几种常见生物医学传感器原理.ppt

2.5 几种常见传感器原理,2.5.1 RLC传感器,一、电阻应变式传感器,位移或应变能够引起某些材料的电阻值变化，因此可用它们构成电阻应变式传感器。特点：分辨率高(1m)，误差小(1%),重量轻，量程大，尺寸小，价格低，可用来测动态和静态量。,工作原理,电阻式传感器测量原理:被测的非电量 R 电量输出 其基本原理为：设有一根长度为L，截面积为A，电阻率为的金属丝，则它的电阻值R可用下式表示：,三个参数：长度L，截面积A，电阻率，如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变化，构成不同电阻传感器：1、长度L发生变化电位器式传感器；2、截面积A、长度L发生变化电阻应变片传感器；3、电阻率发生变化热敏电阻、光导性光检测器等。,1.电位器式传感器,通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。,电位器式传感器分为直线位移型、角位移型和非线性型等，如图所示。,电位器式传感器一般采用电阻分压电路，将电参量R 转换为电压输出给后续电路，如图所示。当触头移动时，输出电压为：,2.电阻应变片,片状电阻元件贴在构件上构成。有丝绕式，短接式，泊式，半导体，还可用硅条做成产品。,典型结构,康铜应用最广；半导体电阻温度系数大，要进行温度补偿；半导体有很高的压阻效应，灵敏度是康铜的7090倍，但非线性也比较大。,电桥电路又叫惠斯登电桥，它是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。,电桥电路按其所采用的激励电源类型,直流电桥,交流电桥,工作方式有两种：平衡电桥（零检测器）和不平衡电桥。在传感器的应用中主要是不平衡电桥。,3 传感器测量电路,直流电桥,直流电桥,桥路输出,（1）平衡电桥：IL=0时 平衡条件:,R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4,（2）不平衡直流电桥,当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：,应变片工作时，其电阻变化R,采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R。此时有：,当Ri R(i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则,Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。,略去分母中的R1/R1项,假设R1/R11,理想的线性关系：,实际输出电压：,电桥的相对非线性误差：,单臂电桥：即R1桥臂变化R,半桥差动电桥,R1R2R3R4=R，R1R2=R,严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用,输出电压为：,全桥差动电路,恒流源供电电桥,假设RT为温度引起的电阻变化,电桥的输出为,电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。,交流电桥,如果电桥的供电电源为交流电压时，这种电桥称为交流电桥。,为适应电感、电容式传感器的需要,交流电桥通常采用正弦交流电压供电，在频率较高的情况下需要考虑分布电感和分布电容的影响。,（1）交流电桥的平衡条件,交流电桥的四臂可以为：电阻、电容、电感或变压器的两个次级线圈,交流电桥的四个桥臂分别用阻抗、表示,交流电桥的平衡条件为：,电阻交流电桥 电感电桥 电容电桥 变压器电桥电路,电阻交流电桥,1、单臂电阻；2、等臂差动电桥；3、全桥交流电桥。,电感电桥,两相邻桥臂为电感L1和L2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中 和 为电感线圈的有功电阻。,若设Z1、Z2为传感器阻抗,且,则有,另有,由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电感式传感器的两差动电感，工作时：,电桥的输出电压为：,当LR 时，上式可近似为：,交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。,电容电桥,两相邻桥臂为电容C1和C2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中 和 为电容介质损耗电阻。