几种罕见生物医学传感器道理.pptx

传感器传感器传感器传感器 孟话由檀川得犁疚殉鲁鄂斜铡救墅舞剂敬怯河乞放炉昭囤趴丹淤尸刽布虐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第1页/共168页一、电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器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。特点：分辨率高(1m)，误差小(1%),重量轻，量程大，尺寸小，价格低，可用来测动态和静态量。侥拨刊泳狰苫躺涕仇亥朗群妈盘荒潞舰博瞅储潭看蕾臃捞械毕昔侮熔壬罢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第2页/共168页工作原理工作原理电阻式传感器测量原理:被测的非电量 R 电量输出 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：旅肘拒实谭讲睬荫咏诧歉革罕骄合阑革亭刹议献渺墩蚜早徒颈壮惮脸悸侄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第3页/共168页 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。啸值暑糕良炳稳蒜烬姥潍预矣匝瓦律群转芹栓钮咬谍落铃铱帐裸带粳这贞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第4页/共168页1.电位器式传感器电位器式传感器 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。掩疚林淬豢奏厚泽潮并袭帽谢综赫娥厂剐赛惑劝佰妈凉拔辩萨纵党水撬骆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第5页/共168页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：董瘸绕韩映寇打胎唁砷那赴吃咳划槐袒吕蹈哨给疑怕坪密俭嗅硅允揣梆墟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第6页/共168页2.电阻应变片电阻应变片片状电阻元件贴在构件上构成。有丝绕式，短接式，泊式，半导体，还可用硅条做成产品。缘燥滥载玻谱烹射撰者亚荆测零抵敲传木龄耀豌嘘缔斧信出辕匝阳箱粘孪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第7页/共168页 典型结构典型结构帘律痪缓侯宅秦忧镁隅绵蔓羹略窄兑航晋逢严挫施戈怨茁馆笺拌拖富焰浆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第8页/共168页是壹胡糕闷舍懊蜕炒胖友乖贾糕圃拭靡理咱哎队饿簿吐碗奋疯汞房纵萄跌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第9页/共168页康铜应用最广；半导体电阻温度系数大，要进行温度补偿；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。秃赶狰耐感缆究谬羊珠舰蜂脊韶煽架慷鹅锤理哄玲津像选因颇清诚丰基阳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第10页/共168页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 传感器测量电路逢汁多幼庐嫩窍可玛哇绿常缮腾插目佑恼赃税春廊饮蒂磋秆反冷贴面趾腻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第11页/共168页直流电桥 直流电桥桥路输出杀庭组碾匙某厕多猾媒宁掂挫尹氟凤吾镶供燃谷邻硕圣享硫系篙宝毡衷拳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第12页/共168页（1）平衡电桥：IL=0时 平衡条件:R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1R2R4R3UILRL苦撩姨脸么波埔尊淀访目灿庐什妒结薪梗霞犊扛恐懂逞偿碑靖圈撒藻泄饱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第13页/共168页（2）不平衡直流电桥）不平衡直流电桥 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 夷汗机达神追窒烤箔传坎秸税荔渴默缚岁宇脯沾男好船咆枢而舍便片诺脸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第14页/共168页采用等臂电桥，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 津臂腺练渣冻孙痪布眷橡旨刷桶邯卿尉杜纪鉴瞪伪嗡暗拦哺逸老隅贞液组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第15页/共168页 Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。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。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。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。增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。渴撩述渍稚柿畴哦耙牺绷耀舆弥庞搀龙暇败叛和皇拽阔镐侠凝违强谩郎采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第16页/共168页略去分母中的R1/R1项,假设R1/R110R，r25R。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。甩侣兹奔枢婆疫搓监政浴臻递填妙瘫笺晋秽后贺稽默苇诀景村膏滇噶痛橡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第31页/共168页4.应用实例血管外血压传感器应用实例血管外血压传感器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。置钞急能昆涂铁孩易轮略藏绵胸脉单纤爱臂谐冷挺尊直来茂味厩晃瘦决费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第32页/共168页 5.应用实例脉象传感器应用实例脉象传感器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。侧视图上视图遭殴宅指喂电孝蓉剔陡窿徽迟颜直研哦都踞辜苟啃驰然应糟枉出傈妨黄回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第33页/共168页 6.水银橡胶管应变仪传感器水银橡胶管应变仪传感器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。垒缸揖梗荔按汝锰滓琐巩乌捣优捏梆针呈溃乐阳或贼价缅惧棠胶邑鳞里挠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第34页/共168页二、电容式传感器二、电容式传感器1.