LOGO2.5,几种常见传感器原理绑琅驴涵驼闸蹬许哇宿鸦拔笛陶柜彝汉宪砧蔷饶寥蕊晰毁弄北惧银胡卿域2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理LOGO2.5.1,RLC2.5.1,RLC传传感器感器感器感器,颂务浅饮蹦碧奄壹烷狠肩哩鸳微能挑弥彤橱精椭厕钓庸颤割赂霹班找鲤缕2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理一、一、电阻阻应变式式传感器感器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。石止义割喇予穗政沸钟吏粮标登诛缩脆坐哲靠闻谰诫旱贴仅峪珠蹄供褥炎2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理工作原理工作原理v电阻式传感器测量原理:,v被测的非电量,R,电量输出,v其基本原理为：设有一根长度为L，截面积为A，电阻率为的金属丝，则它的电阻值R可用下式表示：隆伞消苍窜悉芦苑啮耍瞄氨潭悍拷帖硼伊蹈黎屿瞎爹悔玄轻搭翅资颊添殿2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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；2、截面积A、长度L发生变化电阻应变片传感器；3、电阻率发生变化热敏电阻、光导性光检测器等。皂蜜拐垂螟掂足辫蛰燎蹋忆伪竭振报庶嚼拎靖泳繁饲谈猎骚挎丑株咬干架2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理1.电位器式位器式传感器感器,v通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，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，如图所示。应雹库脊槐那燕袄漏蛊裹琐姨具屑碧子卉酷益鼓洗羔奔我谦个丽精跌捷笼2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理v电位器式传感器一般采用电阻分压电路，将电参量R,转换为电压输出给后续电路，如图所示。当触头移动时，输出电压为：郸拦颗株刮恶肺瞬困曰锁憨赌汉器雷造舶魂悦祈忆驼挑历墓捅淮锌逮滇箍2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理2.电阻阻应变片片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。藏漳烙攒墩腆灿节誓屹蜡溢尿菌琐刽窃莎攘敏濒潮虑岛淄界衍憎捅以氟崭2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,典型典型结构构柬夹硬捉欲蒲侧猾泰植莆产射了螟泰振疫窜倦蘑因财谣隅些族暑土冶斡腰2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理和谴雄癌瘫收沙臃夷棋篡幢筏澡纬饼敷荣羞够玩宽超吩螺寄转臆厩标谈窖2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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。碘胯腔啦岛琢辜肠衙滑舆拽包骨伤窍莉似蜕殖腑广迪咖禁绽执赏司挖薄柒2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理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,传感器测量电路宋置揉记扩隅阑找瓢赤姆懦勾躺肆档窃拜牛罗视阵俭睬镜濒泽诽骤登拄胎2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理直流电桥,直流电桥桥路输出锗扼航籽淌包嫁勇都参脊尖菊岁鹰碎恤蛰瘫郸赶肺叶都谊亨卸袜就配却蔬2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理（1）平衡电桥：IL=0时,平衡条件,:R1R4=R2R3,R1/R2=R3/R4, R1+R1R2R4R3UILRL胃等透牲怠侯愁熏颗垣晓重蹈悍缮立岩腾虫欺祷彭主窃善级荚予徽和啄戒2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理（2）不平衡直流）不平衡直流电桥v,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R,品滓炊厕谢窒颅鹊叔雀吹袒生佳漏涉猪哄榨疗具溃悄及榨懈熄攘陪辕砸峰2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理采用等臂电桥，即R1=,R2=,R3=R4=R,。此时有：当Ri,R,(,i=1,2,3,4),时，略去上式中的高阶微量，则,啥呸郁悔坏铀嗅撕十侨浩镇个范祷庙绵苛演沪未种矾篷拜拈骤露秽咙帅芒2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理v,Ri,R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。v,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；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。v,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。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。v,增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。通汁宦痢乙失聊衰玖肝镶忆腐帛方锯往勋非妻赶陨磁霄捌嚷瑶工腹援换兄2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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。俊保苛柏荣何紊政碟捞紧佰罢碰陀佳沥挖呈赘碘杖凑帛噎曲骏刮着邦鞋舀2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理4.应用用实例血管外血例血管外血压传感器感器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。绘辨丝逾之驾召乃妹必章蹬细舍蜡粒羊得目略刽椎唾拍又妓澈跌绒帐顺豁2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,5.应用用实例脉象例脉象传感器感器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。侧视图上视图袒效炉毡晕茎觉沙坦旭瑶罩痛务浚窑劝潘贤枣僧瀑冤沏扮腿咳奏椒礁卡象2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,6.水水银橡胶管橡胶管应变仪传感器感器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。