,设Z1、Z2为传感器阻抗，,且,有,由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电容式传感器的两差动电容，,电桥的输出电压为：,当CR 时，上式可近似为：,交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。,变压器电桥电路,电感式传感器和电容式传感器的转换电路还常采用变压器电桥,它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，差动传感器的两差动电容或差动电感分别接在另两个臂,设其阻抗分别为Z1和Z2，,(由于被测量使传感器的阻抗发生变化),电桥的输出电压为：,实际测量中，4个阻抗难于达到真正平衡，为此常采用下面的电桥平衡电路进行调整。各电位器值10R，r25R。实际应用时还在输入回路中加接小的铜电阻，或者在受感臂中串接热敏电阻等，来实现温度补偿。,4.应用实例血管外血压传感器,由插管技术将血液压力传到圆帽，膜片产生位移，带动活动元件移动，使R1，R4以及R2,R3发生反方向应变，使连接它们的全桥失去平衡，产生输出。,5.应用实例脉象传感器,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。贴在梁上下面的应变片接入全桥或半桥，输出的电压即反应脉动规律。,侧视图上视图,6.水银橡胶管应变仪传感器,在一个可伸缩的橡胶管中充满导电液体（如KCl，水银），也可以是导电碳粒，可测量心脏，血管，手足，胸腔尺寸变化。可测的应变较小，保证电阻变化与应变成线性关系。频率上限为10Hz。,二、电容式传感器,1.工作原理被测量改变传感器的电容量，再转换成电量输出。基本形式是平板电容器，电容量为 C=0rS/x常通过极距x来实现测量，也可以改变介电常数r和极板面积S。上式微分得电容传感器的灵敏度 K=C/x=-0rS/x2 并得到 dC/C=-dx/x说明在任何中心点附近电容量相对变化与位移的相对变化成正比关系。,工作原理,S 极板相对覆盖面积；d 极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数，；电容极板间介质的介电常数。,变极距(）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数()型:（i）(l),变极距型电容传感器,非线性关系,若d/d1时，则上式可简化为,若极距缩小d,最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性,初始电容,变面积型电容传感器,当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为,C与x间呈线性关系,电容式角位移传感器,当=0时,当0时,传感器电容量C与角位移间呈线性关系,变介电常数型电容式传感器,初始电容,电容式液位传感器,电容与液位的关系为：,2.测量电路1）直流极化电压电路,这是最简单的测量动态位移变化的电路，将传感器与直流电源V和大负载电阻R串接，在R上测量输出电压V0，它与极距x间有关系：X0是无位移时的电容极距，RC，R1M实际上是高通滤波器，增大R，C能降低fc，但会增加非线性，要求x/x0很小。,2）变频电路,C被接入Hartley振荡器回路，信号频率为:位移输入被转换成信号频率的改变，通过测量f来了解位移量。能测量的位移可以接近直流，但是存在非线性。,3）运放测量电路,C是电容传感器低端频响很好,接近直流输出电压与位移成线性关系放大器增益等于反馈阻抗与输入阻抗之比,故输出是由位移x调制的调幅信号，用解调器和低通滤波器来得到正比与x的电压信号。,4）电桥测量电路,用差动三端电容测量精确位移。d0平衡位置，x向上正向位移，有 C10rA/(d0-x),C20rA/(d0+x),可采用电容电桥测量，输出电压为,也可采用变压器比率臂电桥，放大器电流正比于(C1-C2)=x(2A0r/(d02-x2)，通常xd0,因此输出与位移成正比。该电路有高灵敏度，高精度的优点，还能测量不同距离上的电容。,3.电容压力传感器,左)电容传声器：声波作用于弹性膜上，使其与固定电极间的距离改变，即C改变。右)电容心音传感器。频响宽，失真小，应用广：录音，语声和心音测量等。,三、电感式传感器,1 原理输入的位移使线圈的自感量或线圈间的互感量发生变化，由此转换成电量变化。前者为电感传感器，后者称变压器式传感器。