第3章电阻式传感器-医学传感器

1、Page 2医学仪器教研室医学仪器教研室导论导论u 作用：作用： 将生物体的一些非电量生理参数（如位移、振动、将生物体的一些非电量生理参数（如位移、振动、加速度、力加速度、力）转换为电阻的变化，进而形）转换为电阻的变化，进而形成相关电学参量的变化，从而得到所需的电学量。成相关电学参量的变化，从而得到所需的电学量。u 种类：种类：n 金属应变片型。是用金属丝或金属箔作为敏感元金属应变片型。是用金属丝或金属箔作为敏感元件制成的片状传感器。件制成的片状传感器。n 半导体扩散型压阻传感器。是以半导体膜片上扩半导体扩散型压阻传感器。是以半导体膜片上扩散成电阻的方法制成的。散成电阻的方法制成的。Page

2、3医学仪器教研室医学仪器教研室第一节第一节 金属应变片式传感器金属应变片式传感器一、金属应变效应一、金属应变效应1.应力：应力：AAF绕受力面一点；截面取一微小面积； 上所受的力；垂直截面的应力分量；与截面相切的应力分量。APage 4医学仪器教研室医学仪器教研室2.应变应变为研究方便取受力体中任意一点取一个微小的正六面体。为研究方便取受力体中任意一点取一个微小的正六面体。平均应变：平均应变：xla延延x方向的应变：方向的应变：xlxax00limlimPage 5医学仪器教研室医学仪器教研室3.应变效应应变效应n 电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化AlRF l

3、、A 、 R两边取对数：AARdldlddRAlRlnlnlnln两边求导：Page 6医学仪器教研室医学仪器教研室n 式中 是长度相对变化量，用金属电阻丝的轴向应变表示，数值一般很小表达式为：n A/A为圆形电阻丝的截面积相对变化量，即：llllrrAA2Page 7医学仪器教研室医学仪器教研室n 由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为： 电阻丝材料的泊松比； 一般金属=0.30.5，负号表示应变方向相反。ldlrdrdldlrdr)21 (n整理得：Page 8医学仪器教研室医学仪器教研室drdr)21 (drdrk)21

4、 (0ldln整理得出金属材料的灵敏度系数0k因为n 金属材料的灵敏度系数受两个因素影响： 受力后因材料尺寸变化引起的，即 受力后因材料的电阻率发生改变而引起的，即)21 (dPage 9医学仪器教研室医学仪器教研室二、金属应变片的结构种类二、金属应变片的结构种类1.基本结构基本结构金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成，如图所示:敏感栅是应变片的核心敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。端焊接引出导线。Page 10医学仪器教研室医学仪器教研室2. 种类种类金属电阻

5、应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种： 丝式应变计是用电阻丝再一定的应力作用下均匀的按栅状排列在底基和覆盖层之间，应变丝的首尾用铜线或银线引出。Page 11医学仪器教研室医学仪器教研室u箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003-0.01mm。u 优点：散热条件好，允许通过的电流较大，便于批量生产，可制成各种所需的形状，如下图所示：Page 12医学仪器教研室医学仪器教研室n 薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1m以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。n 优点：应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。Page

6、 13医学仪器教研室医学仪器教研室三、金属应变片的参数与特性三、金属应变片的参数与特性1. 应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数数学表达式：数学表达式： 或或当金属线材做成电阻应变片后，由于形成了部件，当金属线材做成电阻应变片后，由于形成了部件，应变片灵敏度系数应变片灵敏度系数 与金属材料的灵敏度系数与金属材料的灵敏度系数 不同，不同， 是小于是小于 的，且通过特定的试验求得。的，且通过特定的试验求得。 llrrk/）（其中llkrrkk0k0kPage 14医学仪器教研室医学仪器教研室2. 横向效应和横向灵敏度横向效应和横向灵敏度定义：定义：将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，

7、但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数 较电阻丝的灵敏系 数 小，这种现象称为应变片的横向效应。0kkPage 15医学仪器教研室医学仪器教研室 应变片轴向受力及横向效应应变片轴向受力及横向效应 n 当将图2-4所示的应变片粘贴在被测试件上时，由于其敏感栅是由 条长度为 的直线段和 个半径为 的半圆组成，若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变 时，则各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段则受到从 到 之间变化的应变圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化，所以 值减小。rn1l(1)n tttkPage 16医学仪器教研室医学仪器教研室n 当实际使用应变片的条件与其灵敏

