第3章-医用传感器.ppt

第3章医用传感器 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置 它通常由敏感元件 转换元件和基本转换电路组成 GB7665 传感器的作用 1 感官作用2 现代信息技术的基础 3 1概述 按照国家标准对传感器的定义 传感器包括 输出电信号 医用传感器 BiomedicalSensors 医用传感器 把人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置 人体生理信息有电信息和非电信息两大类 从分布来说有体内的 如血压等各类压力 也有体表的 如心电等各类生物电 和体外的 如红外 生物磁等 医用传感器的设计要求 医用传感器作为传感器的一个重要分支 其设计与应用必须考虑人体因素的影响 考虑生物信号的特殊性 复杂性 考虑生物医学传感器的生物相容性 可靠性 安全性 1 传感器本身具有良好的技术性能 如灵敏度 线性 迟滞 重复性 频率响应范围 信噪比 温度漂移 零点漂移 灵敏度漂移等 2 传感器的形状和结构应与被检测部位的解剖结构相适应 使用时 对被测组织的损害要小 3 传感器对被测对象的影响要小 不会对生理活动带来负担 不干扰正常生理功能 4 传感器要有足够的牢固性 引进到待测部位时 不致脱落 损坏 对医用传感器的基本要求 5 传感器与人体要有足够的电绝缘 以保证人体安全 6 传感器进入人体能适应生物体内的化学作用 与生物体内的化学成分相容 不易被腐蚀 对人体无不良刺激 并且无毒 7 传感器进入血液中或长期埋于体内 不应引起血凝 8 传感器应操作简单 维护方便 结构上便于消毒 对医用传感器的基本要求 二 医用传感器的组成和分类1 医用传感器的组成 1 物性性传感器 2 结构型传感器 医用学传感器的分类 传感器的分类方法多种多样 有按传感器的工作原理分的 有按输入信息的类型分的 也有按能量关系或输出信号类型分的 医学测量中往往按被测信号来分类 如脉搏传感器 呼吸波传感器等 生物传感器 生理参数 原理 利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质 利用材料的物理变化 物理传感器 非电学量参数 利用化学反应原理 把化学成分 浓度转换成电信号 化学传感器 物理传感器 电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器 压阻 效应 传感器 压电 效应 传感器 光电 效应 传感器 霍尔 效应 传感器 3 1 3医用传感器的发展 1 传感器本身的研究和开发 1 传统传感器通过技术处理方式 2 新型传感器2 传感系统的研究和开发 1 改善传感器技术性能方法 1 差动技术2 平均技术3 补偿与修正技术4 屏蔽 隔离与干扰抑制5 稳定性处理 2 新型传感器 1 新型传感器 新原理 仿生 2 新材料 半导体敏感材料 陶瓷材料 磁性材料和智能材料等 3 新工艺4 集成化 多功能化与智能化 现在传感器的发展方向 1 智能传感器2 微型化传感器3 多参数传感器4 遥控传感器5 无创检测传感器 第二节变电阻传感器 金属应变片型半导体扩散型 非电量 应变 电阻应变片弹性原件 电阻变化 传感器 常见的电阻应变式传感器 各种电子秤 广泛应用于 2 1电阻应变片 应变式传感器的核心元件是电阻应变片 它可将试件上的应力变化转换成电阻变化 2 1 1应变效应 导体或半导体在受到外界力的作用时 产生机械变形 机械变形导致其阻值变化 这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应 2 1 2电阻应变片的结构和工作原理 对于一长为L 横截面积为A 电阻率为 的金属丝 其电阻值R为 如果对电阻丝长度作用均匀应力 则 L A的变化 d dL dA 将引起电阻R变化dR dR可通过对上式的全微分求得 电阻相对变化量为 若电阻丝是圆形的 则A r 对r微分得dA 2 rdr 则 由材料力学的知识 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 2 5 为金属材料的泊松系数 将 2 4 式 2 5 代入 2 3 式得 KS称为金属丝的灵敏系数 表示单位应变所引起的电阻的相对变化 对于确定的材料 1 2 项是常数 其数值约在1 2之间 实验证明d x也是一个常数 上式表示金属丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系 根据应力和应变的关系 应力 E 即 而 dR 所以 dR 常用的应变电阻材料的特性 1 金属电阻应变片 丝式 箔式 薄膜式 1 金属丝式应变片 4部分 作用将金属电阻丝 一般是合金 电阻率较高 直径约0 02mm 粘贴在绝缘基片上 上面覆盖一层薄膜 使它们变成一个整体 2 1 3电阻应变片的分类 金属电阻应变片 半导体电阻应变片 二 结构与分类 1 结构 电阻丝 是应变片的转换元件 基底 将传感器弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质并起到电阻丝与弹性体之间绝缘和保护的作用 黏合剂 将电阻丝与基底粘贴在一起 引出线 连接测量导线 2 分类 应变计 金属式 半导体式 丝式 箔式 薄膜式 薄膜型 扩散型 PN结极其它形式 1 金属丝式应变计 转换转换元件 丝栅状的电阻丝 可以作成V U H形状 U型 弯头呈半圆型 制造简单 但易产生 横向效应 误差 V H型 可以减小 横向效应 误差 2 箔式应变计 敏感栅是通过光刻 腐蚀工艺制成 特点 线栅尺寸准确 均匀 电阻值离散程度小 可以制成任意形状 尺寸小 0 2mm 厚度薄 0 003 0 01mm 可饶性好 蠕变小 疲劳寿命高 表面积大 散热好 