,自感式传感器,l i 各段导磁体的长度；U i各段导磁体的磁导率；S i 各段导磁体的截面积；空气隙的厚度；U0 真空磁导率;S 空气隙截面积,线圈自感,变气隙型传感器变截面型传感器,变间隙式电感传感器,传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。线圈电感：,N为线圈匝数，Rm为磁路总磁阻。,特点：灵敏度高，非线性误差较大，制作装配比较困难。,变面积型电感传感器,气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。灵敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。,螺管型电感传感器,衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。,差动式电感传感器,为了改善线性在实际中大都采用差动式，采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。,要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。,差动式优点：1、线性好；2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；3、温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器的影响，由于能够相互抵消而减小；4、电磁吸力对测力变化的影响也由于能够相互抵消而减小。,2 差动变压器传感器（互感）,互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。一般，这种传感器的二次侧线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。,两个次级绕组的同名端则反向串联。,差动变压器输出电压特性曲线,差动变压器的结构类型,实例：差动电感加速度计,测量震颤麻痹症病人手指的颤抖程度，诊断病情和了解疗效。弹簧所系的质量块的偏移正比于作用在上面的加速度。在10V电压下，具有83.36mVG-1的灵敏度，量程30G，频响030Hz。,3.测量电路,除了差动电感和差动变压器外，单一电感传感器可以用交变的恒流源激励L来测量其端压，它正比于电感量。缺点是高频时因寄生电容影响存在非线性误差。常把L接入电容三点式振荡回路，产生振荡频率为：这种方法线性度好。测量出来的是频率变化，这有利于数字化。,差动电感传感器，可以将电感作为桥臂，如图a所示。图中Ve表示交流激励电压。还可以采取图b所示紧耦合的电感固定臂电桥的结构形式，其灵敏度较高，电桥也容易平衡。,四、电磁式传感器,这是一类利用电磁感应定律设计的传感器，可测量许多物理量，典型的产品有电磁血流计、电动式传感器。1.电动式传感器也称动圈式传感器，利用电磁感应定律设计。机械系统的线圈架上绕N匝线圈，永久磁铁环，磁极环等。,外界输入作用力F驱动机械系统运动，线圈随之运动（动圈），切割磁力线，在线圈中产生感应电势：eBlv ldN，d为线圈直径，N匝数。B和导线长度l为常数，因此感应电动势e和运动速度v成正比。由此测出F作用下动圈的运动，用来构成心音传感器，声压传感器等。逆向使用：输入激励电流，产生推力使线圈运动，形成压力发生器，可以做电动式心脏推进装置等。,空气传导型电磁式心音传感器,圆柱形永久磁铁与导磁环组成E形截面结构。两者间有一气隙。气隙中套一个轻质线圈，它与上方的振动膜片连接。与胸壁接触后，心音通过胸壁与膜片间的空气传导使膜片振动，带动线圈切割磁力线，感应出与线圈运动速度成正比的电动势来。,2.电磁血流计,原理：利用血管内流动的血液作为在磁场中运动的“导线”，血液是碱性导电体，服从欧姆定律和麦克斯韦方程。由法拉第电磁感应定律当血液以匀速v流动，在恒定磁场B中切割磁力线，感应出电动势：a为血管内壁半径D为血管内壁直径,电磁血流计,对于血流速度分布不均匀，但以管轴为对称轴分布的情况，感应电势为：输出电压与血流的形态无关，磁通量和血管一定，仅决定于体积流速，即血液流量。,电磁血流计,环形封套式探头：用带静电屏蔽的叠层坡莫合金的C型磁芯设计，漏磁少。静电屏蔽层用高电阻率的铜镍膜以避免磁铁和线圈间的电容耦合，并减少屏蔽层中的涡流影响。在磁芯的每边上都相对绕了绕组，上部的开口可以滑过血管而不切伤血管。探头尺寸做成系列，保证能适用于各种尺寸的血管。,2.5.2 光电传感器,光电传感器,把光信号电信号，可检测人体辐射信息，也可其他人体信息光信号。