教学2.7_几种罕见生物医学传感器道理ppt课件

1、LOGO2.5 几种常见传感器原理LOGO 一、电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器v位移或应变可以引起某些资料的电阻值变化，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分量轻，量程大，尺寸小，价钱低，可用来测动态和静态量。任务原理任务原理v电阻式传感器丈量原理: v被测的非电量 R 电量输出 v其根本原理为：设有一根长度为L，截面积为A，电阻率为的金属丝，那么它的电阻值R可用下式表示：AlRALR 三个参数：长度L，截面积A，电阻率，假设发生变化，那么它的电阻值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；2、截面积A、长度L发生变化

2、电阻应变片传感器；3、电阻率发生变化热敏电阻、光导性光检测器等。1.电位器式传感器电位器式传感器 v 经过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改动电阻值大小，进而再将这种变化值转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，如下图。v 电位器式传感器普通采用电阻分压电路，将电参量R 转换为电压输出给后续电路，如下图。当触头挪动时，输出电压为：LxRRxLuu1Lio2.电阻应变片电阻应变片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。 典型构造典型构造v 康铜运用最广；v 半导体电阻温度系数大，要进展温度补偿；v 半

3、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。电桥电路又叫惠斯登电桥，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丈量电路。 电桥电路按其所采用的激励电源类型 直流电桥交流电桥任务方式有两种：平衡电桥零检测器和不平衡电桥。在传感器的运用中主要是不平衡电桥。 3 传感器丈量电路直流电桥 直流电桥桥路输出)()()(-214343214321L3241LRRRRRRRRRRRRRRRRRUI1平衡电桥：IL=0时 平衡条件 :R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1R2R4R3UILRL2不平衡直流电桥不平衡直流电桥v 当电桥后面接放大器时, 电桥

4、输出端看成开路.电桥的输出式为： URRRRRRRRU)(432132410应变片任务时，其电阻变化R )()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时有：)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，那么 RRRRRRRRUU432104432104UKUv Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。v 假设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；假设相邻两桥臂的应变极性不同，那么

5、输出电压为两者之和。v 假设相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之那么为两者之差。v 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片经过的电流也大，假设超越电阻应变片所允许经过的最大任务电流，传感器就会出现蠕变和零漂。v 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。略去分母中的R1/R1项 ,假设R1/R110R，r25R。v 实践运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。4.运用实例血管外血压传感器运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，膜片产生位移，带动活动元件挪动，使R1，R4以及R2, R3发

6、生反方向应变，使衔接它们的全桥失去平衡，产生输出。 5.运用实例脉象传感器运用实例脉象传感器v 脉搏波经传感顶子作用于等强度悬臂梁的自在端，使之弯曲变形。贴在梁上下面的应变片接入全桥或半桥，输出的电压即反响脉动规律。侧视图上视图 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溢导电液体如KCl，水银，也可以是导电碳粒，可丈量心脏，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。二、电容式传感器二、电容式传感器v 1.任务原理v 被丈量改动传感器的电容量，再转换成电量输出。根本方式是平板电容器，电容量为v C=0rS/xv

7、 常经过极距x来实现丈量，也可以改动介电常数r和极板面积S。v 上式微分得电容传感器的灵敏度v K=C/x=- 0rS/x2v 并得到 dC/C= -dx/xv 阐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。任务原理任务原理0 rSSCdd S 极板相对覆盖面积； d 极板间间隔； 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变极距(型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、()、(g) h 变介电常数( )型: i(l) 变极距型电容传感器变极距型电容传感器dsCr00200001)1 (1 ddddCddCddsCCCr非线性

8、关系 假设d/d1时，那么上式可简化为 ddCCC00假设极距减少d 最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性初始电容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dbxaCCCr)(00C与x间呈线性关系 电容式角位移传感器 0000dsCr00000(1)rsCCCd 当=0时 当0时传感器电容量C与角位移间呈线性关系 变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始电容 电容式液位传感器 电容与液位的关系为： 2.丈量电路丈量电路

9、1直流极化电压电路直流极化电压电路v 这是最简单的丈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上丈量输出电压V0 ，它与极距x间有关系：v X0是无位移时的电容极距，RC，R1Mv 实践上是高通滤波器，增大R，C能降低c，但会添加非线性，要求x/x0很小。2变频电路变频电路v C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动，经过丈量来了解位移量。v 能丈量的位移可以接近直流，但是存在非线性。3运放丈量电路运放丈量电路v C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v 关系v 放大器增益等于反响阻抗与输入阻抗之比,故v

