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1、LOGO2.5 几种常见传感器原理几种常见生物医学传感器原理LOGO2.5.1 RLC2.5.1 RLC传感器传感器传感器传感器 几种常见生物医学传感器原理一、电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器v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。v特点：分辨率高(1m)，误差小(1%),v重量轻，量程大，尺寸小，价格低，可用来测动态和静态量。几种常见生物医学传感器原理工作原理工作原理v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 v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
2、丝，则则它它的的电电阻阻值值R可可用用下式表示：下式表示：几种常见生物医学传感器原理 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发生变化电阻应变电阻应变片传感器；片传感器；3、电阻率发生变化热敏电阻、光导热敏电阻、光导性光检测器等。性光检测器等。几种常见生物医学传感器原理1.1.电位器式传感器电位器式传感器 通通过过滑滑动动触触点点把把位位移移转转换换为为电电阻阻丝丝的的长长度度变变化化，从从而而改改变变电电阻阻值值大大小小，进进而而再再将将这这种种变变化化值值转转换成
3、电压或电流的变化值。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。几种常见生物医学传感器原理v电电位位器器式式传传感感器器一一般般采采用用电电阻阻分分压压电电路路，将将电电参参量量R 转转换换为为电电压压输输出出给给后后续续电电路路，如如图图所所示示。当触头移动时，输出电压为：当触头移动时，输出电压为：几种常见生物医学传感器原理2.电阻电阻应变片应变片v片状电阻元件贴在构件上构成。v有丝绕式，短接式，泊式，半导体，还可用硅条做成产品。几种常见生物医学传感器原理 典型结构典型结构几种常见生物医学传感器原理几种常见生物医学传感器原理v康铜应用最广；v半导体电
4、阻温度系数大，要进行温度补偿；v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。几种常见生物医学传感器原理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。 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）和不平衡电平衡电桥（零检测器）和不平衡电桥桥。在传感器的应用中主要是不平衡电桥。 3 传感器测量电路传感器测量电路几种常见生物医学传感器原理直流电桥直流电桥 直流电桥直流电桥桥路输出几种常见生物医学传感器原理（1）平衡电桥：）平衡电桥：IL=0时 平衡条件平衡条件 :R1R4=R2
5、R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1R2R4R3UILRL几种常见生物医学传感器原理（2）不平衡直流电桥）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，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化R 几种常见生物医学传感器原理采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时有：。此时有：当当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则时，略去上式中的高阶微量，则 几种常见生物医学传感器原理 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
6、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。几种常见生物医学传感器原理略去分母中的R1/R1项 ,假设R1/R110R，r25R。v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。几种常见生物医学传感器原理4.应用实例血管外血压传感器应用实例血管外血压传感器v由插管技术将血液压力传到圆帽，膜
7、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。几种常见生物医学传感器原理 5.应用实例脉象传感器应用实例脉象传感器v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。侧视图上视图几种常见生物医学传感器原理 6.水银橡胶管应变仪传感器水银橡胶管应变仪传感器v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。几种常见生物医学传感器原理二、电容
8、式传感器二、电容式传感器v1.工作原理l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/xl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。l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/xl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。几种常见生物医学传感器原理工作原理工作原理 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。 S几种常见生物医学传感器原理变极距变极距( (）型型: (a)、(e) 变面积型变面积型(S)(S)型
9、型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数变介电常数( )型型: （i）(l) 几种常见生物医学传感器原理变极距型电容传感器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 差动式差动式改善其非线性初始电容几种常见生物医学传感器原理变面积型电容传感器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 几种常见生物医学传感器原理电容式角位移传感器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 几种常见生物医学传感器原理变介电常数型电容式传感器变介电常数型电
10、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： 几种常见生物医学传感器原理2.测量电路测量电路1）直流极化电压电路）直流极化电压电路v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，R1Mv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。几种常见生物医学传感器原理2）变频电路变频电路vC被接入Hartley振荡器回路，信号频率为:v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。v能测量的位移可以接近直流，但是存在非线性。几种常见生物医学传