8、系数k的标定条件不同时，如0.285或受非单向应力状态，由于横向效应的影响，实际 值要改变，如仍按标称灵敏系数来进行计算可能造成较大误差。当不能满足测量精度要求时，应进行必要的修正。n 横向效应在圆弧段产生，消除圆弧段即可消除横向效应。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。Page 17医学仪器教研室医学仪器教研室3. 应变片的应变极限应变片的应变极限n 应变计的线性(灵敏系数为常数)特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。n 当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限 。应变极限图如

9、下所示:lim应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标，通常要求 。lim8000 sPage 18医学仪器教研室医学仪器教研室4. 机械滞后机械滞后n 机械滞后是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增(加载)、减(卸载)试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量(输出)之差值。Page 19医学仪器教研室医学仪器教研室5. 最高工作频率最高工作频率应变片的最高工作频率和应变片线栅的长度有关，它反映了6. 应变片电阻值应变片电阻值n 绝缘电阻是指粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值。n 通常要求绝缘电阻在 以上。n 绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。n

10、 绝缘电阻取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。50 100MPage 20医学仪器教研室医学仪器教研室7. 最大工作电流最大工作电流n 最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。n 工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，但过大的电流会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。Page 21医学仪器教研室医学仪器教研室8.零漂和蠕变零漂和蠕变n 粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定没有机械应变的情况下，电阻值随时间变化的特性称为应变片的零漂。n 温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变时，应变片电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片的蠕变。Page 2

11、2医学仪器教研室医学仪器教研室n 蠕变的方向一般与原应变量变化的方向相反。n 蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求 。n 引起蠕变的主要原因是，制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。Page 23医学仪器教研室医学仪器教研室9.电阻应变片的温度特性电阻应变片的温度特性n 在测量中，应变片电阻随温度变化的现象，必然造成误差，这种误差为应变片的温度误差。n 引起电阻变化的原因：一是应变片的金属敏感栅电阻本身随温度变化；二是因为试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同而造成应变片的附加变形，使得电阻变化。Page 24医学仪器

12、教研室医学仪器教研室第二节第二节 半导体固态压阻式传感器半导体固态压阻式传感器n 压阻效应：压阻效应：半导体材料在机械应力的作用下，使得材料半导体材料在机械应力的作用下，使得材料本身的电阻率发生了较大的变化，这种现象叫做本身的电阻率发生了较大的变化，这种现象叫做压阻效压阻效应应。n 半导体应变元件分类：半导体应变元件分类：n 体型半导体应变片，这种元件和金属电阻应变片一样需体型半导体应变片，这种元件和金属电阻应变片一样需要胶水粘贴要胶水粘贴 扩散式半导体应变片，这种元件又有两种形式：一是不扩散式半导体应变片，这种元件又有两种形式：一是不需要粘贴的片子，入半导体硅膜片，它既是敏感元件，需要粘贴的

13、片子，入半导体硅膜片，它既是敏感元件，又是换能元件；另一种是需要粘贴的片子，这种片子尺又是换能元件；另一种是需要粘贴的片子，这种片子尺寸很小，只能作为换能元件使用。寸很小，只能作为换能元件使用。Page 25医学仪器教研室医学仪器教研室一、体型半导体应变片一、体型半导体应变片AARdldlddRn 这个公式同样适用于体型半导体应变片，与金属材料这个公式同样适用于体型半导体应变片，与金属材料不同的是，金属材料以形变为主，即不同的是，金属材料以形变为主，即 的变化对电的变化对电阻的变化率贡献最大；而半导体材料则是以电阻率为阻的变化率贡献最大；而半导体材料则是以电阻率为主，即以主，即以 的变化率对电

14、阻的变化率贡献最大。的变化率对电阻的变化率贡献最大。ldldPage 26医学仪器教研室医学仪器教研室n结构型式及特点结构型式及特点 n主要优点主要优点 灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多 Page 27医学仪器教研室医学仪器教研室n恒压源恒压源n恒流源恒流源)/(0tRRRUURIU0电桥输出电压与R / R成正比，输出电压受环境温度的影响。电桥输出电压与R成正比，环境温度的变化对其没有影响。Page 28医学仪器教研室医学仪器教研室二、扩散式半导体应变片二、扩散式半导体应变片扩散式半导体应变片式随着近代半导体工艺的发

15、展而出现的新型元件，例如将P型半导体扩散到N型硅基底上，从而形成一层极薄的导电P型层线条，连接之后就形成了扩散式半导体应变片。Page 29医学仪器教研室医学仪器教研室n 优点: 体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。n 测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。Page 30医学仪器教研室医学仪器教研室三、三、 传感器电路传感器电路1. 恒压源供电直流电桥恒压源供电直流电桥TTTTTT0RRRRR-R)RR-U(R-RRRRR-R)RRU(RURTRT0RRR