10、 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。4电桥丈量电路电桥丈量电路v 用差动三端电容丈量准确位移。d0平衡位置，x向上正向位移，有v C10rA/(d0-x),v C20rA/(d0+x) v 可采用电容电桥丈量，输出电压为 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，就会发生空间电子数成倍增长景象，即电子倍增效应。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

11、。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上构成大约1a的电流。v其呼应时间 Cc+Ca+Ctv 输入阻抗：v 101012v 输出阻抗100M，呼应才干低于20Hz。 v 2血压传感器v 运用复合压电资料制造，包括：负荷压电资料换能元件、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。v 构造简单、体积小、可靠、耐冲击、灵敏度呼应好、再现性好。 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 右下是实践

12、运用的血压传感器。它被安装在加压安装上，然后把加压安装放在上腕的动脉部位，经过橡胶囊进展空气压力调理。 v 3)加速度型心音传感器v 这类传感器的构造方式很多，均根据惯性原理来丈量振动或者加速度，采用压电元件是常用的一种方法。v 构造上由质量块，弹簧，外壳构成的振动系统+压电元件两部分构成。为获得适宜的阻尼，壳体内充硅油和橡胶。硬弹簧和质量块一同向压电片施加静态预紧缩载荷，它要远大于丈量中能够接受的最大动应力。v 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添加；反之，那么压力减小。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丈量。丈量心音是一种典型的运用。 v 4微震颤传

13、感器v 这也是一个加速度传感器，压电元件作为振动接受器。v 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，构成电信号。 v 5空气传导型脉搏波传感器v 脉搏播引起空气振动，经过空气室传播到受压膜，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。LOGO v 半导体晶体资料例如半导体硅在外力作用下电阻率发生改动的景象称为压阻效应。据此原理制造的半导体压阻传感器,通常也称为半导体应变式传感器。v 压阻传感器主要包括两类：v 1)体型压力传感器半导体应变式v 2)固态压阻式压力传感器分散型，它正与集成电路技术结合开展成为智能传

14、感器，除了把电阻条、信号调理电路、补偿电路集成到硅片上，还把计算处置电路也集成到了一同。v 特点：灵敏度高、呼应快、精度高、任务温度范围宽、稳定、容易小型化、智能化，运用方便，便于批量消费等，因此运用广泛，开展迅速。v各向同性资料的微观方式欧姆定律：v E=Jv E-电场强度， J-电流密度，-电阻率v对于各向异性的晶体，此关系要用张量表示：v Ei =i j Jj (i, j = 1,2,3)v脚标1,2,3表示x,y,z三个正交晶轴方向 vi电场强度方向，j电流密度方向 vij 表示i方向电场强度和j方向电流密度之间关系的电阻率1 压阻效应压阻效应 v当应力作用于传感器时，其电阻率就发生改

15、动，即产生压阻效应。可同时遭到三个正应力和三个切应力。v普通，假设晶体同时遭到应力和电流的作用，从叠加原理可得：v Ei = (ij + ijmm) Jjv -ijm 压阻系数 v - m 应力分量v - 正向电阻率， =11=22=33v - i=1,2,3电流强度方向v - j=1,2,3电流密度方向v - m=1,2,3,6应力的方向 v对称性的各向异性资料可以简化应力关系，详细运用时的应力条件也可以用来简化方程。v例如，只受剪切应力，有1= 2=3=0v例如，一块矩形板受液体压力p的作用，那么1= 2=3= - p，且4= 5=6= 0v为简化符号,可对i，j进展如下合并：v 11 1

16、 22 2 33 3v 23 4 13 5 12 6v32 4 31 5 21 6v 于是ijm 就成为nm, n,m=1,2,3,6 v单晶硅只需3个独立的压阻系数，因此其压阻系数矩阵就为：v 11 12 12 0 0 0v 12 11 12 0 0 0v 12 12 11 0 0 0v 0 0 0 44 0 0v 0 0 0 0 44 0v 0 0 0 0 0 44v 11 纵向压阻系数v 12 横向压阻系数v 44 切向压阻系数v指定晶面内的压阻系数随晶体的取向而变，因此在制造传感器，选取电阻条的方向时，应充分利用这个性质，以获得最正确的元件特性。压阻效应的计算公式压阻效应的计算公式v

17、设长度为L、横截面为A的导体或半导体资料，其电阻为：v R = L/Av 对此式微分得：v dR/R = d/ +(1+2)dL/Lv = (E + 1 + 2)dL/Lv - 泊松比 v E - 弹性模量，单位为Pav - 压阻系数 v半导体的E乘积可高达50-100，而1+2 2，所以可以以为v R/R = / = E L/L v即 v E = / / L/L = m1 v m1称为弹性压阻系数v 例如，在111方向作长轴切割的P型半导体硅片，其m1 在100-175 影响压阻系数的要素影响压阻系数的要素v 一、与分散杂质的外表浓度有关v 两者根本成反比关系，即浓度添加，压阻系数将减小。v