电流通过力大 3 薄膜式应变计 薄膜 0 1um厚膜 25um 金属薄膜应变计采用真空溅射或真空沉积等方法制成 特点 灵敏度高 比丝式高1 2个数量级以上 具有负电阻温度系数 稳定性较差 箔式应变片的外形 常见的几种电阻应变片 半导体应变片 常用应变片的形式 金属应变计 四 应变效应的应用 应变效应的应用十分广泛 它可以测量应变应力 弯矩 扭矩 加速度 位移等物理量 第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上 并将其接到测量转换电路 这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器 应变式传感器中 敏感元件一般为各种弹性体 传感元件就是应变片 测量转换电路一般为桥路 第二类是将应变片贴于被测试件上 然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量 力和扭矩传感器柱式测力传感器 a 柱式传感器 b 结构 弹性元件上应变片的粘贴和桥路连接应尽可能的清除偏心 弯矩影响 一般应变片均匀贴在圆柱表面中间部分 R1R2 R3R4串联摆放在两对臂内 当有偏心应力时 一方受拉另一方受压 产生相反变化 可减小弯矩的影响 横向粘贴的应变片为温度补偿片 并有提高灵敏度的作用 c 圆柱面展开图 d 桥路连接图 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置 F 荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形 轴向变短 径向变长 电子称的工作过程 电子天平 电子天平的精度可达十万分之一 2 应变式压力传感器应变式压力传感器的测量范围在104 107Pa之间 常见的结构形式有简式 膜片式和组合式等 筒式压力传感器见下图 通常用于测量较大的压力 它的一端为盲孔 另一端为法兰与被测系统联接 应变片贴于筒的外表面 工作片贴于空心部分 补偿片贴在实心部分 筒式压力传感器 受张力的电阻丝传感元件和波纹膜片组成的血管外血压传感器 脉象传感器脉象传感器的脉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 粘贴在梁上 下两面的应变片接成全桥或半桥 输出电压波形反映脉管波动变化波形 其频率上限受悬臂梁的谐振频率的限制 水银 或导电液 橡胶管应变仪水银 或导电液 橡胶管应变仪通常在一个可伸缩的橡胶管中充满导电液体而制成 导电液体积不变 则有 在应变很小时 电阻变化与应变成线性关系 可测量心脏 血管 手足和胸腔尺寸腿部血栓 呼吸阻抗的变化 二 压阻传感器利用硅的压阻效应和微电子技术制成的压阻式传感器 具有灵敏度高 动态响应好 精度高 易于微型化和集成化等特点 获得广泛应用 而且是发展非常迅速的一种新的物性型传感器 它易于批量生产 能够方便地实现微型化 集成化和智能化 1 压阻效应压阻效应 单晶硅材料在受到应力作用后 其电阻率发生明显变化 这种现象被称为压阻效应 对于一条形半导体材料 其电阻相对变化量为 压阻系数 E 弹性模量 应力 应变 上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应 上式也可以近似写成 3 压阻系数 1 压阻系数的定义半导体电阻的相对变化近似等于电阻率的相对变化 而电阻率的相对变化与应力成正比 二者的比例系数就是压阻系数 即 表面杂质浓度Ns 1 cm3 2 影响压阻系数的因素影响压阻系数的因素主要是扩散电阻的表面杂质浓度和温度 1 扩散杂质浓度Ns增加时 压阻系数就会减小 温度 C 温度 C 2 压阻系数与温度的关系为了降低温度影响 扩散电阻表面杂质浓度高些较好 但扩散表面杂质浓度高时 压阻系数要降低 4 半导体应变元件60年代发展的高应变系数半导体应变元件是应变式传感技术的重大进展 但有较大的温漂和非线性 半导体元件能制成粘贴型 非粘贴型和集成的应变式元件 这些集成器件可用P型或N型的硅或锗基片作为结构部件 反型材料扩散到基片里 N型和P型基片应变片具有相反符号的应变系数 a 非粘贴型均匀渗杂 b 扩散P型元件 d 集成压力传感器 几种典型的半导体应变式元件 c 集成悬臂梁式压力传感器 5 应用实例导管式压阻传感器的结构图 小型压阻式固态压力传感器 高压进气口 低压进气口 绝对压力传感器 小型压阻式固态压力传感器 续 呼吸 透析和注射泵设备中用的压力传感器 p1进气管 p2进气管 固态压力传感器 小型压阻式固态压力传感器 续 表压压力传感器 p1进气管 三 热敏电阻温度传感器这种传感器的变换元件是热敏电阻器 热敏电阻器是一种对温度敏感的具有负电阻温度系数的电阻器 由氧化锰 氧化镍 氧化钴等氧化物和陶瓷 半导体材料制成 其电阻率比金属大得多 用于生物医学的热敏电阻器的电阻率约为0 1 100 做成珠状 圆盘状 薄片状 杆状和环状的器件 具有尺寸小 灵敏度高和很好的长期稳定性等特点 应用很广 RT 温度T时的电阻值 R0 参考温度T0时的电阻值 热敏电阻器的材料常数 或称特征温度 T0 标准参考温度 所有温度的单位为K 1 热敏电阻器的性能 1 电阻温度特性可用下式近似表达 一组典型的热敏电阻器的电阻温度特性曲线 这些曲线是在热敏电阻器工作于很小的功率 以致自热可以略去不计的情况下测出的 故称这种电阻值为零功率电阻 图中每条曲线表示一种材料 2 温度系数对上式微分后 再除以RT 可得温度系数 温度系数 是温度T的非线性函数 3 静态伏安特性0A段是线性段 表示低电流下 热敏电阻器呈线性电阻性质 A点是没有自热时的最大电流值 曲线BC段为负阻特性区 峰点B处电阻增量为零 C点是空气中最大安全工作点电流 4 功耗常数在规定的环境温度下由于自热而每上升1 所耗散的功率 称为功率数 