特点：结构简单，非接触式，可靠性好，精度高，反应迅速。在BME领域应用广泛，如光电脉搏传感器，脉搏血氧饱和度传感器，相机，热成像，光导纤维血压传感器等。,光电传感器,光电传感器由光电器件构成：光电管，光电倍增管，光电导元件，光电势元件，光敏管等。物理基础：光电效应光照射在物质上引起其特性（如电子发射，电导率，电位电流等）发生变化的现象。光电效应包括：外光电效应：即光电发射效应内光电效应：光导伏打效应，光生伏打效应等,一、半导体光电元件1.光导效应和光敏电阻,1）光导效应：光照射在绝大多数高电阻率半导体材料上会引起该材料的电阻率下降而易于导电的现象。用有光导效应材料制成的光敏器件成为光敏电阻或光导管。具有显著的光导效应的半导体材料：硫化镉，硒化镉，硫化锌，红外波段的硫化铅，硒化铅等。,2）光敏电阻如图是硫化镉CdS光敏电阻。光导材料上的电极成梳状，电极间为光导材料，以增大工作区域，提高灵敏度。,2.光生伏打效应和光电池,1）光生伏打效应半导体受光照产生电势的现象叫光生伏打效应。分为:Dember效应：表面强光照射后形成高浓度的电子与空穴，与内部形成浓度差而产生电势。光电磁效应：表面受强光照射时，在垂直方向加磁场，会在垂直于光和磁场方向产生电势。PN结光生伏打效应：光照射PN结会因本征激发产生自由电子和空穴，形成光电流，使P带正电，N带负电，从形成新的电位差。贝克勒效应：电解质中的两个相同电极，当其中一个受光照后，会在电极间产生电势。,2)光电池,一类为金属半导体光电池，是在半导体材料上蒸发一层半透明的金属薄膜。例如氧化亚铜，硒光电池。,2）光电池,另一类是PN结型，在P型半导体表面上扩散一层N型杂质（或在N上扩散P杂质）形成PN结。,2）光电池,光电池材料：硒，氧化亚铜，硫化铊，硫化镉，锗，硅，砷化镓等。波长m。光电池的特点：性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，效率高，耐高温，耐辐射等，因此应用很广。其中，硒光电池，波长0.4-0.7 m，最大灵敏度0.55 m附近，与人眼的视觉灵敏度最大地对应，因此被应用在许多分析测量仪器上。,2）光电池,短路电流ISC在很大光照范围内与辐照度成正比。开路电压VOC与辐照度成非线性关系，且随幅照度增加很快进入饱和。因此要利用光电池的ISC的线性，采用较小的负载电阻以满足“短路”条件。光电池作电源时，RL要适当，使输出电压和电流的乘积最大。,3.光敏二极管,即PN结光电二极管。结构与二极管相似，在N衬底上蒸镀P型Si薄层形成PN结，有受光窗。特点是结面积大，深度浅，受光照面大，受光面上电阻极小。工作在负偏压状态，无光照时反向电阻很大，反向电流称为暗电流，很小。光照产生空穴电子对，形成光电流，它与入射光照度成线性关系。,4.光敏三极管,把一般三极管的基极的PN结造成光敏二极管的形状就形成了光敏三极管。它能对光电流放大，抗噪能力也强。因为基极电流就是光敏二极管的光电流，所以不用基极引线。恒定光照下VOIpRL，Ip是光生电流，因此输出电压与光照成线性关系。,5.光敏场效应管,把光敏二极管与低噪声高增益场效应管结合而形成，光谱响应宽，动态范围大，输出阻抗低。结构上两个P区短路，使两个PN结并联。工作时RG为栅极G加负压。无光照时管子截止，RD上流反向电流，光照后光生电动势产生栅流IG，在RG上形成VG，在RL上产生输出电压。,6.光电传感器的应用实例,反射型光电式脉搏波传感器近红外单色光在一般组织中的穿透性比在血液中大几十倍。用此可制成指尖脉搏波传感器。动脉中血流的脉动，使其透光率随血管脉动而改变，用它调制光强的变化，再转换成光电信号。右面为反射型：光经过指尖组织和血液反射，到达同侧窗口的光电元件，实现脉搏波的无创检测。,投射型光电式脉搏波传感器光线经过指尖投射到对面的光电元件，转换成脉动的信号。常用来从手指和耳垂中测量脉搏波信号。,二、外光电效应和光电倍增管,1.外光电效应金属表面受光照射后，表面和内部的电子吸收光能后逸出金属表面的现象，也叫外光电发射效应。遵循两条定律：1）斯托列夫定律：当入射光频率不变时，饱和光电流（单位时间内发射的光电子数目的饱和值）正比于入射光强。2）爱因斯坦定律：光电子的最大动能与入射光的频率成线性关系，而与入射光强无关。,2.二次电子发射和电子倍增现象,具有足够动能的电子轰击任何物体使该物体发射电子的现象为二次电子发射。二次发射系数：ns/np=is/ip np，ns为发射的一、二次电子数，ip，is为一、二次电流。当1时，就会发生空间电子数成倍增长现象，即电子倍增效应。,3.