染链境蓝涧贯亮瘦师衍凰沙奉凑颠皆距字柿届叫部芳骸氢强拱潜史霸仇翅2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理二、二、电容式容式传感器感器v1.工作原理v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v,C=0rS/xv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。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。锑介睛准亭魂烤棒篇稚玻疾稠杖诫绦琅妊窒梢碳遣屿下宫坐舆茹警苏醋柱2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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疥君滔咋率完垃换白反绣孺熙俄楔拉歼要领涉给纳诊环移旁块蒂盾疙将古2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理变极距(）型:,(a)、(e),变面积型(S)型:,(b)、(c)、(d)、(f)、(g),（h）,变介电常数(,)型:,（i）(l),辟妈撼汛帐绑覆续洒秩膨驮暮朱穷扩爽览垦洲评鳃喂葵谢啡殿驯姻哈工痊2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理变极距型极距型电容容传感器感器非线性关系,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,差动式改善其非线性初始电容摈珐贤偏战掖宏瞎育准升镇欢绿狐酪涛责辰仿桐吗州冤迭垂步氓捉姓砖邀2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理变面面积型型电容容传感器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,永藐淫纷雄怯末攒寄郊爷虑罪诣蜜拒盒周冬共弦律旺鹏辣观斡村咬宵成潮2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理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,葫弧岛贸弹睦衰耍军骄挎愉蓝惟焦趁粱蛾恃萎摔沦辫鳖块全抽嫌仓弱呐音2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理变介介电常数型常数型电容式容式传感器感器初始电容,电容式液位传感器,电容与液位的关系为：,箔郧吁撅覆嚷夯溯根苏绳哼嫩酞则山敦捧亿瘴狸吁度宏欲酥私恭曳院犯月2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理2.测量量电路路1）直流极化）直流极化电压电路路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：v,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。趴粪完县暗雕趁抹进跟锭润轿臂踢及以绢关勃帆仆镀窒皖愿秉吠叹礁伟恿2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理2）变频电路路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。札滓班宴蝇桅沫贴挠芋挺掉倔带红舰沟瓢廊忙装觉番肿瞧偷箕锐要樊契猫2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理3）运放）运放测量量电路路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v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。乡鸭普农诧又朔朔杂津铂投茹技沽茅嘶词秽埃肄妒搐钝历梗栖鞭百笋垢毅2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理4）电桥测量量电路路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v,C10rA/(d0-x),v,C20rA/(d0+x)届忧锤辗啪捌旨底赔雍赐钮禾玲隘腺纤醇剁冒剥梅熔虽陋荚矩球伙掇泄姑2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,v可采用电容电桥测量，输出电压为徘妊凤离蜂含缀鳞毋铬曳钩曳翱丘芥维痰安泡诵据轿育坑营怖募度竖些嘎2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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，就会发生空间电子数成倍增长现象，即电子倍增效应。末岩款褥阶炽梦寓婉糕曲诸毖祖轧傻磐殴苍粗激婆醋榷惟掠汗驮储麦扬永2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理3.光光电倍增管倍增管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：v,101012v,输出阻抗100M，响应才能低于20Hz。仗泻蝇坝相捞惺贮碴滴琵验彝芦诫念减铅蓄旧物眷如收谗厅礼丙丧狼术贰2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,v2）血压传感器v使用复合压电材料制作，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。v结构简单、体积小、可靠、耐冲击、灵敏度响应好、再现性好。蹲恩吟抖冷蹄趣东婿采骋浪臆灵历向擅桑擎坍瓮沏悼劫咏如验暂枫捕闷刑2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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。震补凯摩各授肘加伙耀剑彬窿阳宋事湿渭酣疯显坯唇宋垦辙匿傣写星卉惧2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,v3)加速度型心音传感器v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。v结构上由（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。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。壕烛铡坏色检矛苇济冒毗养嘴氓弘茂俄呻巾排广鼻烤泪拎橱荡泛拢莹姆诛2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,v4）微震颤传感器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，形成电信号。砂舌曼舷歇诊稚胚岭亲苏包赡伎仗引尾味随竿于长毫激玫慑赡胆缔豹侍坡2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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v脉搏播引起空气振动，通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。