单位为mW 在 55 150 范围内功耗常数约为0 5 10mW 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 热敏电阻器的电阻在初始温度和终止温度之间变化63 2 所需要的时间 热敏电阻器的热时间常数在1 50s之间 RTm 在温度变量的中间标度Tm处的热敏电阻器的电阻位 2 热敏电阻器的电阻 或电导 温度特性的线性化1 恒流源 可用一个固定电阻器Rp与热敏电阻器并联来完成 电阻值由下式计算 2 在用恒压源供电并测量流过热敏电阻器的电流时 可用一个固定电导Gs与热敏电路串联来完成 串联电导由下式计算 3 并联和串联线性化电路有效电阻温度系数表示如下 小结 三 1 传感器的概念及其分类 2 传感器设计应用注意事项及发展方向 3 电阻式传感器的原理4 电阻式传感器的分类 应用及测量电路 作业 三 1 影响压阻系数的因素主要是扩散电阻的表面杂质浓度和温度 下列哪些说法是错误的 A扩散杂质浓度增加时 压阻系数就会减小B 表面杂质浓度低时 温度增加 压阻系数下降得快 C 表面杂质浓度高时 温度增加 压阻系数下降得慢D 扩散杂质浓度增加时 压阻系数就会增大 2 半导体应片的工作原理是基于 效应 3 当电阻应变片式传感器拉伸时 该传感器电阻 A变大B变小C不变D不定4 医用传感器有哪些用途和分类方法 5 何为金属的电阻应变效应 怎样利用这种效应制成应变片 6 什么是半导体应变片的灵敏系数 它与电阻丝的灵敏系数有何不同 为什么 7 对于箔式应变片 为什么增加两端各电阻条的截面积便能减小横向灵敏度 8 用应变片测量时 为什么必须采用温度补偿措施 9 一应变片的电阻R 120 k 2 05 用作应变为800 m m的传感元件 求 R和 R R 若电源电压U 3V 求初始平衡时惠斯登电桥的输出电压U0 10 在材料为钢的实心圆柱形试件上 沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120 的金属应变片R1和R2 把这两应变片接入差动电桥 若钢的泊松系数 0 285 应变片的灵敏系数k 2 电桥电源电压U 2V 当试件受轴向拉伸时 测得应变片R1的电阻变化值 R 0 48 试求电桥的输出电压U0 优点 1 测量范围大2 灵敏度高3 动态响应时间短4 机械损失小5 结构简单 适应性强 3 3电容式传感器 缺点 1 寄生电容影响较大2 具有非线性输出特性 3 3 1一 工作原理 电容传感器的理想公式 改变任意一个参数量 均可使平板电容的电容量C改变 固定两个参量 变间隙型 变面积型和变介电常数型 1 变面积式电容传感器 变面积型传感器 电容C 与角位移 呈线性关系 1 1 角位移变面积式 当 0时 当 0时 1 2 直线位移变面积式 分析 1 灵敏度K为常数 2 与C0 a有关 灵敏度低 3 适合范围大的位移 但不能太大 1 输出特性线性2 用于检测直线位移 厘米级 和角位移 几十度 等参量较大位移 1 3变面积型电容传感器小结 检测容器中液面高度 片状材料的厚度等 2 变介质介电常数 型 变介质型传感器 在电容器极板间插入干纸和潮湿纸时 哪一种情况下的电容量大 可以用于测量什么非电量 液体介质间的电容量C2为 气体介质间的电容量C1为 2 1 电容液面计 总电容量为 令则 结论电容量C与液位高度h1成线性关系 例题 置于某存储罐的电容式液位传感器由半径为20mm和4mm的两个同心圆柱体组成 并与存储罐等高 存储罐也是圆柱形 半径为25cm 高为1 2m 被存储液体的 2 1 计算传感器的最小电容和最大电容以及传感器用在该存储罐内时的灵敏度 2 2 另一种变介电常数 的电容传感器 0或 1变化 C变 0为常数 当待测体厚度d1不变时 作为介电常数 1测量仪 待测体介电常数 1不变时 可作为测厚仪d1使用 2 3变极板间距 d 型 灵敏度高 测量极小的位移量 变间隙型传感器 间距d0减小 d时 电容量为 于是得 3 1 单变极板距离型 初始电容为 在时 C与 d近似呈线性关系 一般取 d do 0 02 0 1 非线性误差较大 仅适用于微小位移的测量 0 1 m 零点几毫米 当 d d0时 3 1 单变极板距离型 非线性误差 灵敏度 3 1 单变极板距离型 矛盾 K是d的函数 d小 灵敏度高 但d减小 会增大非线性 受击穿电压的限制 方法 取 15 20 局部区域近似线性 采用差动电容传感器 补偿非线性 在平行极扳中加入适当厚度的介电常数大的材料 云母 也可以补偿非线性度 在实际应用中 为了提高灵敏度 减小非线性误差 大都采用差动式结构 变间隙式 变面积式 4 差动式电容传感器 以变间隙式差动电容传感器为例 当动极板位移 d时 则 电容值相对变化量 灵敏度提高一倍 非线性误差大大降低 5电容式传感器小结 1 误差来源 温度变化 介电常数 几何尺寸 外界干扰信号 分布电容 2 措施 双层屏蔽的同轴电缆 放大器输入级设计在传感器壳体内 改进方法 1 增加传感器原始电容值 2 注意传感器的接地和屏蔽 3 集成化 4 采用 驱动电缆 双层屏蔽等位传输 技术 5 采用运算放大器法 6 整体屏蔽法 3 3 2测量转换电路 电容传感器将被测物理量转换为电容变化后 需要转换电路将其转换为电压 电流或频率信号 极板之间施加直流电压 并与高阻值的电阻R相接 1 静电式测量线路 传感器部分阻抗很高 放大器输入阻抗如果不够高 则将会导致灵敏度的下降 只能用于无需测量直流分量的生理信号 如心音 声音等 直流电源 传感器和大负载电阻串联 R 1M 输出特性是高通滤波器型 其低截止频率 2 测量动态位移变化的电容传感器 3 变频电路 可测量直流信号 灵敏度高 可测至0 01微米位移量 缺点是振荡频率受电缆电容及其它分布电容的影确很大 同时受温度影响也较大 其线性度较差 4 频率调制式测量线路 