16、UU应力所引起的电阻变化；应力所引起的电阻变化；温度引起的电阻变化。温度引起的电阻变化。整理得：整理得：可见这种电路是受温度影响的，可见这种电路是受温度影响的，电桥输出和温度呈非线性关系。电桥输出和温度呈非线性关系。Page 31医学仪器教研室医学仪器教研室2. 恒流源供电直流电桥恒流源供电直流电桥IIIADCABC21电桥的输出为RIRRRIRRRIUUTTBD)(21)(210电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。Page 32医学仪器教研室医学仪器教研室3. 温度补偿线路温度补偿线路UR1R2R4R3U0RsRpVD温度变化而变化，将引

17、起零漂零漂和灵敏度漂移灵敏度漂移 零漂：零漂： 扩散电阻值随温度变化灵敏度漂移灵敏度漂移 ：压阻系数随温度变化零 位 温 漂 串、并联电阻灵敏度温漂 串联二极管串联电阻Rs起调零作用并联电阻RP起补偿作用 End the 2.2Page 33医学仪器教研室医学仪器教研室第三节第三节 电阻传感器测量及接口电路电阻传感器测量及接口电路由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化 转换为电压或电流的变化。因此需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路，通常采用直流电桥和交流电桥两种。电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性，下面具体讨论

18、相关原理。Page 34医学仪器教研室医学仪器教研室一、直流电桥一、直流电桥311234()oRRUERRRR1直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件 为电源，为电源， 为为桥臂电阻，桥臂电阻， 为负载电阻。输为负载电阻。输出电压为：出电压为：1234,RRRR及ELR311234()oRRUERRRRPage 35医学仪器教研室医学仪器教研室43432121RRRRRRRRRLRR43432121RRRRRRRRR如果c,d之间的电阻为：Page 36医学仪器教研室医学仪器教研室n 若使电桥平衡必须使 n 即电桥的平衡条件是： 或n 这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的

19、乘积相等。0I L1423R RR R3124RRRR)R(RRRR(RRRR)(RR(RRRR-RRURRUI214343214321L3241L0）L如果c,d之间有负载电阻 ，则负载电流 为：LILRPage 37医学仪器教研室医学仪器教研室2. 直流电桥的灵敏度直流电桥的灵敏度n 设 为电阻应变片， 为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。n 当产生应变时，若应变片电阻变化为 ，其它桥臂固定不变，电桥输出电压 ，则电桥不平衡输出电压为：1R234,RRRR0oU 311112344131124113()(1)(1)oRRRUERRRRRRRRRERRRRRRPage 38医学仪器教研室医学

20、仪器教研室n 设桥臂比 ，由于 ，分母中 可忽略，并考虑到平衡条件 ，则上式可写为： n 电桥电压灵敏度定义为：21RnR11RR121(1)oRnUEnR11/RR3124RRRR0V211(1)UnKERnRPage 39医学仪器教研室医学仪器教研室n 分析上式可知： 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。n 当 值确定后，n值取何值时使 最高？由 求 的最大值，得：d/d0VKn VK2V310(1)dKndnnVKPage

21、 40医学仪器教研室医学仪器教研室n 求得 时， 为最大值。这就是说，在电桥电压确定后，当 时，电桥电压灵敏度最高，此时有：n 从上述可知，当电源电压 和电阻相对变化量n 一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。14oREURV4EKVK1n 1234RRRR11/RRPage 41医学仪器教研室医学仪器教研室3非线性误差及其补偿方法 由式 求出的输出电压因略去分母中的 项而得出的是理想值，实际值计算为： 与 的关系非线性，非线性误差为：121(1)oRnUEnR11/RR1111(1)(1)oRnRUERnnR oU11RR11111ooLoRUURRUnRPa

22、ge 42医学仪器教研室医学仪器教研室如果是四等臂电桥，即 ，则对于一般应变片来说，所受应变 通常在 以下，若取应变片灵敏系数 ，则 代入上式计算得非线性误差为0.5%；若 时， ，则得到非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。1234RRRR1111212LRRRR35 102k 110.01R Rk130k 31 10 110.130R RPage 43医学仪器教研室医学仪器教研室n 为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥 （a）半桥差动 （b）全桥差动n 在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路。Page 44医学仪器教研室医学仪器教研室n 半桥差动电路输出电压为 n 若 ， ， ，则得：n 所以 与 呈线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度 ，比单臂工作时提高一倍，同时还具有温度补偿作用。112oREUR12RR 12RR34RR oU11R RV2KE311112234()oRRRUERRRRRRPage 45医学仪器教研室医学仪器教研室n 若将电桥四臂接入四片应变片，如图(b)所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路，若 ，且 ，则：n 此时全桥差动电路不仅