光电倍增管,它是真空器件，能把微弱的光转换成电子流，并使电子流获得放大。各倍增极之间存在100V的压差，当入射的微弱光线以一定速度打在阴极K上后，引发光电子的二次发射。发射的电子在100V电压作用下得到加速，以更高的速度打在D1倍增电极上；再次激发出更多的二次电子，再在D2电压作用下得到进一步加速；。最后到达阳极，并在RL上形成大约1a的电流。其响应时间 10ns，电流放大倍数高达106108。,结构,K阴极，A阳极，Di倍增极（打拿极）DiDi1间压差100V,4.光电倍增管的应用,放射性同位素测量：通过静脉注射或口服把同位素示踪药物投入体内，让其分布于特定部位。利用光电倍增管设计的设备，可测定其剂量来确定它的分布或运动图像，对脏器的形态、局部缺陷和功能障碍进行诊断。,相机,如相机和单光子发射断层成像设备SPECT中，就采用它来放大由射线激发闪烁晶体发出的光信号，实现成像。,相机探头,甲状腺功能测定,通过测定甲状腺摄入碘的量来测定其功能。甲状腺摄取131I后，用射线探测器测量不同能量处的射线脉冲数，了解其功能障碍。还可以进行肾功能放射性同位素检查。,END,2.5.3 压电传感器,一、压电效应,1.压电效应：某些电介质（晶体，极化的陶瓷，高分子聚合物和负合材料等），当在它的适当方向施加作用力时，内部会产生电极化状态的变化，同时在电介质的两端表面出现符号相反、与外力成正比的束缚电荷。这种由外力作用而导致电介质带电的现象即为压电效应。若在相对面上蒸发上金属电极，即可从中检测到电荷或者电位差，构成压电传感器。,逆压电效应:,压电效应是可逆的：在电极上加上电动势，电介质也会产生应变，即电场引起应变。压电材料是固体，而且各向异性。石英和陶瓷是最典型的压电材料。,压电体的介电性质和弹性性质之间的关系，可用压电关系式描述:,二、压电传感器的工作原理,压电传感器是一种有源器件。它能在外加机械激励下输出与激励成正比的电信号。广泛用来设计测量心音的微音器、血压传感器、压电听诊器、胎儿心音和子宫收缩监视换能器、测微震颤的加速度计等。压电效应的模式分为纵向和横向两种。,1.纵向效应压电传感器,X切割石英的11方式或压电陶瓷的33方式，均为薄板厚度震动模式石英晶体：(a)X方向，F1压力 X面上出现电荷 电量q1d11F1(b)X方向拉力，上负 压电陶瓷：(c)Z向拉力，上负(d)Z向压力，上正 电量 q3=d33F3 d11等为压电应变常数,2.横向效应压电传感器,X切割石英晶体的12方式，或压电陶瓷的31方式，均为长棒纵向伸缩横向电场方式石英：(a)Y向压力，上负下正(b)Y向拉力，上正下负 q1=d12F2A1/A2=-d11F2A1/A2 A1-x方向的面积 A2-y方向的受力面积 A3-z方向的面积陶瓷：(c)Y向压力，上正下负(d)Y向拉力，上负下正 q3=d31F2A3/A2,3.等效电路,可以等效为一个电荷发生器（上）也可等效为一个电压源发生器（下）由于其结构特性很像电容，因此常用电容来等效压电传感器：CtA/h A-电极面积 h-电极间距-压电材料的介电常数,4.测量电路,压电传感器内阻Rt很高，输出信号幅度很小，因此要求其负载RL尽可能大。所以输入级应该是高输入阻抗的前置放大器，后面是电压放大，检波，功放等。前置级：1）电压放大器,电压放大器等效电路,可用电压源和电流源来等效压电传感器，简化为:,根据等效电路列出电路方程：解为：Ks-压电灵敏度 KsK/C-时间常数R-等效并联电阻C-等效并联电容,频率特性：高通特性，fc1/2RC 大多是低频信号，要求fc下降，可增大C，R，但会降低灵敏度，所以只有提高前放的输入电阻Ra。电压放大器优点：电路简单，工作可靠，价格便宜。可做成超小型装进传感器外壳，减小电缆长度对精度的影响。,2）电荷放大器,包含电容负反馈的高增益运放输入为传感器的等效输出电荷，放大器的输出正比于输入电荷。若满足Cf(1+K)Cc+Ca+Ct输入阻抗：101012 输出阻抗100 灵敏度与电缆长度无关,5.应用实例（主要用于声学量的测量）,1）心内导管微音器可采集心脏内血压的动态波形压电陶瓷做悬臂梁双叠片，中间有金属片，压力作用在膜片上，通过顶子将作用力传到悬臂梁。50kPa时，输出6.27mV放大器输入阻抗要100M，响应才能低于20Hz。,2）血压传感器使用复合压电材料制作，包括：负荷压电材料换能元件、金属和镀金属的塑料外壳、低噪声引出线、维持薄膜张力的弹性体等。结构简单、体积小、可靠、耐冲击、灵敏度响应好、再现性好。,由于薄膜的韧性好，易于贴紧皮肤，能稳定检测脉搏压、脉搏数和波形。右面是在上腕部检测的动脉压波形。右下是实际使用的血压传感器。