输出信号是以位移x调制的调幅信号 须用解调器和低通滤波器得到正比于位移的电压信号 存在一定的非线性 4 频率调制式测量线路 6 电桥 7 运算放大器测量线路 8 差动脉宽调制电路 t uA uB uAB UF UG Ur Ur U1 U1 0 0 0 0 0 U1 U1 T1 T2 t t t t uA uB uAB UF UG Ur Ur U1 U1 T1 0 0 0 0 0 T2 U1 U1 t t t t t 差动脉冲调宽电路各点电压波形图 根据电路知识可知 UA UB A点和B点的矩形脉冲的直流分量 T1 T2 分别为C1和C2的充电时间 U1 触发器输出的高电位 C1 C2的充电时间T1 T2为 A B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得 等于A B两点电压平均值UA与UB之差 设R1 R2 R 则 说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 对于差动式变极距型电容传感器 对于差动式变面积型电容传感器来说 设电容器初始有效面积为S0 变化量为 S 则滤波器输出为 可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器 并具有理论上的线性特性 该电路采用直流电源 电压稳定度高 不存在稳频 波形纯度的要求 也不需要相敏检波与解调等 对元件无线性要求 经低通滤波器可输出较大的直流电压 对输出矩形波的纯度要求也不高 作业 1 在两片间隙为1mm的两块平行极板的间隙中插入 可测得最大的电容量 A塑料薄膜B干的纸C湿的纸D玻璃薄片2 三种类型的电容式传感器有什么优缺点 1 位移 自感量或互感量变化 电感传感器 变压器式传感器 2 优点 结构简单 分辨率好和精度高优点 缺点是响应较慢测量位移 压力和振动等参数 3 4电感式传感器 电感式传感器的基本工作原理演示 气隙变大 电感变大 电流变小 F 气隙型 反比关系 位移小 螺线管 线性关系 位移相对大 3 4 1 变电感传感器 1 气隙变磁阻传感器 衔铁移动 改变 磁阻变化 电感值变化 电感量计算公式 请分析电感量L与气隙厚度 及气隙的有效截面积S之间的关系 并讨论有关线性度的问题 N 线圈匝数 A 气隙的有效截面积 0 真空磁导率 气隙厚度 工作原理 线圈电感量与铁芯插入深度X有关 优缺点 优点是测量范围大 线性度好 结构简单和便于制作 缺点是灵敏度低 应用 测量大量程直线位移 2 单线圈螺线管式 整理得 结论 小位移检测时 铁芯可以工作在螺线管的端部 也可以工作在中间部分 大位移检测时 铁芯通常工作在螺线管的中间部分 增加线圈的匝数 增大铁芯的直径 可以提高螺线管电感传感器的灵敏度 螺线管电感传感器的线性工作范围通常要比气隙型电感传感器的线性工作范围大 2 差动传感器差动变压器式传感器是根据互感的变化来感知被测量的 将差动传感器接成电桥电路 以减小位移与自感量间非线性关系引起的误差 差分变压器式传感器结构形式 差分变压器式传感器的应用 二差分变压器式传感器工作原理 结构示意图 原理图 差分变压器的结构主要由一个线框和一个铁心组成 在线框上绕有一组输入线圈 又称为一次线圈 绕有两组完全对称的输出线圈 又称二次线圈 它们反向串联组成差分输出形式 当衔铁移向二次绕组L21一边 这时互感M1大 M2小 因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势 这时差分输出电动势不为零 在传感器的是量程内 衔动移越大 差分输出电动势就越大 同样道理 当衔铁向二次绕组L22一边移动差分输出电动势仍不为零 但由于移动方向改变 所以输出电动势反相 因此通过差分变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向 对于差分变压器 当衔铁处于中间位置时 两个二次绕组相同 因而由一次侧激励引起的感应电动势相同 由于两个二次绕组反向串接 所以差分输出电动势为零 差分变压器式传感器工作过程 产生零点残余电压及减小方法 产生零点残余电压原因 这是由于差分变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成 存在寄生参数 如线圈电容 电源电压含有高次谐波 磁路的磁化曲线存在非线性 减小零点残余电压方法 提高框架及线圈的对称性 减少电源中谐波成分 选择磁化曲线好的材料 在线圈上并联阻容移相网络 补偿相位误差 采用相敏检波电路 零点残余电动势的存在 使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏 给测量带来误差 此值的大小是衡量差分变压器性能好坏的重要指标 三基本特性 灵敏度与线性度差分变压器式传感器的灵敏度一般可达0 5 5V mm 行程越小 灵敏度越高 为了提高灵敏度 励磁电压在10V左右为宜 电源频率以 Hz 10kHz为好 差分变压器式传感器线性范围约为线圈骨架长度的1 10 1 4 中间部分线形好 例 欲测量 20mm 2mm轴的直径误差 应选择线圈骨架长度为多少的差分变压器 或电感传感器 为宜 四测量转换电路 测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化 以便用仪表指示出来 但若仅采用电桥电路和普通的检波电路 则只能判别位移的大小 却无法判别输出的相位和位移的方向 如果在输出电压送到指示仪前 经过一个能判别相位的检波电路 则不但可以反映位移的大小 的幅值 还可以反映位移的方向 的相位 这种检波电路称为相敏检波电路 差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流 然后将整流的电压或电流的差值作为输出 