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1、医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器 基本原理基本原理 将被测的非电量转换成电阻值，通过测量将被测的非电量转换成电阻值，通过测量此电阻值达到测量目的。此电阻值达到测量目的。 第一节第一节 金属应变式传感器金属应变式传感器 金属应变片金属应变片(resistance strain gauge)传感器是传感器是一种利用应变式电阻将应变转换为电阻变化的传感一种利用应变式电阻将应变转换为电阻变化的传感器。器。 一、概述一、概述医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院二、电阻应变效应二、电阻应变效应医用传感器M
2、edical sensor首都医科大学生物医学工程学院轴向线应变轴向线应变轴向线应变轴向线应变其中，其中，其中，其中，单位：单位：单位：单位：“ “微应变微应变微应变微应变” ”，径向径向线应变线应变轴向轴向线应变线应变泊淞比泊淞比医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院（1 1）金属材料的应变电阻效应）金属材料的应变电阻效应）金属材料的应变电阻效应）金属材料的应变电阻效应 金属材料的电阻相对变化与线应变成正比金属材料的电阻相对变化与线应变成正比金属丝材的金属丝材的应变灵敏系数应变灵敏系数医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院（2 2）导电
3、丝材的应变电阻效应）导电丝材的应变电阻效应）导电丝材的应变电阻效应）导电丝材的应变电阻效应金属金属金属金属电阻率变电阻率变电阻率变电阻率变化化化化金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主， Km=1.8 4.8几何尺寸变几何尺寸变几何尺寸变几何尺寸变化化化化医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院二、电阻应变片的结构二、电阻应变片的结构：栅状栅状敏感栅敏感栅基底基底粘结剂粘结剂盖层盖层引线引线传递应变传递应变应变计工作的物理基础应变计工作的物理基础应变计工作的物理基础应变计工作的物理基础 电阻应变效应电阻应变效应电阻应变效应电
4、阻应变效应(一一)、结构、结构医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院(二二)、分类、分类金属丝式应变计金属丝式应变计金属丝式应变计金属丝式应变计金属箔式应变计金属箔式应变计半导体应变计半导体应变计半导体应变计半导体应变计箔式应变计的优点箔式应变计的优点：减小横向效应减小横向效应接触面大接触面大增大输出电流强度增大输出电流强度医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院三、电阻应变片的特性三、电阻应变片的特性1 1、静态特性、静态特性、静态特性、静态特性（1 1）灵敏系数灵敏系数K应变计应变计应变计应变计的的的的灵敏系灵敏系灵敏系灵敏系数数数数导
5、电丝材导电丝材导电丝材导电丝材的的的的灵敏系数灵敏系数灵敏系数灵敏系数（2 2）横向效应及横向效应系数横向效应及横向效应系数K与与 K0 相同吗？相同吗？医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院双向应变比双向应变比双向灵敏系数比双向灵敏系数比标定条件下：标定条件下：标定条件下：标定条件下：横向效应横向效应横向效应横向效应横向效应系数横向效应系数横向效应系数横向效应系数直角横栅、箔式应变计直角横栅、箔式应变计直角横栅、箔式应变计直角横栅、箔式应变计如何减小横向效应如何减小横向效应如何减小横向效应如何减小横向效应医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工
6、程学院（3 3）机械滞后）机械滞后）机械滞后）机械滞后Z Zj j（4 4）蠕变）蠕变）蠕变）蠕变 和零漂和零漂和零漂和零漂P P0 0（5 5）应变极限）应变极限）应变极限）应变极限非线性误差达到非线性误差达到非线性误差达到非线性误差达到10%10%的应变值的应变值的应变值的应变值 应变极限应变极限应变极限应变极限医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院（6 6）绝缘电阻）绝缘电阻）绝缘电阻）绝缘电阻几十几十几十几十 几百兆欧几百兆欧几百兆欧几百兆欧2 2、动态特性、动态特性、动态特性、动态特性（1 1）对正弦应变波的响应）对正弦应变波的响应）对正弦应变波的响应）对
7、正弦应变波的响应医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院相对误差相对误差医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院（2 2）对阶跃应变波的响应）对阶跃应变波的响应）对阶跃应变波的响应）对阶跃应变波的响应（3 3）疲劳寿命）疲劳寿命）疲劳寿命）疲劳寿命恒幅交变力作用下，连续工作至疲劳损坏时的恒幅交变力作用下，连续工作至疲劳损坏时的恒幅交变力作用下，连续工作至疲劳损坏时的恒幅交变力作用下，连续工作至疲劳损坏时的循环次数循环次数循环次数循环次数 疲劳寿命疲劳寿命疲劳寿命疲劳寿命医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院四、应变
8、片的温度特性及补偿四、应变片的温度特性及补偿1 1、热输出及原因、热输出及原因、热输出及原因、热输出及原因（1）敏感栅电阻值（）敏感栅电阻值（T）（2）线膨胀系数不匹配）线膨胀系数不匹配由于温度变化引起的应变输出由于温度变化引起的应变输出由于温度变化引起的应变输出由于温度变化引起的应变输出热输出热输出热输出热输出医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院例例例例2-22-2： 解：解：解：解： 2、热输出的补偿方法、热输出的补偿方法（1）单丝自补偿）单丝自补偿医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院（2 2）双丝自补偿）双丝自补偿）双丝自补偿）