它被安装在加压装置上，然后把加压装置放在上腕的动脉部位，通过橡胶囊进行空气压力调节。,3)加速度型心音传感器这类传感器的结构形式很多，均根据惯性原理来测量振动或者加速度，采用压电元件是常用的一种方法。结构上由（质量块，弹簧，外壳构成的振动系统）+（压电元件）两部分构成。为获得合适的阻尼，壳体内充硅油和橡胶。硬弹簧和质量块一起向压电片施加静态预压缩载荷，它要远大于测量中可能承受的最大动应力。当传感器向上运动时，质量块产生的惯性力使压电元件上的压力增加；反之，则压力减小。压电元件将惯性质量的位移或振动加速度转换成电量来实现测量。测量心音是一种典型的应用。,4）微震颤传感器这也是一个加速度传感器，压电元件作为振动接受器。可用橡皮胶布把它贴在手指上（通常为拇指球部）。当手震颤时，使质量块-弹性系统发生振动，压电片受力产生电荷，形成电信号。,5）空气传导型脉搏波传感器脉搏播引起空气振动，通过空气室传播到受压膜，使受压膜产生位移，作用到压电元件上，产生反映压力大小的电量，输出。,2.5.4 压阻传感器,半导体晶体材料（例如半导体硅）在外力作用下电阻率发生改变的现象称为压阻效应。据此原理制作的半导体压阻传感器,通常也称为半导体应变式传感器。压阻传感器主要包括两类：1)体型压力传感器（半导体应变式）2)固态压阻式压力传感器（扩散型），它正与集成电路技术结合发展成为智能传感器，除了把电阻条、信号调理电路、补偿电路集成到硅片上，还把计算处理电路也集成到了一起。特点：灵敏度高、响应快、精度高、工作温度范围宽、稳定、容易小型化、智能化，使用方便，便于批量生产等，因此应用广泛，发展迅速。,各向同性材料的微观形式欧姆定律：E=J E-电场强度，J-电流密度，-电阻率对于各向异性的晶体，此关系要用张量表示：Ei=i j Jj(i,j=1,2,3)脚标1,2,3表示x,y,z三个正交晶轴方向 i电场强度方向，j电流密度方向 ij 表示i方向电场强度和j方向电流密度之间关系的电阻率,1 压阻效应,当应力作用于传感器时，其电阻率就发生改变，即产生压阻效应。可同时受到三个正应力和三个切应力。一般，如果晶体同时受到应力和电流的作用，从叠加原理可得：Ei=(ij+ijmm)Jj-ijm 压阻系数-m 应力分量-正向电阻率，=11=22=33-i=1,2,3电流强度方向-j=1,2,3电流密度方向-m=1,2,3,6应力的方向,对称性的各向异性材料可以简化应力关系，具体使用时的应力条件也可以用来简化方程。例如，只受剪切应力，有1=2=3=0例如，一块矩形板受液体压力p的作用，则1=2=3=-p，且4=5=6=0为简化符号,可对i，j进行如下合并：11 1 22 2 33 3 23 4 13 5 12 6（32 4 31 5 21 6）于是ijm 就成为nm,n,m=1,2,3,6,单晶硅只有3个独立的压阻系数，因此其压阻系数矩阵就为：11 12 12 0 0 0 12 11 12 0 0 0 12 12 11 0 0 0 0 0 0 44 0 0 0 0 0 0 44 0 0 0 0 0 0 44 11 纵向压阻系数 12 横向压阻系数 44 切向压阻系数指定晶面内的压阻系数随晶体的取向而变，因此在制作传感器，选取电阻条的方向时，应充分利用这个性质，以获得最佳的元件特性。,压阻效应的计算公式,设长度为L、横截面为A的导体或半导体材料，其电阻为：R=L/A对此式微分得：dR/R=d/+(1+2)dL/L=(E+1+2)dL/L-泊松比 E-弹性模量，单位为Pa-压阻系数,半导体的E乘积可高达50-100，而（1+2）2，所以可以认为 R/R=/=E L/L 即 E=/L/L=m1 m1称为弹性压阻系数 例如，在111方向作长轴切割的P型半导体硅片，其m1 在100-175,影响压阻系数的因素,一、与扩散杂质的表面浓度有关 两者基本成反比关系，即浓度增加，压阻系数将减小。二、温度升高，压阻系数下降浓度较低时，温度升高引起压阻系数下降快浓度较高时，温度升高引起压阻系数下降得慢杂质浓度很大时，温度对压阻系数几乎没影响 提高杂质浓度能减少温度变化的影响，但是会使压阻系数降低，并使得半导体材料的绝缘电阻降低，特性变差。所以，要综合考虑压电系数（灵敏度），温度漂移，绝缘电阻等三个方面，合理确定扩散杂质表面浓度。,2 半导体压阻器件,如前所述，半导体有应变系数高的显著优点，其缺点是温度敏感性较大和非线性。尽管这样，它们仍然成为传感器领域中的重要成员，促进了传感技术的发展。形式上，半导体应变元件有粘贴型，非粘贴型，集成型等几种。集成型，可在P型基片上扩散进相反的N型材料，或反过来，N基片扩散进P型材料。