下图给出了几种典型电路形式 图中 a c 适用于交流阻抗负载 b d 适用于低负载阻抗 电阻R0用于调整零点残余电压 差分变压器输出交流信号 为正确反映衔铁位移大小和方向 常采用差分整流电路和相敏检波电路 常用的差分整流电路 输入一交流信号时 测量电路 以差分整流为例 若 1 2虚焊 Uao Ubo将变成什么波形 差分整流的特点 电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的 所以称为差分整流电路 它不但可以反映位移的大小 电压的幅值 还可以反映位移的方向 上图中的RP是用来微调电路平衡的 VD1 VD4 VD5 VD8组成普通桥式整流电路 3 4 3 4组成低通滤波电路 1及 21 22 f 23组成差分减法放大器 用于克服a b两点的对地共模电压 相敏检波输出特性曲线 a 非相敏检波b 相敏检波1 理想特性曲线2 实际特性曲线 实测得到的相敏检波电路的特性曲线 通过调零电路 可使输出曲线平移到原点 标定位移时的实验数据及曲线 五差分变压器式传感器的应用 差分变压器式传感器可直接用于位移测量 也可以用来测量与位移有关的任何机械量 如振动 加速度 应变等等 压差计当压差变化时 腔内膜片位移使差分变压器次级电压发生变化 输出与位移成正比 与压差成正比 压力测量 1 压力输入接头2 波纹膜盒3 电缆4 印制线路板5 差分线圈6 衔铁7 电源变压器8 罩壳9 指示灯10 密封隔板11 安装底座 压力变送器应用 交流电桥式测量电路 5 0 电桥平衡条件 Z1 Z2 Z3 Z4平衡状态下 U0 0衔铁偏离中心位置后 假设Z1 Z Z1 Z2 Z Z2 还假设传感器线圈具有高品质因数 又忽略高次项得故 注 此图中的电桥输入输出端口与上一章中的位置刚好相反 交流电桥式测量电路灵敏度分析灵敏度K0为两点结论 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍 差动式变间隙电感传感器的非线性项次数高 线性度得到明显改善 小结 四 第五节电动式传感器电动式传感器的物理基础是法拉第电磁感应定律和安培定律 它可用于电磁血流计 胸腔微音器等医学仪器中 后者工作具有可逆性 故也可制成骨导振动器 心脏助推泵等 5 1磁电式传感器 通过磁电作用将被测量 如振动 转速 扭矩 转换成电势信号 利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势 属于机 电能量变换型传感器优点 不需要供电电源 电路简单 性能稳定 输出阻抗小一般分为两种 磁电感应式霍尔式 传感器原理 如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的 则当线圈与磁场的相对速度为 时 线圈的感应电动势 为运动方向与磁场方向间夹角 当 90 线圈的感应电动势为 当N B和la恒定不变时 E与 dx dt成正比 根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小 电动式传感器在生理参数检测中 主要用于心音测量 可作测振传感器 胸式心音传感器 也可做声压传感器使用 逆向使用时输入激励电流 输出推力 成为压力发生器 例如用于电动心脏助推装置 二 电磁血流量计使用电磁血流量计是测定完整血管中的动脉血流的标准方法 所测量的容积速度的灵敏度与流速形态无关 目前精度达土5 适合于测量1mm以上的任何动脉血管 电磁血流量计工作原理在恒定磁场B中切割磁力线感应出的电动势由法拉第电磁感应定律给出 理论证明 对于血流速度在血管横截面内分布不均匀但以管轴为对称轴对称分布的情况 产生感应电动势的表达式为 va 平均血流速度 Q 体积流速即血流量 概述 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器 得到广泛的应用 可以检测磁场及其变化 可在各种与磁场有关的场合中使用 霍尔器件以霍尔效应为其工作基础 特点 霍尔器件具有许多优点 它们的结构牢固 体积小 重量轻 寿命长 安装方便 功耗小 频率高 耐震动 不怕灰尘 油污 水汽及盐雾等的污染或腐蚀 5 2霍尔元件的基本工作原理 霍尔式传感器 霍尔效应 置于磁场中的导体 或半导体 当有电流流过时 在垂直于电流和磁场的方向会产生电动势 霍尔电势 原因是电荷受到洛伦兹力的作用 定向运动的电子除受到洛仑兹力外 还受到霍尔电场的作用 当fl fE时 达到平衡 此时 霍尔系数 材料确定后为常数 灵敏度系数 对于导体 霍尔系数一般较小 故霍耳元件一般用半导体制作 且愈小 薄 灵敏度愈高 霍尔元件基本结构 国产霍尔元件型号的命名方法 霍尔元件基本特性 额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10度时所流过的激励电流以元件最大温升为限制所对应的激励电流输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻电压源内阻不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时 若元件所处位置磁感应强度为零 此时测得的空载霍尔电势 不等位电势就是激励电流经不等位电阻所产生的电压 寄生直流电势霍尔电势温度系数 2 霍尔元件的测量电路 1 基本测量电路霍尔元件的基本测量电路如图所示 激励电流由电压源E供给 其大小由可变电阻来调节 基本测量电路 2 霍尔元件的输出电路在实际应用中 要根据不同的使用要求采用不同的连接电路方式 如在直流激励电流情况下 位了获得较大的霍尔电压 可将几块霍尔元件的输出电压串联 如图 a 所示 在交流激励电流情况下 几块霍尔元件的输出可通过变压器接成如图 b 的形式 以增加霍尔电压或输出功率 a 直流激励 