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1、医学传感技术医学传感技术 工程学院工程学院 杨燕婷杨燕婷 复习第第2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性静态特性静态特性静态特性静态特性 静态特性方程静态特性方程静态特性方程静态特性方程 静态特性指标静态特性指标静态特性指标静态特性指标 测量范围测量范围测量范围测量范围 灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度 线性度线性度线性度线性度 迟滞迟滞迟滞迟滞 重复性重复性重复性重复性 第3篇 物理传感器3章章 电阻式传感器电阻式传感器 4章章 电容式传感器电容式传感器 5章章 电感式传感器电感式传感器 6章章 压电式压电式 传感器传感器 7章章 光学式传感器光学式传感器 8章章 热电式传感器热电式传感器本篇内容
2、：本篇内容：按被测量分类（一种宏观分类方法）按被测量分类（一种宏观分类方法）物理传感器物理传感器: 用于测量血压、体温、血流量、生物磁用于测量血压、体温、血流量、生物磁场等，场等，被测量都是物理量被测量都是物理量。设计时利用这些非电量的物。设计时利用这些非电量的物理性质和物理效应。理性质和物理效应。 化学传感器化学传感器: 用于测量人体内某些化学成分、浓度、用于测量人体内某些化学成分、浓度、PHPH值等，值等，被测量都属于化学量（被测量都属于化学量（被测物质分子量较小）。被测物质分子量较小）。设计时多利用电化学原理或物理效应。设计时多利用电化学原理或物理效应。生物传感器生物传感器：用于测量酶、
3、抗原、抗体、激素、用于测量酶、抗原、抗体、激素、DNADNA、RNARNA等物质，等物质，被测量都属于化学量被测量都属于化学量（被测物质分子量较大）（被测物质分子量较大）。对这些物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器 。生物医学传感器的分类生物医学传感器的分类 物理传感器概述物理传感器概述 物理传感器是检测物理量的传感器物理传感器是检测物理量的传感器物理传感器是检测物理量的传感器物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某。它是利用某。它是利用某。它是利用某些物理效应些物理效应些物理效应些物理效应（如（如（如（如光电效应、压电效应、电磁效应、热光电效应、压电效应、电磁效应、热光电效应、压电
4、效应、电磁效应、热光电效应、压电效应、电磁效应、热电效应等电效应等电效应等电效应等) ) ) )，把被测量的物理量转化成为便于处理的能，把被测量的物理量转化成为便于处理的能，把被测量的物理量转化成为便于处理的能，把被测量的物理量转化成为便于处理的能量形式的信号（通常是量形式的信号（通常是量形式的信号（通常是量形式的信号（通常是电信号电信号电信号电信号）的装置。其输出的信）的装置。其输出的信）的装置。其输出的信）的装置。其输出的信号和输人的信号有确定的函数关系。号和输人的信号有确定的函数关系。号和输人的信号有确定的函数关系。号和输人的信号有确定的函数关系。 物理传感器是目前应用该范围最广，使用量
5、最物理传感器是目前应用该范围最广，使用量最物理传感器是目前应用该范围最广，使用量最物理传感器是目前应用该范围最广，使用量最大的传感器。大的传感器。大的传感器。大的传感器。按工作原理分类：按工作原理分类：按工作原理分类：按工作原理分类： 光电式光电式光电式光电式传感器传感器传感器传感器 压电式压电式压电式压电式传感器传感器传感器传感器 应变式应变式应变式应变式传感器传感器传感器传感器 电容式电容式电容式电容式传感器传感器传感器传感器 电感式电感式电感式电感式传感器传感器传感器传感器 磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器 热电式热电式热电式热电式传感器传感器传感器传感器 . .从被测对