18、 二、温度升高，压阻系数下降v 浓度较低时，温度升高引起压阻系数下降快v 浓度较高时，温度升高引起压阻系数下降得慢v 杂质浓度很大时，温度对压阻系数几乎没影响v 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，并使得半导体资料的绝缘电阻降低，特性变差。v 所以，要综合思索压电系数灵敏度，温度漂移，绝缘电阻等三个方面，合理确定分散杂质外表浓度。2 半导体压阻器件半导体压阻器件v 如前所述，半导体有应变系数高的显著优点，其缺陷是温度敏感性较大和非线性。虽然这样，它们依然成为传感器领域中的重要成员，促进了传感技术的开展。v 方式上，半导体应变元件有粘贴型，非粘贴型，集成型等几种。v 集成型，

19、可在P型基片上分散进相反的N型资料，或反过来，N基片分散进P型资料。它们有相反符号的应变系数，再进展掺杂，可以获得大的应变系数。但非线型和温度漂移也会增大。v 假设电路设计合理，例如c,d所示用8个分散压力应变电阻，对称布置构成的压阻应变传感器，再用惠斯顿电桥衔接，不仅有高灵敏度，还有很好的温度补偿效果。典型的半导体应变传感器典型的半导体应变传感器 v半导体应变仪的非线性较大，例如对于重度掺杂的传感器，特性为vP型硅 =210-2cm ：v R/R = 120(L/L)+ 4000(L/L)2vN型硅=3.110-4cm：v R/R = -110(L/L)+ 10000(L/L)2vN型非线性

20、大，但有负的应变灵敏度，因此本身就有温度补偿特性，再加上惠斯顿电桥可以有效消除平方项的非线性。3 丈量电路丈量电路 v 压阻式传感器最常用的丈量电路是惠斯顿电桥。v 如图将四个用分散法经过在硅片上制造的压阻元件构成桥臂电阻，一个对边上是两个添加电阻，另一个对边上是两个减少的电阻。v 供电：可用恒压源，或恒流源给电桥供电。v 但是，恒压源供电时，输出电压除了与被丈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。v 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。 v 源极跟随器：由结型场效应管T5

21、，T6与R4，R5构成高输入阻抗的源极跟随器，将丈量电桥与放大器A隔离，防止传感器的输出阻抗变化对放大器的闭环增益产生影响。v 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，最好选用适宜的仪器放大器。v 为获得正确的丈量结果，常需求在压阻传感器以及其他一些半导体资料制造的传感器丈量电路中添加温度补偿电路和非线性补偿电路。LOGO 一、一、 金属热电偶传感器金属热电偶传感器v 1.温差电景象v 两种不同的金属组成回路时，假设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，称为温差电景象，或者塞贝克效应。v 假设把这个回路作为电源，就构成温差电偶或温差电池。v 可以用

22、此效应制成热敏传感器。具有丈量范围宽，稳定，准确可靠等优点。温差电景象温差电景象v 温差电偶中的电势可表示为：v 常用资料的很小，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： 2.热电偶的根本定那么热电偶的根本定那么v 1均质回路定那么v 由一样成分的资料组成回路，假设只受温度作用，那么不论其导体的直径和长度如何，均不产生热电势。v 即只需接触点温度T1和T2不变，即使存在温度T3，回路中的净电势也不会改动。v 或者说：沿一均匀导线的温度梯度不影响热电势。2中间金属定那么中间金属定那么v 在回路中接入第三种金属资料，只需它两端的温度一样，那么热电势坚持不变，即不受第三种资料接入的

23、影响。v 因此有多根引线时，只需这些接点处于同一温度下，便不会影响丈量精度。v 假设在A，B间引入第三种金属C，而AC和BC处于同一温度，那么净电势也不变。3中间温度定那么中间温度定那么v 设两种金属A，B构成热电偶v 假设两端处在T1和T2时产生电势V1v 假设两端处在T2和T3时产生电势V2v 那么当两端的温度为T1和T3时，产生电动势为V1V2v 由此，可用一个知的参考接触点温度所得到的校准曲线，去确定另一个参考接触点温度的校准温度曲线。 4组成定那么组成定那么v 三组不同金属A,B,C组成三对热电偶v 假设A和C产生电势V1，B和C产生电势V2v 那么由A和B组成的热电偶产生的电势为V