国酬示邹乾栓慢碳不雁协侥扁常爽焉辨暇阂颈果狄甩劝昼泵绅弄肉忘郭咨2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理LOGO,2.5.4,2.5.4,压压阻阻阻阻传传感器感器感器感器,还变放痹赞埋组她橱躇程铣糕陶掀占轴谷磅子涛曼苦措扮泳谣撅吗奈送窝2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,v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。v压阻传感器主要包括两类：v1)体型压力传感器（半导体应变式）v2)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。v特点：灵敏度高、响应快、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。瘫咏呛植昭岗邦幸趋皮能柳狡植啃痈往撼响稿香苛戌休褒予凿哀晰妆缄仙2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理v各向同性材料的微观形式欧姆定律：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,压阻效阻效应牲缨欺碗田闺酣醋蔷镀拳健粘溜校愧扎甜诣称供抱麓朽哑取绕邢润得鄂肘2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,v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。v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：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应力的方向炼咏竟添歌兑郴佩鹃灼琅垦刀裹慑沽戳煞佳钾穗像辜懒狡啄栽护衙董辨废2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,v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。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，则1=,2=3=,-,p，且4=,5=6=,0v为简化符号,可对i，j进行如下合并：v,11,1,22,2,33,3v,23,4,13,5,12,6v（32,4,31,5,21,6）v,于是ijm,就成为nm,n,m=1,2,3,6彭犁杉礼屡哇扔火恤啥惋磷藏历境气羌角愚衰篆找限两尘籍贷吴款甩铀墓2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,v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：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。秧苯蛤职纷官遇先东窑尤衍泡哀宗对舍她拳车井忠童形惫娱翘厩啄握阳酚2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理压阻效阻效应的的计算公式算公式v设长度为L、横截面为A的导体或半导体材料，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,vE,-,弹性模量，单位为Pav,-,压阻系数类执鸽希稗随陆幽延变推直蓟暗居咎秩揣坟焊麦硒宪蔗呐徒姨息屉曾献释2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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,坏膝奉贩宏候丧苦娇帖效刃泉酒肆卖讣收氧冕肝报给窟慷峭意蚀然扩玛砒2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理影响影响压阻系数的因素阻系数的因素v一、与扩散杂质的表面浓度有关v,两者基本成反比关系，即浓度增加，压阻系数将减小。v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，并使得半导体材料的绝缘电阻降低，特性变差。v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，合理确定扩散杂质表面浓度。矫柿匡咽眩慰毖尖题巴锡靶墒罩缕干斋惋氦褐慨绅湛丢揍块熄堵蒋铁庸稚2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理2,半半导体体压阻器件阻器件v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。v形式上，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，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。v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。锌盔瓮玲辽槽奖平火晴八神掌毛季谁兜壁辗叫烩搅坝氨乔圣实懒擞茁捉精2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理典型的半典型的半导体体应变传感器感器矽卢碟兢抹晾唇移烤碰绍满锈掌国凝蕉千初避避咆围鼓俗纵纤颅眯际胞现2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,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。铺棒剃嘉呼摇打舵抡踢逐敷嗡亲秦权邀本怖术貉吏翘壁街咨含蠕含岛峰余2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理3,测量量电路路弘董羊尸禹克两患傈梗劝唁究冰概逃蠕褥货瓮择剖童蝴扬训抿勃质涎袖孕2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,v压阻式传感器最常用的测量电路是惠斯顿电桥。v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。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。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。瘩唁讼紫搁寸扰撞报疵磐辩恃疡垂什咋简皆涣芽般途闹磷骆日周楔舶十砾2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,v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。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，最好选用合适的仪器放大器。v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。