11、感器原理3）运放测量电路运放测量电路vC是电容传感器v低端频响很好,接近直流v输出电压与位移成线性关系v放大器增益等于反馈阻抗与输入阻抗之比,故v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。几种常见生物医学传感器原理4）电桥测量电路）电桥测量电路v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)几种常见生物医学传感器原理 v可采用电容电桥测量，输出电压为几种常见生物医学传感器原理 v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x1时，就会发生空间电
12、子数成倍增长现象，即电子倍增效应。几种常见生物医学传感器原理3.光电倍增管光电倍增管v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。v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。v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；v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；。v最后到达阳极，并在RL上形成大约1a的电流。v其响应时间 Cc+Ca+Ctv输入阻抗： 101012 输出阻抗100M ，响应才能低于，响应才能低于20Hz。几种常见生物医学传感器原理 v2）血压传感器使用复合压电材
13、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。几种常见生物医学传感器原理 v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。v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。几种常见生物医学传感器原理 v3)加速度型心音传感器l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。l结构上由（质量块，弹簧，外壳构成的振动系统）+（压电元件）
14、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。l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。几种常见生物医学传感器原理 p4）微震颤传感器l这也是一个加速度传感器，压电元件作为振动接受器。l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。几种常见生物医学传感器原理 v5）空气传导型脉搏波传感器l脉搏播引起空气振动，通过空
15、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。几种常见生物医学传感器原理LOGO 2.5.4 2.5.4 压阻传感器压阻传感器压阻传感器压阻传感器 几种常见生物医学传感器原理 p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。p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。p特点：灵敏度高、响应快、
16、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。几种常见生物医学传感器原理p各向同性材料的微观形式欧姆定律： E=J E-E-电场强度，电场强度， J-J-电流密度，电流密度，- -电阻率电阻率p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)脚标脚标1,2,31,2,3表示表示x,y,zx,y,z三个正交晶轴方向三个正交晶轴方向 i i电场强度方向，电场强度方向，j j电流密度方向电流密度方向 ij ij 表表示示i i方方向向电电场场强强度度和和j j方方向向电电流流密密度度之之间间关关系系的的
17、电阻率电阻率1 压阻效应压阻效应几种常见生物医学传感器原理 p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。p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 ijm 压阻系数压阻系数 - - m m 应力分量应力分量 - - 正向电阻率，正向电阻率， = =1111= =2222= =3333 - i=1,2,3 - i=1,2,3电流强度方向电流强度方向 - j=1,2,3- j=1,2,3电流密度方向电流密度方向 - m=1,2,3,- m=1,2,3,6,6应力的方向应力的方向几
18、种常见生物医学传感器原理 p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例如，一块矩形板受液体压力p的作用，则的作用，则1= 2=3= - p，且且4= 5=6= 0p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） 于是于是ijm ijm 就成为就成为nmnm, n,m=1,2,3, n,m=1,2,3,6,6几种常见生物医学传感器原理 p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：
19、1111 1212 1212 0 0 0 0 0 0 1212 1111 1212 0 0 0 0 0 0 1212 1212 1111 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4444 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4444 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4444 1111 纵向压阻系数纵向压阻系数 1212 横向压阻系数横向压阻系数 44 44 切向压阻系数切向压阻系数p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。几种常见生物医学传感器原理压阻效应的计算公式压阻效应的计算公
20、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 - 泊松比泊松比 E - 弹性模量，单位为弹性模量，单位为Pa - 压阻系数压阻系数几种常见生物医学传感器原理 v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称为弹性压阻系数称为弹性压阻系数 例如，在例如，在 111 方向作长轴切割的方向作长轴切割的P型半导体硅型半导体硅片，其片，其m1 在在100-175 几种常见生物医学传感器原理影响