6、象分类：从被测对象分类：从被测对象分类：从被测对象分类： 心音心音心音心音传感器传感器传感器传感器 压力压力压力压力传感器传感器传感器传感器 血流血流血流血流传感器传感器传感器传感器 呼吸呼吸呼吸呼吸传感器传感器传感器传感器 温度温度温度温度传感器传感器传感器传感器 . .物理传感器分类物理传感器分类 在在这这一一节节里里，介介绍绍电电阻阻传传感感器器，例例如如：电电位位器器、电电阻阻应应变变片片、测测温温热热电电阻阻。它它们们的的基基本本原原理理都都是是将将各各种种被被测测非非电电量量的的变变化化转转换换成成电电阻阻的的变变化化量量，然然后后通通过过对对电电阻阻变变化化量量的的测测量量，达达
7、到到非非电电量量电测的目的。电测的目的。 利利用用电电阻阻传传感感器器可可以以测测量量角角位位移移、直直线线位位移移、应应变变、力力、加加速速度度、重重量量、转转矩矩、温温度度、湿湿度度、气体成分及浓度、磁场强度等气体成分及浓度、磁场强度等。3章 电阻式传感器本章内容3.1 电位器式传感器3.2电阻应变式传感器3.3 固态压阻式传感器3.4电阻式传感器的测量电路3.5电阻式传感器的应用前言 ：工作原理电阻式传感器电阻式传感器测量原理测量原理: 被测的非电量 R 电量输出 其其基基本本原原理理为为：设设有有一一根根长长度度为为L L，截截面面积积为为A，电电阻阻率率为为的的金金属属丝丝，则则它它
8、的的电阻值电阻值R可用下式表示：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；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；电阻应变片传感器；3、电阻率发生变化热敏电阻、光导性光检测热敏电阻、光导性光检测器等。器等。 电位器是一种机电转换元件，可将位移位移(直线位移或线位移)转换成电阻或电压输电阻或电压输出。 优点：结构简单，尺寸小，重量轻，价格便宜，输出信号大，受环境影响小。 缺点：由于有摩擦，要求输出信号大，可靠性和寿命差，动态特性不好，干扰大，一般用于静态或缓变量的检测。
9、电位器分类电位器分类:线性电位器和非线性电位器线性电位器和非线性电位器3.1电位器式传感器电位器式传感器电位器接负载，此时的输出特性为负载特性，不接负载或负载无穷大，输出特性称空载特性。线性电位器空载特性 假定全长xmax的电位器，总电阻为Rmax,电阻沿长度的分布是均匀的,则当滑臂由A向B移动x后,A点到电刷间的阻值为若把它作为分压器使用,且假定加在电位器A、B之间的电压为Umax,则输出电压为 右图为电位器式角度传感器。作变阻器使用,则电阻与角度的关系为 其他内容参看教材44-44页3.1.5 电位器的负载特性 上面讨论的电位器空载特性相当于负载开路或为无穷大时的情况,而一般情况下,电位器
10、接有负载,接入负载时,由于负载电阻和电位器的比值为有限值,此时所得的特性为负载特性,负载特性偏离理想空载特性的偏差称为电位器的负载误差负载误差。 带负载的电位器的电路如图所示。电位器的负载电阻为Rf,则此电位器的输出电压为图 带负载的电位器电路电阻相对变化: 电位器的负载系数为:教材中：教材中：a=1/m在未接入负载时,电位器的输出电压Ux为 则接入负载Rf后的简化的输出电压Uxf表达式为:Ux=rUmax 比较两式可知，Rf不是无穷大，负载与空载输出之间产生偏差，则负载误差为：由图可见,无论m为何值, 电刷在起始和最终位置时,负载误差都为零;当当X=1/2时时,可求导,负载误差最大,且增大负
11、载系数时,负载误差也随之增加。3.2.电阻应变片式传感器应变式传感器特征：应变式传感器特征： 材料类型：材料类型：金属应变片、半导体应变片金属应变片、半导体应变片 应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小工作原理：由弹性元件、电阻应变片和其他附件组成。工作原理：由弹性元件、电阻应变片和其他附件组成。弹性元件受力弹性元件受力变形变形，张贴在表面的，张贴在表面的应变片随之变形应变片随之变形，并，并产生相应的产生相应的电阻变化。电阻变化。 应应变变式式电电阻阻传传感感器器作
