应变片,基本结构采用P型或N型硅材料，按其压阻效应最强的方向切割成厚度为0.020.05mm，宽度为0.20.5mm，长度为几mm的薄片，作为半导体条再配上底基、引线及覆盖层,4.半导体压阻式传感器,扩散式半导体应变片,典型结构是随着近代半导体工艺的发展而出现的新型元件将P型半导体扩散到N型硅底基上，形成一层极薄的导电P型线条，连接引线后形成扩散式半导体应变片，通常简称压敏电阻片可直接制作成敏感和换能元件，摆脱粘贴工艺，因此扩散式应变片在压力测量中得到广泛的应用,4.半导体压阻式传感器,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥电路,直流惠斯登电桥R1：测量臂R2、R3、R4：已知数值的固定电阻U：直流源c、d之间为输出端，接入检流计,5.电阻式传感器测量电路,电桥平衡：调整R2、R3、R4，使c、d之间电势差为0，即检流计中无电流通过，此时电桥达到平衡状态。,电桥平衡条件：,直流电桥电路分析,戴维宁（戴维南）定理：一个含独立电源、线性电阻和受控源的一端口，可以用一个电压源和电阻的串联组合等效置换，此电压源电压等于端口开路电压，电阻等于一端口全部独立电源置零后的输入电阻。直流电桥电路的等效变换,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥电路分析,开路电压U0的计算：等效电阻R0的计算,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥电路分析,电桥输出电流计算（直流电桥特性方程）,电桥平衡条件：,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥输出分析,若被测应变较大，不用放大器，则电桥直接以电流形式输出。为使电桥输出功率最大，依据阻抗匹配原理，应使输出阻抗R0和Rf负载相等一般电桥的输出端需接放大器，放大器的内阻很高，则电桥的输出端相当于开路，此时电桥输出开路电压,即：,则输出为：,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥输出分析,直流电桥的实际输出（电压输出）测量臂R1由应变引起电阻变化：R1电桥平衡被打破，产生微小的输出电压输出电压经放大器放大，得到输出信号,设桥臂比：,又：,等臂电桥,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥的实际测量方法,偏位法在输出电流表上直接刻出R或值，读数受电源电压变化的影响，适用于动态测量。,零位法在电桥中接入可变电阻r，当电桥不平衡时，调节r使电桥重新平衡，在可变电阻上刻出应变值。读数与电源电压无关，测量精度高，但操作复杂，适用于静态测量。,略去Rr项得：,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥的灵敏度,定义电桥输出与电桥测量臂电阻相对变化率之比灵敏度分析（电压灵敏度）,电压灵敏度：,电流灵敏度：,U一定时，求电压灵敏度最大值：,SU与U成正比，但U增大会导致电桥功耗增大，且U通常不能任意增加,5.电阻式传感器测量电路,恒压源供电直流电桥,把扩散式压敏电阻接成惠斯登全桥把电阻值增大的2个电阻对接，电阻值减小的2个电阻对接，使电桥输出灵敏度最大R：电阻增量RT：电阻随温度的变化量,5.电阻式传感器测量电路,恒流源供电直流电桥,设电桥两支路电阻相等,电桥输出为：,电桥输出与R成正比，也与电流源电流成正比，而不受温度的影响,5.电阻式传感器测量电路,灵敏度与温度的关系,恒压源供电时灵敏度受温度的影响较大恒流源供电时灵敏度受温度的影响较小电桥输出灵敏度与温度关系曲线,5.