21、压阻系数的因素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。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。p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
22、杂质表面浓度。几种常见生物医学传感器原理2 半导体压阻器件半导体压阻器件l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。l形式上，半导体应变元件有粘贴型，非粘贴型，集成型等几种。l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。l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。几种常见生物医
23、学传感器原理典型的半导体应变传感器典型的半导体应变传感器几种常见生物医学传感器原理 p半半导导体体应应变变仪仪的的非非线线性性较较大大，例例如如对对于于重重度度掺掺杂的传感器，特性为杂的传感器，特性为vP型硅型硅（ =210-2cm ）： R/R = 120(L/L)+ 4000(L/L)2vN型硅型硅（=3.110-4cm）： R/R = -110(L/L)+ 10000(L/L)2pN型型非非线线性性大大，但但有有负负的的应应变变灵灵敏敏度度，因因此此本本身身就就有有温温度度补补偿偿特特性性，再再加加上上惠惠斯斯顿顿电电桥桥可可以以有效消除平方项的非线性。有效消除平方项的非线性。几种常见生
24、物医学传感器原理3 测量电路测量电路几种常见生物医学传感器原理 p压阻式传感器最常用的测量电路是惠斯顿电桥。l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。l供电：可用恒压源，或恒流源给电桥供电。l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。l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。几种常见生物医学传感器原理 l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
25、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。l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。p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。几种常见生物医学传感器原理LOGO 2.5.5 2.5.5 热电传感器热电传感器热电传感器热电传感器 几种常见生物医学传感器原理一、一、 金属热电偶传感器金属热电偶传感器1.温差电现象v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，称为温差电现象温差电现象
26、，或者塞贝克效应塞贝克效应。v若把这个回路作为电源，就形成温差电偶温差电偶或温差温差电池电池。v可以用此效应制成热敏传感器热敏传感器。具有测量范围宽，测量范围宽，稳定，准确可靠稳定，准确可靠等优点。几种常见生物医学传感器原理温差电现象温差电现象v温差电偶中的电势可表示为：v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。v热电灵敏度：几种常见生物医学传感器原理 2.热电偶热电偶的基本定则的基本定则v1）均质回路定则均质回路定则n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。n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
27、会改变。n或者说：沿一均匀导线的温度梯度不影响热电势。几种常见生物医学传感器原理2）中间）中间金属定则金属定则n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。n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。n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。几种常见生物医学传感器原理3）中间）中间温度定则温度定则n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V1V2n由此，可用一个已知的参考接触点温度所得到
28、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。几种常见生物医学传感器原理 4）组成定则）组成定则n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V1V2n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。几种常见生物医学传感器原理3.热电偶温度计热电偶温度计v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几种常见生物医学传感器原理BME用用热电偶的特点：热电偶的特点：v受热点面积小，热容
29、量小，可测任一点温度（最小的直径1/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。v在端面上安装电极，并接上负载电阻，就有电流流过。几种常见生物医学传感器原理热释电探测器热释电探测器v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。o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。几种常见生物医学传感器原理热释电探测器热释电探测器v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
30、敏器件和热敏器件。v缺点：容易受振动影响，不能对直流信号工作。v热释电探测器的用途：热释电探测器的用途：l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。l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。l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。几种常见生物医学传感器原理 四、四、热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器v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。vBME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