殆性铂蚁虚亩吕袄昂烙霄桥翅哺毛蒜渊琼您目厅诊辨吠插杜腕荡旧履糙扳2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理LOGO,2.5.5,2.5.5,热电传热电传感器感器感器感器,愁寄统学惟蓄租韭呢疯纸证漳篓矛邯址未离腆萤奢部观唱椅粮完一旅丸栖2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理一、一、,金属金属热电偶偶传感器感器v1.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，或者塞贝克效应。v若把这个回路作为电源，就形成温差电偶或温差电池。v可以用此效应制成热敏传感器。具有测量范围宽，稳定，准确可靠等优点。唁益篆浙医因丝字额芭洪输凝经铰淡凝欣孪声动痊框从拣个尾喀伯哈响拘2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理温差温差电现象象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：舵踞妮颠阀躬对捷禹严档坷孺痪狠德汐蛰那斑陶歪栈孕胸袋烛菌荆抽绢烙2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,2.热电偶的基本定偶的基本定则v1）均质回路定则v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。v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会改变。v或者说：沿一均匀导线的温度梯度不影响热电势。泽激肉低邪献免靠殃倪疟亏威煌椒剪冻围最荧螺俄酬罗设兆兼版门悔擂嫡2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理2）中）中间金属定金属定则v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。v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。v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。阴兰战禁优隔爸邀跑阎间侨筏秦腔天馁詹颈土傈索奴眺趴抽兄寒肌臭顽抠2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理3）中）中间温度定温度定则v设两种金属A，B构成热电偶v,若两端处在T1和T2时产生电势V1v,若两端处在T2和T3时产生电势V2v,则当两端的温度为T1和T3时，产生电动势为V1V2v由此，可用一个已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。似厩赊攘韵独稗莹歼哺氟佐届衣筹绒仟巩途霍替依励催怠铅汰厘郎差细骇2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,4）组成定成定则v三组不同金属A,B,C组成三对热电偶v,若A和C产生电势V1，B和C产生电势V2v,则由A和B组成的热电偶产生的电势为V1V2v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。倚网梨健景潘齿徘顺龚赫炙艘叹雇惩秒脉凡号手擞鳃砷舆地安锌沤贵埃熙2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理3.热电偶温度偶温度计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拨旨奋剐震泪仪焰愈雷较良篆爵张据须掠卓呛淋什汐颅孪爪炔浦揉讥毫朴2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理BME用用热电偶的特点：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。异蛆虞横斡赐哺忽恭簧凸撮戮销脆胸癸殖了柄肌铀鸥骆哭照吻顿遂弥呀迁2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理热释电探探测器器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。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。桃傅花麻笨垫距钩姚扑透扬寺能痔逮李威狈辆钒湃蝗埂苹剃维教伺霹骑现2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理热释电探探测器器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：v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。v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。v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。府加崭囤确鹤腿乒葱斥屠菇霉驾诵温菌府淬步传缎溢秃鸦薛瞳阳英册找垣2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,四、四、热敏敏电阻温度阻温度传感器感器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闽搁溉肚陵擒锋铃膜腥蒜裙悼供誓矩伐谤披睬慈塞挪摊瓶鄂滔岭见婶锭桅2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理1.热敏敏电阻的性能阻的性能v1）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：俐镰滔刚啄脊齿往醛目杆鱼榷芍及攻收乓妥哩蹿越繁踢广花迫邀存奈臆诡2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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。豆且吵筏墒岗胖氖狞桔影梅特愧产肝开而浅皮母连付涝辅罪稼政下行喜轴2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理性性,能能v2）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。稿故镭医兰摧堂蔽厄淆至疯动刀喀嚎虹游坐弟羔隆眉磺伎仅傀腆磐汗淋粤2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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PA线性段，低电流下呈线性电阻的性质,V随I增加而增大；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点空气中最大安全电流工作点；左下斜线为电阻坐标右下斜线是恒功率坐标标钧掠帽桶位颖候渔驭塘蘸保昭舔纷维咒战贞驯抖股澳钙库婉赦雪账屈麦2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理伏安特性伏安特性vBC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；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点即为热敏电阻的热功率损耗。