b 交流激励图霍尔元件的输出电路 霍尔元件的误差及其补偿 零点误差 不等位电势 电极引出时偏斜 半导体的电阻特性 等势面倾斜 造成 激励电极接触不良 寄生直流电势 由于霍耳元件是半导体 外接金属导线时 易引起PN节效应 当电流为交流电时 整个霍耳元件形成整流效应 PN节压降构成寄生直流电势 带来输出误差 补偿方法制作工艺上保证电极对称 欧姆接触电路补偿 误差原因 温度变化时 KH Ri 输入电阻 变化补偿办法对温度引起的I进行补偿 采用恒流源供电 但只能减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流的变化的影响 对KHI乘积项同时进行补偿 采用恒流源与输入回路并联电阻 初始状态 KH0 Ri0 温度变化后 要使即 霍尔元件的温度补偿 霍尔传感器的应用 作业 1 电动式传感器和电感式传感器有哪些不同 分别可以测量哪些参数 2 电动式传感器是速度传感器 它如何通过测量电路获得相对应的位移和加速度信号 1 将力 加速度转换成电荷变化2 价廉 简单及输出电压较大 可用来检测心音等 用途广泛 3 6压电式传感器 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时 电荷的极性随之改变 输出电压的频率与动态力的频率相同 当动态力变为静态力时 电荷将由于表面漏电而很快泄漏 消失 压电效应和压电材料 一 压电效应 1 正 顺 压电效应 2 逆压电效应 电致伸缩 常用压电材料 1 石英晶体 天然形成的石英晶体外形 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 双面镀银并封装 石英晶体振荡器 晶振 石英晶体在振荡电路中工作时 压电效应与逆压电效应交替作用 从而产生稳定的振荡输出频率 晶振 石英晶体的压电机理分析 石英的晶体结构为六方晶体系 化学式为SiO2 定义 x 两平行柱面内夹角等分线 垂直此轴压电效应最强 称为电轴 y 垂直于平行柱面 在电场作用下变形最大 称为机械轴 z 无压电效应 中心轴 也称光轴 a b c 图石英晶体压电效应机理示意图 不是所有的这些形变模式都能产生表面电荷的 极化压电陶瓷具有厚度 长度 体积和切变压电效应 二 压电材料的几种形变模式 三 工作原理常用压电传感器主要利用厚度膨胀和长度膨胀两种模式 前者电场方向平行于应变方向 称为纵向效应 后者电场垂直于应变方向 称为横向效应 x轴方向受压力 x轴方向受拉力 y轴方向受压力 y轴方向受拉力 三 工作原理 1 纵向效应x切割的石英薄片 z方向极化的压电陶瓷 2 横向效应 虽然压电材料有很高的电阻率 但仍存在漏电流 外力变化产生的电荷会漏掉以致电压降低到零 压电传感器的直流响应因此很差 只能对变化的力才有电压输出 几种压电材料的性质 四 压电陶瓷的压电现象 人造多晶体 经极化处理后的人工多晶铁电体 未极化前 不具压电性 撤销外电场 163 对外不呈极性 正压电效应 压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形 上海硅酸盐研究所研制 3 高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 PVF2或PVDF 聚氟乙烯 PVF 改性聚氯乙烯 PVC 等 它是一种柔软的压电材料 可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状 它不易破碎 具有防水性 可以大量连续拉制 制成较大面积或较长的尺度 价格便宜 频率响应范围较宽 测量动态范围可达80dB 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器 高分子压电薄膜制作的压电喇叭 逆压电效应 171 3 6 4等效电路和测量电路 一 等效电路 1 并联 2 串联 172 3 6 4等效电路和测量电路 一 压电晶片的连接方式 1 并联 2 串联 173 二 压电传感器的等效电路 只适宜动态测量 压电晶片 压电传感器 174 压电传感器在实际测量系统中的等效电路 175 三 压电传感器的测量电路 前置放大器的作用 1 放大 2 阻抗转换 1 电压放大器 176 3 3压电传感器的应用 例1 压电式测力传感器 压电式三向力传感器 177 例3 压电引信 压电陶瓷 弹丸起爆装置 破甲弹 178 例7 汽车安全气囊系统 事故性碰撞 点火信号 电点火管 气体发生剂 气体 充气 弹性体 179 例10 压电式血压传感器 例11 指套式电子血压计 180 例12 玻璃破碎报警器 181 例13 水深测量仪 182 例14 逆压电效应的应用 声表面波传感器 延迟时间 高分子压电电缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距若干米 平行埋设于柏油公路的路面下约5cm 可以用来测量车速及汽车的载重量 并根据存储在计算机内部的档案数据 判定汽车的车型 压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用 压电式步态分析跑台 压电式纵跳训练分析装置 压电传感器测量双腿跳的动态力 六 医学应用实例压电式大心内导管微音器灵敏度为17 8 V Pa 串联 频响在传感器的前置放大器输入阻抗大于100M 时 平坦响应远低于20Hz 谐振频率为6kHz 复合材料的压电血压传感器优点 具有结构简单 组装容易 体积小 可靠性高 耐冲击 灵敏度响应好和再现性好等 膜的韧性好 易于贴紧皮肤 力阻抗匹配于人体 可消除外界的干扰压力 能稳定地检测脉压 脉数和脉波波形 利用压电材料制成的压电超声换能器是医学超声仪器的关键部件 其中尤以压电陶瓷使用最多 它是可逆装置 