31、小(0.5mm)，灵敏度高(-3%/C-5%/C)，长期稳定性好 (每年变化0.2%)。球状热敏电阻球状热敏电阻安装在注射针端的热敏电阻安装在注射针端的热敏电阻几种常见生物医学传感器原理1.热敏电阻的性能热敏电阻的性能1）电阻温度特性）电阻温度特性v常用的负温度系数负温度系数热敏电阻的电阻温度特性近似为：几种常见生物医学传感器原理性性 能能v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。v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。几种常见生物医学传感器原理性性 能能2）温度系数）温度系数v对上式微分后再除以RT可得温度系数：o可见，温度系数是温度T
32、的非线性函数。几种常见生物医学传感器原理3）伏安特性）伏安特性v热敏电阻在水中和空气中的伏安特性lPA线性段，低电流下呈线性电阻的性质,V随I增加而增大；lA点没有自热时的最大电流值;lB点电阻增量为0，这时,自热温度环境温度；lC点空气中最大安全电流工作点；左下斜线为电阻坐标左下斜线为电阻坐标右下斜线是恒功率坐标右下斜线是恒功率坐标几种常见生物医学传感器原理伏安特性伏安特性lBC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；l空气和水的热阻不同，因此自热区域也不同；l在P-B的阶段, 曲线与电阻坐标交点即它的线性电阻值；l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
33、功率损耗。几种常见生物医学传感器原理4）功率常数）功率常数v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/Cv在-55150C内，功率常数约为0.5-10 mW/C 5）热时间常数）热时间常数v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。v热敏电阻的热时间常数在150s之间。几种常见生物医学传感器原理2.热敏电阻热敏电阻的线性化的线性化v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。v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
34、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).几种常见生物医学传感器原理v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。v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：几种常见生物医学传感器原理3.温度测量电路温度测量电路v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：l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
35、。l传染病，体温增加，皮肤发热潮红，体液损失。l麻醉时，由于抑制了热调节中枢，使体温下降。l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。l降低体温，能够减缓代谢和血液循环。几种常见生物医学传感器原理3.温度测量电路温度测量电路1）惠斯登电桥惠斯登电桥v常用于差温电桥测量电路，以测量两个器官或同一器官上不同位置处的微小温差。v直流温差电桥：两个珠状配对的热敏电阻RT1和RT2分别放置在两个相邻的桥臂上，阻值100，在25C时误差小于1。几种常见生物医学传感器原理v交流温差电桥：测定细胞成分的反应热，灵敏度更高。 并联电容器补偿桥臂的电容失衡。相敏检波器
36、电桥输出的交流信号，使指示器指示温差大小和正负。几种常见生物医学传感器原理2）直接测量热敏电阻上电压或通过的电流直接测量热敏电阻上电压或通过的电流v采用运放构成的线性化热敏电阻测量电路：采用运放构成的线性化热敏电阻测量电路：几种常见生物医学传感器原理电路说明：电路说明：vRs使支路电导对温度的特性线性化；v仅用50mV电压对串联电路供电，可有效消除自热误差；vRF产生的电流反馈在输入端产生一个虚地，使测量时有电流流过热敏电阻Rt时不影响其端压；v若放大器输入阻抗很大，则流过反馈电阻RF的电流将等于Rt的电流i减去补偿电流io，因此输出电流与Rt电流成线性关系，所以输出电压Vo也随温度作线性变化
37、。v系统在040C范围内的最大偏差约为0.15 C。几种常见生物医学传感器原理4.用热稀释法测量心输出量用热稀释法测量心输出量v指示剂稀释法是常用的测量血流量的技术，其中热稀释法涉及到温度的测量。根据采用的指示剂不同，可以有三种方法：lO2（浓度测量）被试连续吸入纯氧，然后测量动脉和静脉血液中的O2含量，就可根据菲克定理计算出血流量：dm/dt: 氧的消耗Ca: 动脉血中的氧浓度Cv: 静脉血中的氧浓度几种常见生物医学传感器原理l染料稀释法（浓度测量）染料稀释法（浓度测量）这是临床上测量心输出量的常用方法。 将有色染料靛青蓝绿经导管注入肺动脉，然后测量股动脉（或者肱动脉）中的染料浓度，再根据菲
38、克定理确定心输出量。几种常见生物医学传感器原理l热指示剂法（即温度测量法）热指示剂法（即温度测量法）由于热量没有毒性，和氧一样，能够在血流流过人体时被排除，称为热稀释法。用一定量的冷生理盐水(设其容积Vi，比重i，比热Ci，温度Ti)，注入右心房，在右心室内冷生理盐水和血液完全混合，然后在肺动脉内测量血液的温度变化T(t)，根据热量的变化规律测量出血流量。设血液的比重为B，比热CB，温度TB，则生理盐水从Ti加热到TB所需要的热量为 Q= Vi i Ci (TB - Ti)几种常见生物医学传感器原理v设要测的血流量为F(l,升)，则在温度测量点考察dt时间内热量的变化量dQ: dQ=FBCB(
39、TB-T(t)dtv代入前面的Q，两边积分，可得到从Ti升温到TB所需的总热量Q，由Q可进一步计算出血流量F:几种常见生物医学传感器原理v实际测量系统是一个双导管装置。一个导管端部装上热敏电阻，通过肱静脉导入，放置到肺动脉中的适当位置。另一个导管也通过静脉放入到右心房中，用来注入冷的生理盐水。v临床上常用这种热稀释法测量血流量以确定心输出量。测量中，导管可以留在测量部位大约24个小时，在这段时间里可以进行反复多次的测量。v优点：不必刺破动脉。不必刺破动脉。如如果果采采用用染染料料作作指指示示剂剂，则则不不可可能能实实现现如如此此长长时时间间的的连连续测量。续测量。几种常见生物医学传感器原理5.
40、温度对流式速度传感器温度对流式速度传感器v测量血流和呼吸气流速度测量血流和呼吸气流速度测量原理：将一个热敏电阻置于流速场（如血流，呼吸气流等）中，在热敏电阻上通过电流，对其加热。流体的流动使热敏电阻上的热量散发，散发掉的热量大小与流体的速度有关。设：流过热敏电阻的电流损耗功率为，电阻的温度变化为T，流速为v。则由实验测得： a，b为经验常数. 可见流速v越大，温度变化T越小。因此，保持所加的功率恒定,通过测量出热敏电阻的阻值变化(它反映温度的变化),就可求出流速。当然，也可以设法保持温度不变，测出所需要施加的功率的变化,反映流速的大小。几种常见生物医学传感器原理p流速测量传感器流速测量传感器Ru测量热敏传感器Rt温度补偿热敏电阻方式1：只能测量流速方式2：辨别方向方案之一方式3：辨别方向方案之二几种常见生物医学传感器原理