12、作为为测测力力的的主主要要传传感感器器，测测力力范范围围小小到到肌肌肉肉纤纤维维，大大到到登登月月火火箭箭，精精确确度度可可到到 0.01-0.1%0.01-0.1%。有有拉拉压压式式（柱柱、筒筒、环环元元件件）、弯弯曲曲式式、剪切式。剪切式。 应变式力传感器应变式力传感器 S型力传感器型力传感器 FFFF应用实例应用实例应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形各种悬臂梁各种悬臂梁 电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示电子天平电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一电子秤中的各类弹性元件电子秤中的各类弹性元件 金属丝受拉
13、时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大 。1 .金属丝的应变效应金属丝的应变效应1 .金属丝的应变效应金属丝的应变效应应应变变效效应应: :金金属属导导线线在在受受到到外外界界力力的的作作用用时时，产产生生机机械械变变形形，机机械械变变形形导导致致其其阻阻值值变变化化，这这种种因因形形变变而而使使阻阻值值发发生生变化的现象称为应变效应。变化的现象称为应变效应。 根据应力根据应力和应变和应变的关系的关系: 应力应力=E， 金属丝的应变效应金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FF金金属属的的电电阻阻相相对对变变化化与与应应变变成成正比关系。正比关系。通通过过弹弹
14、性性元元件件，可可将将应应力力转转换换为为应应变变，这这是是应应变变式式传传感感器器测测量应量应力力的基本原理的基本原理。1 .金属丝的应变效应金属丝的应变效应 KS为金属丝的灵敏系数，p47注释在弹性范围内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为 y=-x为金属材料的泊松系数。为金属材料的泊松系数。应应变变式式传传感感器器的的核核心心元元件件：电电阻阻应应变变片片，试试件件上上的的应应力力变化转换成电阻变化。变化转换成电阻变化。 应变效应应变效应应变是量纲为1的数。通常应变很小，常用10-6来表示。例如，当应变为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/
15、m。在应变测量中，也常称为微应变。金属丝式应变片的结构金属丝式应变片的结构视频：应变片视频：应变片半导体应变片又称为压阻式传感器。半导体应变片又称为压阻式传感器。基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。压阻效应：压阻效应：半导体材料的半导体材料的电阻率电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象。随作用应力的变化而发生变化的现象。 3.3 固态压阻式传感器固态压阻式传感器半半导导体体材材料料敏敏感感条条电电阻阻率率的的相相对对变变化化值值与与其其在在轴轴向向所所受受的应力之比的应力之比为一常数。即为一常数。即l半半导导体体材材料料的的压压阻
16、阻系系数数。式式中中1+2项项随随几几何何形形状状而而变化，变化，lE项为压阻效应，随电阻率而变化。项为压阻效应，随电阻率而变化。当半导体材料受轴向力作用时，电阻相对变化为当半导体材料受轴向力作用时，电阻相对变化为实验证明实验证明lE比比1+2大近百倍，所以大近百倍，所以1+2可以忽略，因而：可以忽略，因而： 灵敏系数灵敏系数半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高5080倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使应用范围受到一定的限制。 半导体应变片的优点：半导体应变片的优点：体体积积小小，灵灵敏敏度度高高，频频率率响响应应范范围围宽宽，输输出出幅幅值值大大，不不需需要要放放大大器器
