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医用传感器 Medical sensor 首都医科大学生物医学工程学院 第三章 电阻式传感器 基本原理 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。 第一节 金属应变式传感器 金属应变片(resistance strain gauge)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 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 Medical 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 其中，其中， 单位：单位：“ “微应变微应变” ”， 径向 线应变 轴向 线应变 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 金属材料的电阻相对变化与线应变成正比 金属丝材的 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）导电丝材的应变电阻效应）导电丝材的应变电阻效应 金属金属 电阻率变电阻率变 化化 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 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 ：栅状敏感栅 基底 粘结剂 盖层 引线 传递应变 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 ( (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 金属箔式应变计 半导体应变计半导体应变计 箔式应变计的优点 ： 减小横向效应 接触面大 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 （1 1）灵敏系数K 应变计应变计 的的 灵敏系灵敏系 数数 导电丝材导电丝材 的的 灵敏系数灵敏系数 （2 2）横向效应及横向效应系数 K与 K0 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 双向灵敏系数比 标定条件下：标定条件下： 横向效应横向效应 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 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程学院 （3 3）机械滞后）机械滞后Z Z j j （4 4）蠕变）蠕变 和零漂和零漂P P 0 0 （5 5）应变极限）应变极限 非线性误差达到非线性误差达到10%10%的应变值的应变值 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）绝缘电阻几十几十 几百兆欧几百兆欧 2 2、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 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 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 （3 3）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 循环次数循环次数 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 （1）敏感栅电阻值（T） （2）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 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2-22-2 ： 解解 ： 2、热输出的补偿方法 （1）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 （3 3）桥路补偿法）桥路补偿法 相同的应变片 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 粘合剂选择条件 常用的粘合剂有： 硝化纤维素粘合剂、酚醛树脂胶、环氧树 脂胶、502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，应变电测与传感器，清华大学出版 社，社，19991999年年1 1月第月第1 1版版 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” ” ， 传感器世界，传感器世界，20012001年年2 2、3 3期期 半导体应变计半导体应变计 体型体型 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 变化变化 电阻应变计电阻应变计 电桥电路电桥电路 机械应变机械应变 U(I) U(I) 变化变化电阻应变仪电阻应变仪 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 双臂应变电桥 单臂应变电桥 全臂应变电桥 直流电桥：R 交流电桥: R、L、C 不平衡桥式：偏差测量法（动态） 平衡桥式：零位测量法（静态） 半等臂电桥 全等臂电桥 工作方式 桥臂关系 电源 负载 工作臂 电压输出桥： 功率输出桥：U、I 电源端对称 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 初始平衡条件初始平衡条件 ： 或 此时 1、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： 医用传感器 Medical sensor 首都医科大学生物医学工程学院 桥臂比 ： 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 ： 全等臂电桥 半等臂对输出端对称电桥 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 （2 2）电桥的非线性）电桥的非线性 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 K：金属 半导体 （3 3）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 “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R1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院 两个相对桥臂工作两个相对桥臂工作 ， 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 “ “相邻臂相减，相对臂相加相邻臂相减，相对臂相加” ” 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 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: : 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: : 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 ： 医用传感器 Medical sensor 首都医科大