电阻式传感器测量电路,差动式直流电桥,采用差动式电桥可以提高电桥的灵敏度,差动式半桥电路,差动式全桥电路,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥的零位补偿,零位输出：仪器在输入信号为零时的输出，理想状态为0直流电桥的零位输出：桥臂阻值不可能完全相等，所以 零位输出0，经常需要对零位输出进行补偿。,小电阻串联零位补偿：适用于桥臂电阻小的直流电桥,大电阻串联零位补偿：适用于桥臂电阻较大的直流电桥,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥的零位补偿,并联零位补偿：零位调节方便、稳定，多用于仪器的零位补偿,相当于在R1和R3上各并联了一个电阻,R5、R6和R7的作用是使调节过程平缓、稳定；同时起到防止短路的保护作用,R5、R6有时可以省略,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥的零位补偿,双桥零位补偿：零位调节精确、稳定，多用于要求较高的仪器,调节电桥II中的电位计，使电桥II不平衡输出，从而用电桥II的输出来抵消电桥I的零位输出，使整体零位输出为零,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥的温漂补偿,温度漂移：产生原因复杂，对长时间连续测量影响较大，对于精密测量，需要进行专门的补偿,热敏补偿法：用热敏元件的电阻变化去补偿桥臂电阻的温度变化,非热敏补偿法：通过外接电阻去补偿桥臂电阻的温度变化,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥的灵敏度温漂补偿,灵敏度温漂：普遍存在、原因复杂，通过将热敏元件串联到电桥输入端来补偿，提高输出精度,温度，灵敏度,电源电压，输出，灵敏度,温度，灵敏度,电源电压，输出，灵敏度,一般是把具有负温度系数的二极管PN结扩散在电源回路中进行补偿,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥的非线性补偿,电桥输入-输出关系的非线性电桥线路、元件的非线性、机械结构的非线性通过控制电桥电源随输入信号变化来补偿,将一半导体应变片与测量臂应变片安置在一起，并接入电桥的输入端，以补偿电桥输出的非线性。并联的小电阻用于控制补偿作用的大小,进行非线性补偿后，会使电桥的灵敏度下降，这可通过提高电源电压来弥补,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥的标准化补偿,电桥个体间存在灵敏度差异，考虑仪器的互换性，需要对电桥的灵敏度作标准化补偿,RK为灵敏度标准化补偿电阻，通过微调电源实际供给电桥的电压，从而达到微调电桥实际灵敏度的作用,Ri与电桥的输入电阻并联，微调Ri可以使电桥的输入电阻达到较好的一致性,5.电阻式传感器测量电路,直流电桥的实际补偿电路,实际补偿时，往往选择误差影响较大的指标，而不用对所有指标全部补偿直流电桥的综合补偿电路,Rm：灵敏度温漂补偿电阻,Rs：灵敏度标准化补偿电阻,Rt：温漂补偿电阻,R0：零位平衡补偿电阻,5.电阻式传感器测量电路,背 景 知 识,运算放大器特性倒向输入端和非倒向输入端都有输入电压时只有倒向输入端有输入电压时只有非倒向输入端有输入电压时,5.电阻式传感器测量电路,背 景 知 识,运算放大器电路特性倒向输入端和非倒向输入端的输入电流均为0，称为虚断路对于公共端，倒向输入端和非倒向输入端的电压相等，称为虚短路,5.电阻式传感器测量电路,典型接口电路,A1：保证稳定的电流输出,A2、A3和A5：构成差动放大电路，放大电桥输出信号,A4：电压跟随器，用于校正电桥的零位输出,检测部分的前级电路：,5.电阻式传感器测量电路,典型接口电路分析,保证稳定的电流输出,电压跟随器，用于补偿电桥的零位输出,5.电阻式传感器测量电路,典型接口电路,数据采集模块：,5.电阻式传感器测量电路,6.电阻式传感器的生物医学应用,应变式传感器的医学应用,应变式传感器的医学应用颇为广泛测量脉象、脉搏、呼吸流量、血压等,6.