17、，可可直直接接与与记记录录仪仪连接，使测量系统简单。连接，使测量系统简单。 电桥电路电桥电路又叫惠斯登电桥惠斯登电桥，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。 3.4 电阻式传感器测量电路电阻式传感器测量电路应应应应变变变变电电电电桥桥桥桥双臂应变电桥双臂应变电桥双臂应变电桥双臂应变电桥单臂应变电桥单臂应变电桥单臂应变电桥单臂应变电桥全臂应变电桥全臂应变电桥全臂应变电桥全臂应变电桥直流电桥：直流电桥：直流电桥：直流电桥：R R交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥: : R R、L L、C C不平衡桥式：不平衡桥式：不平衡桥式：不平衡桥式：偏差测量法（动态）偏差测量法（
18、动态）偏差测量法（动态）偏差测量法（动态）平衡桥式：平衡桥式：平衡桥式：平衡桥式：零位测量法（静态）零位测量法（静态）零位测量法（静态）零位测量法（静态）工作方式工作方式工作方式工作方式电源电源电源电源工作臂工作臂工作臂工作臂 金属应变片的电阻变化范围很小，如果金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测直接用欧姆表测量量其电阻值的变化将十分困难，且其电阻值的变化将十分困难，且误差很大误差很大。 例例：金属箔式应变片的标称阻值金属箔式应变片的标称阻值R R0 0为为100100 ，灵敏度，灵敏度K K=2=2，粘贴在横截面积为粘贴在横截面积为9.8mm9.8mm2 2的钢质圆柱体上，钢的弹
19、性模量的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E E=2=2 10101111N/mN/m2 2，所受拉力，所受拉力F F=0.2t=0.2t，受拉后应变片的阻值，受拉后应变片的阻值R R 的变的变化量仅为化量仅为0.20.2 。 所以必须使用所以必须使用不平衡电桥不平衡电桥来测量这一微小的变来测量这一微小的变化量，化量，将将 R /R转换为转换为输出电压输出电压Uo。 为什么要使用不平衡电桥为什么要使用不平衡电桥 把对某物理量敏感的电阻应变材料加工成传感器，作为电把对某物理量敏感的电阻应变材料加工成传感器，作为电桥中的某一臂电阻，或某几个臂电阻，通过电桥的失衡程度桥中的某一臂电阻，或某几个臂电阻，通过电
20、桥的失衡程度（桥路电流或电压）来判断该物理量的大小。（桥路电流或电压）来判断该物理量的大小。 如果直接测应变片电阻的改变，可能很困难。因为测量一个如果直接测应变片电阻的改变，可能很困难。因为测量一个在很大的基值上附加的在很大的基值上附加的一个很小的信号是很困难的一个很小的信号是很困难的。利用电桥利用电桥可以把这个信号的基值去掉，变成了一个在零值附近的信号，可以把这个信号的基值去掉，变成了一个在零值附近的信号，并且可以通放大电路来增大灵敏度。并且可以通放大电路来增大灵敏度。 （1 1）平衡条件）平衡条件当当当当R RL L时时，电桥输电桥输出出出出电压电压 当当当当电桥电桥平衡平衡平衡平衡时时，
21、U U0 0=0=0，R R1 1 R R4 4 = = R R2 2 R R3 3或或或或R R1 1/ /R R2 2 = =R R3 3/ /R R4 4 一、直流电桥一、直流电桥不平衡电桥法用在动态应变测量中。不平衡电桥法用在动态应变测量中。(2)不平衡电桥法不平衡电桥法 如图，R1为应变片，R2、R3、R4为固定电阻。未承受应变时，R1R4R2R3，电桥平衡，Uo0。承受应变后，阻值变为R1DR1，电桥的不平衡输出为 设设R2/R1n，又又因因R1R1时时，R1R4R2R3，上上式简化为式简化为电桥的电压灵敏度电桥的电压灵敏度(相对灵敏度相对灵敏度)为为 Su与U（供电电压）成正比，