24、1V2v 据此定那么，可用纯度很高的、理化性能极稳定的资料铂做成电极C，成为参考电极，作为确定各种资料的热电特性的基准。3.热电偶温度计热电偶温度计v 丈量温差电动势来确定两接触点的温度差。运用时常把参考端固定在知温度，经过输出电压算出另一端温度。针状热电偶铠装热电偶BME用热电偶的特点：用热电偶的特点：v 受热点面积小，热容量小，可测任一点温度最小的直径1/时，晶体内的自在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。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，那么A(dPs/dt)便相当于电路上的

25、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能否到达热平衡。丈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，才干被热释电晶体检测。热释电探测器热释电探测器v 特点：灵敏度高，光谱范围宽，高频呼应好，呼应速度快等，优于光敏器件和热敏器件。v 缺陷：容易受振动影响，不能对直流信号任务。v 热释电探测器的用途：v 主要用来探测红外辐射，并广泛运用于各类辐射计、光谱仪、热成像。v 医疗仪器中将热释电探测器用于非接触测温暖热成像，曾经制成热光导摄像管。v 热像图法运用于诊断乳腺癌、皮肤癌、甲状腺癌、末梢血管闭塞或狭窄。 四、热敏电阻温度传感器

26、四、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、半导体资料制成，电阻率比金属大得多。v BME运用的热敏电阻，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%)。球状热敏电阻安装在注射针端的热敏电阻1.热敏电阻的性能热敏电阻的性能v 1电阻温度特性v 常用的负温度系数热敏电阻的电阻温度特性近似为：性性 能能v 一组典型的热敏电阻RT特性曲线如右。每条曲线代表一种资料。v 它们是在热敏电阻任务于很小的功率以致可略去自热情况下

27、测出的，称为零功率电阻。性性 能能v 2温度系数v 对上式微分后再除以RT可得温度系数：可见，温度系数是温度T的非线性函数。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PA线性段，低电流下呈线性电阻的性质,V随I添加而增大；A点没有自热时的最大电流值;B点电阻增量为0，这时,自热温度环境温度；C点空气中最大平安电流任务点；左下斜线为电阻坐标右下斜线是恒功率坐标伏安特性伏安特性v BC段B点之后有较大自热，V随I添加而减小,属于负阻特性区；v 空气和水的热阻不同，因此自热区域也不同；v 在P-B的阶段, 曲线与电阻坐标交点即它的线性电阻值；v 过B点之后的负阻阶段,曲线与恒功率坐标的交

28、点即为热敏电阻的热功率损耗。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/Cv 5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%所需求的时间。v热敏电阻的热时间常数在150s之间。2.热敏电阻的线性化热敏电阻的线性化v 许多运用希望得到线性电阻温度特性,或线性电导温度特性。v 恒流源供电并需求丈量热敏电阻的端压时，要对其RT特性进展补偿。方法：用一个固定电阻RP与热敏电阻并联，其阻值为式中，RTm是在温度变量的中间标度Tm处的热

29、敏电阻阻值, B是热敏电阻的资料常数(特征温度).v 在恒压源供电并丈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。留意：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：3.温度丈量电路温度丈量电路v 体温丈量v 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：v 用体表温度鉴定休克，因循环休克而使血压降低，导致外周血流缺乏，体温下降。如: 拇指温度下降可以早期预告休克。v 传染病，体温添加，皮肤发热潮红，体液损失。v 麻醉时，由于抑制了热调理中枢，使体温

30、下降。v 关节炎的温度与部分发炎情况亲密相关，体温丈量可以了解由于关节炎和慢性炎症引起的血流添加。v 降低体温，可以减缓代谢和血液循环。3.温度丈量电路温度丈量电路v 1惠斯登电桥v 常用于差温电桥丈量电路，以丈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。v 交流温差电桥：测定细胞成分的反响热，灵敏度更高。v 并联电容器补偿桥臂的电容失衡。相敏检波器电桥输出的交流信号，使指示器指示温差大小和正负。2直接丈量热敏电阻上电压或经过的直接丈量热敏电阻上电压或经过的电流电流v 采用运放构

31、成的线性化热敏电阻丈量电路：电路阐明：电路阐明：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；vR产生的电流反响在输入端产生一个虚地，使丈量时有电流流过热敏电阻Rt时不影响其端压；v假设放大器输入阻抗很大，那么流过反响电阻R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。v系统在040C范围内的最大偏向约为0.15 C。4.用热稀释法丈量心输出量用热稀释法丈量心输出量v 指示剂稀释法是常用的丈量血流量的技术，其中热稀释法涉及到温度的丈量。根据采用的指示剂不同，可以有三种方法：v O2浓度丈量v 被试延续吸入纯氧，然后丈量动脉和静脉血