它们有相反符号的应变系数，再进行掺杂，可以获得大的应变系数。但非线型和温度漂移也会增大。如果电路设计合理，例如c,d所示用8个扩散压力应变电阻，对称布置构成的压阻应变传感器，再用惠斯顿电桥连接，不仅有高灵敏度，还有很好的温度补偿效果。,典型的半导体应变传感器,半导体应变仪的非线性较大，例如对于重度掺杂的传感器，特性为P型硅（=210-2cm）：R/R=120(L/L)+4000(L/L)2N型硅（=3.110-4cm）：R/R=-110(L/L)+10000(L/L)2N型非线性大，但有负的应变灵敏度，因此本身就有温度补偿特性，再加上惠斯顿电桥可以有效消除平方项的非线性。,3 测量电路,压阻式传感器最常用的测量电路是惠斯顿电桥。如图将四个用扩散法通过在硅片上制作的压阻元件构成桥臂电阻，一个对边上是两个增加电阻，另一个对边上是两个减少的电阻。供电：可用恒压源，或恒流源给电桥供电。但是，恒压源供电时，输出电压除了与被测量与供电电压成正比，还会与温度有关，不能消除温度的影响。而恒流源供电时没有这个问题。所以常采用恒流源为惠斯顿电桥供电。图中，T1，T2构成的复合管与D1，D2和R1，R2，R3构成恒流源供电电路。,源极跟随器：由结型场效应管T5，T6与R4，R5构成高输入阻抗的源极跟随器，将测量电桥与放大器A隔离，避免传感器的输出阻抗变化对放大器的闭环增益产生影响。放大器：可以用高输入阻抗，高共模抑制比，高增益的运算放大器构成，最好选用合适的仪器放大器。为获得正确的测量结果，常需要在压阻传感器（以及其他一些半导体材料制作的传感器）测量电路中增加温度补偿电路和非线性补偿电路。,2.5.5 热电传感器,一、金属热电偶传感器,1.温差电现象两种不同的金属组成回路时，若两个接触点的温度不同，回路中就存在恒定的电势，会有电流流过，称为温差电现象，或者塞贝克效应。若把这个回路作为电源，就形成温差电偶或温差电池。可以用此效应制成热敏传感器。具有测量范围宽，稳定，准确可靠等优点。,温差电现象,温差电偶中的电势可表示为：常用材料的很小，因此在温度不大时，电压V与温差成线性关系。热电灵敏度：,2.热电偶的基本定则,1）均质回路定则由相同成分的材料组成回路，若只受温度作用，则不论其导体的直径和长度如何，均不产生热电势。即只要接触点温度T1和T2不变，即使存在温度T3，回路中的净电势也不会改变。或者说：沿一均匀导线的温度梯度不影响热电势。,2）中间金属定则,在回路中接入第三种金属材料，只要它两端的温度相同，则热电势保持不变，即不受第三种材料接入的影响。因此有多根引线时，只要这些接点处于同一温度下，便不会影响测量精度。若在A，B间引入第三种金属C，而AC和BC处于同一温度，则净电势也不变。,3）中间温度定则,设两种金属A，B构成热电偶 若两端处在T1和T2时产生电势V1 若两端处在T2和T3时产生电势V2 则当两端的温度为T1和T3时，产生电动势为V1V2由此，可用一个已知的参考接触点温度所得到的校准曲线，去确定另一个参考接触点温度的校准温度曲线。,4）组成定则,三组不同金属A,B,C组成三对热电偶 若A和C产生电势V1，B和C产生电势V2 则由A和B组成的热电偶产生的电势为V1V2据此定则，可用纯度很高的、理化性能极稳定的材料（铂）做成电极C，成为参考电极，作为确定各种材料的热电特性的基准。,3.热电偶温度计,测量温差电动势来确定两接触点的温度差。使用时常把参考端固定在已知温度，通过输出电压算出另一端温度。,针状热电偶,铠装热电偶,BME用热电偶的特点：,受热点面积小，热容量小，可测任一点温度（最小的直径12m）；响应时间小于1ms；容易制造，可做在注射针管内；采用在石英纤维上真空沉淀两种金属可制成能测细胞内瞬时温度的微型热电偶，时间常数s级；缺点：输出电压小，灵敏度低，需要准确的参考温度。改进：把多个热电偶串接，奇数点都测同一温度，而偶数点保持在同一参考温度，构成热电堆。能提高灵敏度和增大输出电压。,二 半导体温度传感器1 二极管（PN结）温度传感器 当测温范围在0150时，利用二极管PN结的结电压随温度的升高而线性下降的基本原理制成二极管温度传感器。,2 三极管温度传感器晶体管的基极发射极电压 与集电极电流IC随温度的关系满足下面公式：,UG0三极管在绝对温度为273K时的硅禁带宽度电压，约为1.2V；、r由三极管结构决定，与温度无关。保持 Ic为定值时，与温度T呈近似线性关系，利用这一特性可制成晶体管温度传感器。,晶体管传感器特点：体积小、稳定性好、价格低廉。,根据半导体的温度特性构成的温度传感器在医疗器械上得到了广泛的应用，其准确度主要由显示仪表的读数准确度决定，灵敏度也是其他类型的传感器难以达到的。