电阻式传感器的生物医学应用,主视图,俯视图,一种高灵敏度的血压传感器,应变式传感器的医学应用,一种高灵敏度的血压传感器长条形金属弹簧片构成的简支梁弹簧片中心粘贴4片应变片，上下表面各2片压力通过一连杆传递到弹簧片，使其挠曲变形4个应变片接成全桥电路高精度的原因：膜片具有较大的面积，可以把均匀分布于膜片上的压力通过连杆集中起来，使弹簧片接收较大的压力信号应变片接成全桥，通过差动输出，具有最大的灵敏度该装置还可用于测量颅内压和眼压,6.电阻式传感器的生物医学应用,应变式传感器的医学应用,血管外血压传感器将血液压力经导管液柱传送到传感器的圆帽，使压动膜片产生位移，并通过连杆带动活动元件运动活动元件运动使电阻丝R1和R4伸长，R2和R3缩短，从而产生符号相反的电阻变化4根应变电阻丝接入全桥，输出应变信号，最终转换为血压的大小,6.电阻式传感器的生物医学应用,应变式传感器的医学应用,脉象传感器脉搏波经传感顶子作用于等强度悬臂梁的自由端，使之弯曲变形。粘贴在梁上、下两面的应变片接成全桥或半桥，输出电压波形反映脉搏变化。,6.电阻式传感器的生物医学应用,压阻式传感器的医学应用,压阻式传感器的特点：体积小、精度高、频响范围大医学应用日益广泛可用于测量血压、胃内压等还可用于测量指尖、桡骨、手腕等部位的脉搏波等,6.电阻式传感器的生物医学应用,压阻式传感器的医学应用,半导体压阻式脉搏传感器传感器采用典型悬臂梁结构核心为上、下两片半导体压阻应变片粘贴在条形弹簧片上弹簧片一端固定在基座上，另一端接导杆导杆与敏感膜片相连，组成压力传感器,6.电阻式传感器的生物医学应用,压阻式传感器的医学应用,扩散硅型脉搏传感器硅膜片上扩散有4个接成全桥的电阻，引线由导线管引出室内充满硅油，以传递由硅橡胶膜感受到的压力变化传感器体积小，重量仅2.5g，各向异性小，重复性好可用于测量指尖、桡骨、手腕上部等部位的脉搏,6.电阻式传感器的生物医学应用,压阻式传感器的医学应用,注射针型压阻传感器扩散硅膜片用半导体工艺制成，可以做得极小，膜片直径小于1mm将扩散硅膜片装入注射针头内制成传感器将针头插入血管可以直接测量血压，还可测量胆道压力,6.电阻式传感器的生物医学应用,压阻式传感器的医学应用,针型压阻式血压传感器外壳为不锈钢针头，前端为压力敏感膜，后端为固定环腔内充满环氧树脂形成特殊的应变管内部封装2个半导体压阻应变片，P型硅条具有正灵敏度系数，N型硅条具有负灵敏度系数受压后，一个电阻增大，一个电阻减小，组成差动结构,6.电阻式传感器的生物医学应用,压阻式传感器的医学应用,心导管式扩散硅压阻传感器在心导管端部安装扩散性压阻传感器扩散膜片装载金属支座上，引线由导线管引出在导管的侧面开一孔，孔上涂有硅橡胶膜，起传递心内压力和封闭的作用导管外径小于2mm，通过静脉导入心脏内,6.电阻式传感器的生物医学应用,作 业,金属应变片的工作原理是什么效应？写出其公式，并解释其中变量的含义。写出金属材料的灵敏度系数公式，并解释其中变量的含义。应变片的灵敏系数与其金属材料的灵敏系数之间存在什么样的关系？导致这一现象的原因是什么？什么叫应变片的应变极限？什么叫应变片的机械滞后？什么参数用于衡量应变片对时间的稳定性？半导体应变片的工作原理是什么？写出其公式，并解释其中变量的含义。写出半导体材料的灵敏度系数公式。并简述半导体应变片的特性。,作 业,写出图1中电桥的平衡条件，及开路电压U0和等效电阻R0的计算公式。电路如图2所示，E=5V，不计其内阻；R1=100，R2=200，R3=1000，R4=2000，R4=5，检流计内阻RL=100，检流计灵敏度KL=10mm/A。求输出电压UL及检流计的偏转大小。,图1：,图2：,作 业,当电桥电压U一定时，写出等臂电桥、差动半桥、差动全桥的电压灵敏度公式。图3为直流电桥的实际补偿电路，请简述其中各补偿电阻的作用。,图3：,作 业,简述下图中各传感器的主要用途。,