在医学诊断中利用逆向压电效应发射超声波又以压电效应接收超声 在超声治疗中只利用逆向压电效应发射超声波 超声医疗仪器对人体无害 价格低 用途广 故发展迅速 它的种类很多 目前使用频率在104 1010Hz范围内 作业 1 将超声波转换成电信号是利用压电材料的 蜂鸣器中发出 嘀嘀 声的压电片发声原理是利用压电材料的 A应变效应B电磁效应C压电效应D逆压电效应2 动态传感器中 两片压电片多采用接法 可增大输出电荷量 在电子打火机点火装置中 多片压电片采用接法 可使输出电压达上万伏 从而产生电火花 3 使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可以测量 A人的体重B车刀的压紧力C车刀在切削时感受到的切削力的变化量D自来水管道中水的压力4 为什么压电传感器只能测变化的力 5 压电材料是否在任何方向都有压电效应 6 超声换能器中使用最多的压电材料是 第七节热敏传感器一 金属热电偶传感器两种不同的金属组成回路时 若每个接触点温度不同 则回路中就有电流通过 称为温差电现象或塞贝克效应 热电偶传感器就是利用这个效应制成的热敏传感器 它具有测温范围宽 性能稳定 准确可靠等优点 应用很广 与 热电偶常数 T1 第一接触点上的被测温度 T2 第二接触点上的参比温度 通常为0 常用材料的 较小 故在温差不大时 近似于线性关系 温差电现象塞贝克热电势可用下式表示 最常用的热电偶是铜与康铜热电偶 其灵敏度为45 V 20 在 150 350 范围内精度约 0 5 铬镍合金与镍铝合金热电偶灵敏度最高 可达80 V 有用量程为0 500 热电灵敏度S 亦称热电势率或塞贝克系数 用下式计算 2 热电偶的基本定则 1 均质回路定则 由相同成分材料组成回路 若只受到温度的作用 则不论其导体的直径和长度如何 均不产生热电势 2 中间金属定则在热电偶回路中接入第三种金属材料 只要该第三种金属材料两端温度相同 则热电偶所产生的热电势保持不变 即不受第三种金属材料接入的影响 应用 利用热电偶进行测温 必须在回路中引入连接导线和仪表 接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势 3 中间温度定则左图中V1是两种不同金属A和B的两个接触点分别处于T1和T2时所产生的电势 V2是两个接触点分别处于T2和T3时所产生的电势 则当两个接触点温度是T1和T3时 产生的电动势是V1 V2 根据中间温度定则 可用一个已知的参比接触点温度所得到的校准曲线去确定另一个参比接触点温度的校准曲线 4 组成定则由三种不同材料的热电极A B C各自互相组成三对热电偶回路 如左图所示 如果热电极A和B分别与热电极C组成的热电偶回路所产生的热由势为V1和V2 则由热电极A和B组成的势电偶回路的热电势为V1 V2 根据组成定则 通常用纯度很高 物理化学性能极稳定的材料 例如铂 做成电极C 称为标准热电极 作为确定各种材料的热电特性的比对基准 3 热电偶温度计热电偶温度计是通过测量温差电动势来确定其两个接触点的温度差 并使参比端温度固定于已知温度 则另一测量端的温度就可算出 测量端热容量小 受热面积很小 可测定空间任一点的温度 响应时间短 容易制造 稳定性好 可将热电偶做在导管内或注射针内 可制成更小的热电偶 可测量细胞内瞬时温度 热电偶温度计的缺点 输出电压小 灵敏度低 并需要一个准确的参比温度 为了提高灵敏度 增加输出电压 可把许多热电偶串联起来 使奇数的接触点都测量同一温度 而使偶数的接触点保持同一参比温度 这种多接触点的热电偶称热电堆 许多热电偶的并联可以用来测平均温度 二 PN结二根管和集成电路温度计1 PN结二极管温度传感器当恒定电流正向通过PN结二极管时 二极管端电压随温度的改变作线性变化 其线性度极好 因此只需校准两个固定温度点即可完成校准程序 在 40 100 范围内 半导体二极管正向电压与温度的关系为线性关系 如图3 7 1所示是采用硅二极管温度传感器的温度检测电路 其输出灵敏度为0 1V 图3 7 1采用硅二极管温度传感器的测温电路 以硅二极管为例 说明其工作原理 硅二极管的电流电压公式为 k 玻耳兹曼常数 k 1 3806 10 23JK 1 T 绝对温度 K V 二极管端电压 V q 电子电荷量 q 1 6022 10 19C I0为饱和电流 本身是温度的函数 在高注入的工作条件下 饱和工作电流可表示为 Eg 硅在绝对零度时的禁带宽度 对于给定的二极管 函数f T 的作用恰好基本上可抵消T3 2的作用 使f T T3 2接近于常数k 在此条件下 可得 由此可知 在恒流条件下 二极管电压与温度成线性关系 此时灵敏度 一个典型的硅二极管 工作于10 A 灵敏度为 2 8 V 0C 若电流为1mA 则灵敏度降至 2 0 A 应用闭环增益为500的运算放大器 可制成灵敏度为1V 的硅二极管温度计 曾有人把这种温度计植入猫脑内长期测量脑温度 2 集成电路温度传感器它们具有灵敏度高 线性好 精度高 响应快 体积小等优点 特别适用于生物医学领域 代表了热敏传感器的发展方向 三 热释电传感器1 热释传感器的原理某些晶体 PZT 在温度变化时会发生电极化 均匀加热晶体 则在晶体的某些方向上会产生等量异号的电荷 冷却晶体时 电荷的变化与加热时相反 这种现象称为热释电效应 热释电传感器的内部电路 两块反向串联的热释电晶片 场效应管 设温度变化为dT dt Ps对时间的变化率为dPs dt 电极面积为A 则AdPs dt就相当于电路上的电流 于是电压输出 2 热释电探测器 原理 热释电传感器输出电压 V正比于温度变化速率 而不取决于晶体与辐射是否达到热平衡 热释电传感器目前主要用于探测红外辐射 并广泛应用于各类辐射计 光谱仪及红外和热成像方面 医疗仪器中可应用于非接触测温和热成像 现已制成热光导摄像管 热像图法试用于诊断乳腺癌 皮肤癌 