9、双丝自补偿（3 3）桥路补偿法）桥路补偿法）桥路补偿法）桥路补偿法相同的应变片相同的应变片平衡电阻平衡电阻平衡电阻平衡电阻医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院五、应变片的粘贴技术五、应变片的粘贴技术 粘合剂选择条件粘合剂选择条件常用的粘合剂有：常用的粘合剂有： 硝化纤维素粘合剂、酚醛树脂胶、环氧树硝化纤维素粘合剂、酚醛树脂胶、环氧树脂胶、脂胶、502胶水胶水 医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院灵敏度高2. 2. 张如一等，应变电测与传感器，清华大学出版张如一等，应变电
10、测与传感器，清华大学出版张如一等，应变电测与传感器，清华大学出版张如一等，应变电测与传感器，清华大学出版 社，社，社，社，19991999年年年年1 1月第月第月第月第1 1版版版版参考文献：参考文献：参考文献：参考文献：1. 1.“ “日本在高应变灵敏系数应变敏感材料方面的研究日本在高应变灵敏系数应变敏感材料方面的研究日本在高应变灵敏系数应变敏感材料方面的研究日本在高应变灵敏系数应变敏感材料方面的研究” ”，2. 2. 传感器世界，传感器世界，传感器世界，传感器世界，20012001年年年年2 2、3 3期期期期半导体应变计半导体应变计半导体应变计半导体应变计体型体型体型体型扩散型：感压硅膜
11、扩散型：感压硅膜扩散型：感压硅膜扩散型：感压硅膜医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院第三节第三节 测量及接口电路测量及接口电路例例例例 变化变化变化变化 电阻应变计电阻应变计电阻应变计电阻应变计电桥电路电桥电路电桥电路电桥电路机械应变机械应变机械应变机械应变U(I) U(I) 变化变化变化变化电阻应变仪电阻应变仪电阻应变仪电阻应变仪放大、显示放大、显示放大、显示放大、显示医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院一、应变电桥一、应变电桥一、应变电桥一、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全臂应变电桥全臂应变电桥直流电桥：
12、直流电桥：R交流电桥交流电桥: R、L、C不平衡桥式：偏差测量法（动态）不平衡桥式：偏差测量法（动态）平衡桥式：零位测量法（静态）平衡桥式：零位测量法（静态）半等臂电桥半等臂电桥全等臂电桥全等臂电桥工作方式工作方式桥臂关系桥臂关系电源电源负载负载工作臂工作臂电压输出桥：电压输出桥：功率输出桥：功率输出桥：U、I电源端对称电源端对称输出端对称输出端对称医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院二、直流电桥及输出特性二、直流电桥及输出特性二、直流电桥及输出特性二、直流电桥及输出特性初始平衡条件：初始平衡条件：初始平衡条件：初始平衡条件：或或此时此时1、电压输出桥的输出特性、
13、电压输出桥的输出特性医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院ABCABC：ADCADC：电桥平衡条件：电桥平衡条件：医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院桥臂比：桥臂比：线性部分线性部分：非线性部分非线性部分：医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院讨论：讨论：讨论：讨论：全等臂电桥全等臂电桥半等臂对输出端对称电桥半等臂对输出端对称电桥线性部分：线性部分：医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院（1 1）电桥的灵敏度）电桥的灵敏度）电桥的灵敏度）电桥的灵敏度（2 2）电桥的非线性）电桥的非
14、线性）电桥的非线性）电桥的非线性补偿措施：补偿措施： 加减特性，双臂或四臂差动工作方式加减特性，双臂或四臂差动工作方式加减特性，双臂或四臂差动工作方式加减特性，双臂或四臂差动工作方式K：金属金属 半导体半导体（3 3）电桥的加减特性）电桥的加减特性）电桥的加减特性）电桥的加减特性对象：全等臂电桥、对输出端对称电桥对象：全等臂电桥、对输出端对称电桥 “相邻臂相减，相对臂相加相邻臂相减，相对臂相加”医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院 一个桥臂一个桥臂R1工作，工作， 两个相邻桥臂工作，两个相邻桥臂工作，医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学
15、院两个相对桥臂工作，两个相对桥臂工作，两个相对桥臂工作，两个相对桥臂工作，全臂工作，全臂工作，全臂工作，全臂工作，医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院电桥加减特性电桥加减特性电桥加减特性电桥加减特性 “ “相邻臂相减，相对臂相加相邻臂相减，相对臂相加相邻臂相减，相对臂相加相邻臂相减，相对臂相加” ”例：例：例：例： 分析桥路补偿块法进行温度补偿的原理分析桥路补偿块法进行温度补偿的原理分析桥路补偿块法进行温度补偿的原理分析桥路补偿块法进行温度补偿的原理解：解：解：解： 医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院例例例例: :解：解：解：解：
16、医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院例例例例: : 利用全桥测量提高灵敏度并实现温度补偿。利用全桥测量提高灵敏度并实现温度补偿。利用全桥测量提高灵敏度并实现温度补偿。利用全桥测量提高灵敏度并实现温度补偿。解：解：解：解： 医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院2 2、功率输出桥的输出特性、功率输出桥的输出特性、功率输出桥的输出特性、功率输出桥的输出特性输出功率最大的条件：输出功率最大的条件：输出功率最大的条件：输出功率最大的条件：医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院（1 1）全等臂电桥）全等臂电桥）全等臂电桥）全等臂电桥（2 2）半等臂对输出端对称电桥）半等臂对输出端对称电桥）半等臂对输出端对称电桥）半等臂对输出端对称电桥医用传感器Medical sensor首都医科大学生物医学工程学院