,三、热释电传感器,1.热释电效应某些晶体在温度变化时会发生电极化。均匀加热晶体的某些方向上会产生等量异号的电荷。冷却晶体时电荷变化与加热时相反。这称为热释电效应。由于晶体结构在某些方向上正负电荷重心不重合，产生了自发极化。通常，自发极化产生的表面束缚电荷被空气中附集在晶体表面的自由电荷和晶体内部的自由电荷屏蔽，不显出电矩。只有温度变化引起的电矩不能被补偿时，晶体两端才表现出电荷。,热释电效应,晶体温度的微小变化T产生自发极化强度Ps的变化为 PsPT P是热释电系数矢量晶体内部自由电荷的平均时间 介电常数/电导率 多数热释电晶体 11000s,2.热释电探测器,人体辐射的红外线经遮光盘的调制，产生调制频率为f的红外光。当f1/时，晶体内的自由电荷来不及中和面束缚电荷的变化，在垂直于Ps的两端面间出现交流电压。在端面上安装电极，并接上负载电阻，就有电流流过。,热释电探测器,设温度变化为dT/dt，电极面积A，则A(dPs/dt)便相当于电路上的电流，于是电压,pi是热释电系数矢量。由此，电压v正比于温度变化率，而不取决于晶体对辐射是否达到热平衡。测量稳定不变的红外辐射时一定要用遮光盘，调制成周期脉冲红外信号后，才能被热释电晶体检测。,热释电探测器,特点：灵敏度高，光谱范围宽，高频响应好，响应速度快等，优于光敏器件和热敏器件。缺点：容易受振动影响，不能对直流信号工作。热释电探测器的用途：主要用来探测红外辐射，并广泛应用于各类辐射计、光谱仪、热成像。医疗仪器中将热释电探测器用于非接触测温和热成像，已经制成热光导摄像管。热像图法应用于诊断乳腺癌、皮肤癌、甲状腺癌、末梢血管闭塞或狭窄。,四、热敏电阻温度传感器,热敏电阻是对温度敏感，具有负电阻温度系数的热敏元件，由氧化锰、氧化镍、氧化钴等氧化物和陶瓷、半导体材料制成，电阻率比金属大得多。BME应用的热敏电阻，电阻率0.1-100m,常做成球状、圆盘状、薄片状、杆状和环状。尺寸小(0.5mm)，灵敏度高(-3%/C-5%/C)，长期稳定性好(每年变化0.2%)。,球状热敏电阻,安装在注射针端的热敏电阻,1.热敏电阻的性能,1）电阻温度特性常用的负温度系数热敏电阻的电阻温度特性近似为：,性 能,一组典型的热敏电阻RT特性曲线如右。每条曲线代表一种材料。它们是在热敏电阻工作于很小的功率以致可略去自热情况下测出的，称为零功率电阻。,性 能,2）温度系数对上式微分后再除以RT可得温度系数：,可见，温度系数是温度T的非线性函数。,3）伏安特性,热敏电阻在水中和空气中的伏安特性,PA线性段，低电流下呈线性电阻的性质,V随I增加而增大；A点没有自热时的最大电流值;B点电阻增量为0，这时,自热温度环境温度；C点空气中最大安全电流工作点；,左下斜线为电阻坐标右下斜线是恒功率坐标,伏安特性,BC段B点之后有较大自热，V随I增加而减小,属于负阻特性区；空气和水的热阻不同，因此自热区域也不同；在P-B的阶段,曲线与电阻坐标交点即它的线性电阻值；过B点之后的负阻阶段,曲线与恒功率坐标的交点即为热敏电阻的热功率损耗。,4）功率常数,在规定的环境温度下，由于自热而每上升1 C所耗散的功率称为功率常数，单位mW/C在-55150C内，功率常数约为0.5-10 mW/C 5）热时间常数表示在零功率条件下，环境温度发生阶跃变化时,热敏电阻的阻值在初始温度和终止温度间变化63.2%所需要的时间。热敏电阻的热时间常数在150s之间。,2.热敏电阻的线性化,许多应用希望得到线性电阻温度特性,或线性电导温度特性。恒流源供电并需要测量热敏电阻的端压时，要对其RT特性进行补偿。方法：用一个固定电阻RP与热敏电阻并联，其阻值为,式中，RTm是在温度变量的中间标度Tm处的热敏电阻阻值,B是热敏电阻的材料常数(特征温度).,在恒压源供电并测量流过热敏电阻的电流时，可用一个固定电导Gs与热敏电阻串联来实现补偿。串联的电导数值计算：,式中GTm是温度变量中间标度Tm处的热敏电阻的电导。注意：线性化后合成的有效电阻的温度系数会下降。并联和串联线性化电路的有效电阻温度系数：,3.温度测量电路,体温测量 体温是一种重要的生理信息，被看成生命体征参数之一。例如：用体表温度鉴定休克，因循环休克而使血压降低，导致外周血流不足，体温下降。如:拇指温度下降可以早期预报休克。传染病，体温增加，皮肤发热潮红，体液损失。麻醉时，由于抑制了热调节中枢，使体温下降。关节炎的温度与局部发炎情况密切相关，体温测量能够了解由于关节炎和慢性炎症引起的血流增加。降低体温，能够减缓代谢和血液循环。,3.温度测量电