甲状腺癌及末捎血管闭塞或狭窄 热释电传感器具有灵敏度高 光谱范围宽 高频响应好 响应快等优点 均优于其他光敏 热敏探测器 主要缺点是容易受振动影响 不能对直流信号工作 热释电传感器应用 热释电传感器用于自动亮灯 当然也可以用于防盗 热释电传感器的感应范围 热释电感应灯 热释电传感器 四 石英谐振器温度传感器使用石英晶体的数字测温系统 是利用某种特殊切割的石英谐振器的谐振频率与温度的线性关系 把温度转换成频率 以获得数字输出的装置 小结 1 温差电现象与热电偶传感器2 PN节温度传感器3 热释电温度传感器4 石英晶体温度传感器5 外光电效应与传感器6 内光电效应与传感器 作业 1 什么叫温差电效应 它形成的两个基本条件是什么 2 请叙述热电偶的四个基本定则 3 什么叫热释电效应 4 石英晶体测温传感器的工作原理是什么 其测量电路一般如何实现 第八节光电传感器 学习光电效应 光电元件的结构 工作原理 特性以及光电传感器的各种应用 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量 并能将光能转化成电信号的器件 用光照射某一物体 可以看作物体受到一连串具有能量 每个光子能量的大小等于普朗克常数h乘以光的频率 即E h 的光子的轰击 组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应 分为 外光电效应内光电效应 3 8光敏传感器 一 外光电效应 外光电效应 在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应 基于外光电效应的光电元件有紫外光电管 光电倍增管 光电摄像管等 1 外光电元件 紫外管 当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时 电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面 形成电子发射 紫外管多用于紫外线测量 火焰监测等 紫外线 光电管 充气 光电管的阴极受到从光窗透进的光照射后 向真空发射光电子 这些光电子向阳极作加速运动 形成空间电子流 光电流的数值取决于阴极的灵敏度与光强 停止光照 外电路将无电流输出 图中K为光电阴极 D1 D2 Dn是由二次发射体制成的倍增极 亦称打拿极 A是收集电子的阳极或收集极 100V 约1 A 一 光电倍增管 二 光导效应及器件 光 电 导效应 有光敏电阻 光电导型 和反向工作的光敏二极管 光敏三极管 光电导结型 暗电流 亮电流 2 光敏电阻的结构 制造光敏电阻器的材料最常用的有硫化镉 硒化镉 硫化锌和红外波段的硫化铅 硒化铅等 3 光敏电阻的主要参数及特点 几乎都是用半导体材料制成的光电器件 没有极性 纯粹是一个电阻器件 使用时既可加直流电压 也可以加交流电压 无光照时 光敏电阻值 暗电阻 很大 电路中电流 暗电流 很小 当光敏电阻受到光照时 阻值减小 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流 一般希望暗电阻越大越好 亮电阻越小越好 此时光敏电阻的灵敏度高 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级 亮电阻在几千欧以下 光生伏特效应 光照使本均匀半导体或金属与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象 光生伏特效应有殿巴 Dember 效应 光电磁效应和PN结光生伏特效应等三种 三 光生伏特效应及器件 1 殿巴效应殿巴效应 半导体在强光照射下 表面的部分吸收能量形成高浓度的电子和空穴 与其内部的电子和空穴形成浓度差而出现电势的现象 殿巴效应中载流子由表面向内部扩散 由于电子的迁移率大于空穴的迁移率 电子先到达半导体内部 故而半导体的受光表面带正电 而另一侧带负电 2 光电磁效应 PEM 光电磁效应 当半导体表面受强光照射并在其垂直方向加以外磁场时 会在垂直于光和磁场方向上产生电势的现象 这是由于半导体表面向其内部扩散的光生载流子在磁场中受磁场力的作用而发生运动方向的偏移所致 其结果使电子和空穴移动方向相反 形成电势差 3 PN结光生伏特效应 实质是一个大面积的PN结 当光照射到PN结的一个面 例如p型面时 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度 那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴 电子空穴对从表面向内迅速扩散 如果光照是连续的 经短暂的时间 PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出 最后建立一个与光照强度有关的电动势Es 图光电池工作原理图 PN结 Es PN结光生伏特效应原理示意图 典型的PN结硅光电池的等效电路可用一个恒流源IP 光生电流 和一个理想二极管表示 图中ij为正向电流 Rsh为结泄漏电阻 Ish为结泄漏电流 Rs为光电池的串联电阻 C为结电容 RL为负载电阻 4 贝克勒 Becquerel 效应贝克勒效应 在电解液中浸入两个相同的电极 二者之一受光照后在两电极间产生电势的现象 它是液体中的光生伏特现象 由贝克勒效应发展出了实用化的感光电池 三 光生伏特效应及器件 光生伏特型光电器件是自发电式的 属有源器件器件 以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件 硒和硅是光电池常用的材料 也可以使用锗 其余的如光电二级管 光敏晶体管等属于这类光电器件 光电池 光电二级管 光生伏特器件 光电池常用的光电池分为两类 一类是金属 半导体型 其结构是在半