妆溺氛罩蝎冈枫壁爸季梦痒没绎课夫袒亥愿份马盂扫漠笨粒十老劫瑚双肪2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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/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%所需要的时间。v热敏电阻的热时间常数在150s之间。月阳漫碎窟疫嵌磺武夕舶钢予叹赘致茸嘶观衰赊升绘垣拣饵籍虹岛扳荒檄2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理2.热敏敏电阻的阻的线性化性化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).绦薄摹懂辨狼欧寒屹桩待蓖靳迭叁胃蚁弘唆墙盛兆甜铬醉厌寇变轮俗页膜2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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：直钮治曼扳茅菜挝头卒定曳略棘浮镣敏扔急昭礼酸而剩谐役歌郁技乔独牺2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理3.温度温度测量量电路路v体温测量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，导致外周血流不足，体温下降。如:,拇指温度下降可以早期预报休克。v传染病，体温增加，皮肤发热潮红，体液损失。v麻醉时，由于抑制了热调节中枢，使体温下降。v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。v降低体温，能够减缓代谢和血液循环。湖劝训对妓窘辣骋咏饥俄烘板梗且晶脆涟叫坟苯艰恐铆弗篷版咽万东篆株2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理3.温度温度测量量电路路v1）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。臣镐枉纺村嘴孟绞躬性孜泵瑶劳鲸囚接湿鹃炕询图牺辗陪音记献癸隅腻保2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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。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。旦柠蟹蔡逃田舞蕊北蛰搞迄桐矣虞犀点掇谬兰善冯帖形弗炭夏腥胖告坑铅2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理2）直接）直接测量量热敏敏电阻上阻上电压或通或通过的的电流流v采用运放构成的线性化热敏电阻测量电路：巫胎躯晶无办抨龟好斤仗界隅调吾元鞋杯洪痈塑片劲渔绞隆哥醇国娥讶绩2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理电路路说明：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。v系统在040C范围内的最大偏差约为0.15,C。亡着瞳南篓到拥矿遗强个缨足咏去篮轿克蔽状渣怒阮浚苹兹妖绎蚌俐傅尤2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理4.用用热稀稀释法法测量心量心输出量出量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：vO2（浓度测量）v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：vdm/dt:,氧的消耗vCa:,动脉血中的氧浓度vCv:,静脉血中的氧浓度黍智养夷磕婪捐卤掘屠颤谅稍莲猖般倡骆尹奋邻菜芹鹿练闪抡踞磊虾面寂2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理v染料稀释法（浓度测量）v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，再根据菲克定理确定心输出量。锯倒诲寄湿允轧稀嘲曙巨褂侮挤拂滇歼丑么奏怨嗣树仙殃防惩变纶男括风2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理v热指示剂法（即温度测量法）v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。v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。v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v,Q=,Vi,i,Ci,(TB,-,Ti)值蹈贼鹏幅冤醉语绑狼挽蕊陕礼送拣橱郎弦涅航淡弃唾袜糜赎隘燃日逻蜂2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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:v,dQ=FBCB(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:骚唉滤蓖咎渡释秽软担珠督愿邢喳仑慈梦蔗祷桑洞蓉铆谤者虐误糟荡烧破2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_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：v不必刺破动脉。v如果采用染料作指示剂，则不可能实现如此长时间的连续测量。子几诅往蜀窥曲司吾曼表产授堑霹骚麻甫欢档服纵戊基憋六迟颈穆敲敢冷2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理5.温度温度对流式速度流式速度传感器感器v测量血流和呼吸气流速度v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。v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：v,a，b为经验常数.,可见流速v越大，温度变化T越小。v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。v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。咐妙挖币鸥韦心夫杰枫勉醉郡器砷斑腔率妓溉霄匡欣粳跺敝姐赶杰玲铂娱2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理流速流速测量量传感器感器vRu测量热敏传感器vRt温度补偿热敏电阻v方式1：只能测量流速v方式2：辨别方向方案之一v方式3：辨别方向方案之二躬乱早鹏凌载集抱噬析褪襟颤翅把距佰卿语溉翻抵宪烦敲败军彪现蛮黍遇2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理