22、U越高，Su越高。但是U的提高受到应变片允许工作电流的限制，通常为15 V。 Su与n有关。在U一定时，由灵敏度取极值的条件，可求得n1时Su最大。即在U一定、R1R2、R3R4时，Su最大。通常这种情况称为电桥的第一种对称形式。此时 而而R1R3，R2R4则称为电桥的第二种对则称为电桥的第二种对称形式。称形式。第一种对称形式有较高的灵敏度，第二种对称第一种对称形式有较高的灵敏度，第二种对称形式线性较好。形式线性较好。 等臂电桥是其中的一个特例。等臂电桥是其中的一个特例。 以以上上都都是是基基于于 R1R1，所所以以得得到到的的是是线线性性关关系系。但但当当应应变变片片感感受受较较大大应应变变
23、时时，分分母母上上的的 R1/ /R1项项就就不不能能忽忽略略，此此时时得得到到的的为为非非线线性性关关系系，从从而而造造成成非非线线性性误误差差。在在补补偿偿非非线线性性误误差差时时常常用用的措施如下的措施如下 (3)电桥电路的非线性误差补偿电桥电路的非线性误差补偿 采用差动电桥。在电桥的相邻两臂接入两个参数相同的应变片，测量时一个受拉应力，一个受压应力，电阻变化量符号相反，数值相等，即构成半桥差动电路。此时假设假设则无需近似即有则无需近似即有 可可见见，差差动动电电桥桥法法不不仅仅补补偿偿了了非非线线性性误误差差，且且电电压灵敏度提高了压灵敏度提高了1倍。另外还能起到温度补偿的作用。倍。另
24、外还能起到温度补偿的作用。 全全桥桥差差动动电电路路不不仅仅补补偿偿了了非非线线性性误误差差，且且电电压压灵灵敏敏度度比比半半桥差动电路补偿时又提高了桥差动电路补偿时又提高了1倍。也能起到温度补偿的作用。倍。也能起到温度补偿的作用。 在在四四臂臂都都接接入入相相同同应应变变片片（等等臂臂），相相对对两两个个受受拉拉应应力力，另另两两个个受受压压应应力力，构构成成全全桥桥差差动动电电路路。若若满满足足 R1 R2 R3 R4，则，则全桥差动电路全桥差动电路 1.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
25、上视图3.5 电阻式传感器的应用 传感器置于体外的测量。图所示为传感器置于体外的有创血压测量，即用血管外传感器测量，是一种常用的血压测量方案。2.血管外血压传感器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。3. 水银橡胶管应变仪传感器 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。电阻传感器习题电阻传感器习题 1. 1. 半导体应变片主要是利用半导体材料的半导体应变片主要是利用半导体材料的 。 A A形变形变 B B电阻率的
26、变化电阻率的变化 C C弹性模量的变化弹性模量的变化 D D泊松比泊松比 2. 2. 常常用用的的应应变变片片有有 与与 两两大大类类。应应变变片片的的灵灵敏敏度度表表达达式式为为 ，对对于于金金属属电电阻阻应应变变片片来来说说：S=S= ，而而对对于于半半导导体体应应变变片片来来说说S S 。前前一一种种应应变变片片的的灵灵敏敏度度比后一种比后一种 。 3.3.金属电阻应变片的电阻相对变化主要是由于电阻丝的金属电阻应变片的电阻相对变化主要是由于电阻丝的 变变化产生的。化产生的。4.4.一应变片的电阻一应变片的电阻R0=200R0=200，K=2K=2，用作应变为，用作应变为600m/m600
27、m/m的传的传感元件。感元件。(1)(1)求求RR与与R/RR/R。；。；(2)(2)若电源电压若电源电压Ui=3V,Ui=3V,求电桥单臂求电桥单臂测量电路的非平衡输出电压测量电路的非平衡输出电压U Uo o。例题例题如果将如果将100100电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积截面积S = 0.510S = 0.510-4 -4 m m2 2，弹性模量，弹性模量E =210E =21011 11 N/mN/m2 2 ，若，若有有F=510F=5104 4 N N的拉力引起应变电阻变化为的拉力引起应变电阻变化为11。试求该应变。试求该应变片的灵敏度系数？片的灵敏度系数？