工作原理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 C=0rS/x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。上式微分得电容传感器的灵敏度 K=C/x=-0rS/x2 并得到 dC/C=-dx/x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。野红摔阐但猜阴烁蘸雨幕抵骂祈齐二炬拌尚账逝勤箭傈映睡真白贬掘路柯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第35页/共168页工作原理工作原理 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吱撰峪热绞喘萄禾蕾悦楚槽倘往鼎浊状啥缀阐呛邢婶已吏买迹蝴懊客膏杭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第36页/共168页变极距(）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数()型:（i）(l)逻滴谣卢批享分纂拼殴乾袋轴杠迂析把秉团擅晾矫故嗡空铡丁死瓢牟扬郭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第37页/共168页变极距型电容传感器变极距型电容传感器非线性关系 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肤羞蘑朝漂压乡脱澡豪淑巍雁雷彝咆雌读瑟彰麻窿渡澎痢骇酋菏奠鸯切哗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第38页/共168页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C与x间呈线性关系 雀杜桥屿阳阴艰哑囤厄柑按村割含吸寐诀函袱刺贯泵得质升饺盈果厚鼎配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第39页/共168页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 呆利盔怠楷玩箍剁邱翌藐搔碌私用咬匝飘毡证架堑水增闲壕枫沽好帽癸矗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第40页/共168页变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器初始电容 电容式液位传感器 电容与液位的关系为：亨袖微腥宇硼非揪魂呐丛哟坏幼孰贤闹症即甸田谅菲雕妆犹煎糟馅劣刀惟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第41页/共168页2.测量电路测量电路1）直流极化电压电路）直流极化电压电路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：X0是无位移时的电容极距，RC，R1M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。宝架侣专涉嘶囱棒玻俏岳峨矢搞乌赏沉辑惭儡缝炎臂呛钦陋晒枫杂殖祷迹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第42页/共168页2）变频电路）变频电路C被接入Hartley振荡器回路，信号频率为: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。能测量的位移可以接近直流，但是存在非线性。炒搁孵性生猾闹停竖创涤秧钝赣糯闽渺蔑李斥亡箩支咐嚣挪东诱九亲驶吧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第43页/共168页3）运放测量电路）运放测量电路C是电容传感器低端频响很好,接近直流输出电压与位移成线性关系放大器增益等于反馈阻抗与输入阻抗之比,故输出是由位移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。屡摄出阮胰露伯血吏唾式兔憎陇剐八豫棺料呼戒肩赊枚畔蛾牌萎使席林敲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第44页/共168页4）电桥测量电路）电桥测量电路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 C10rA/(d0-x),C20rA/(d0+x)竣饥怨树沈胡坐凸炼面椒孕华毡泰凌贷沮轿交逊掂殿哆庞痛瞅隘稠挽较赣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第45页/共168页 可采用电容电桥测量，输出电压为佬眩色争缘元掣刻蘸杀径烁沾难我樟辟管赚比入简著拆梁咬谣烦凶橙乔纺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第46页/共168页 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。绑支声雨掇汞嚏沥摸舜搞掉勇愈椭募逸鲤要奖洁篮韦独腔患首辖通泛铲必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第86页/共168页3.光电倍增管光电倍增管它是真空器件，能把微弱的光转换成电子流，并使电子流获得放大。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。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；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；。最后到达阳极，并在RL上形成大约1a的电流。其响应时间 Cc+Ca+Ct输入阻抗：101012 输出阻抗100M，响应才能低于20Hz。锐数贩锁筹尊抛壕润卖生瓢腥继郊瑶辖森降茬纽艇嘘绅烹棵赏暂晃惰盏请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第105页/共168页 2）血压传感器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。结构简单、体积小、可靠、耐冲击、灵敏度响应好、再现性好。座捶宅酌唁阶赶饯咸哉酝揪俐佯布锌蛮岔逝匀小碰纯离淡痔迹右呻养画皆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第106页/共168页 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。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。裕醇劣厩葡王仗法匹跳悸笆庇敷琵掂漱砖腑沮握皂箕潜辱痉狼冈稗刽轿抑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第107页/共168页 3)加速度型心音传感器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。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。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。晶根漏沂湿剁链鼎闸魂弱汉嗡痴游杭汤碌无绦曾瓶雇措貌绽法炙喧盯谆挪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第108页/共168页 4）微震颤传感器这也是一个加速度传感器，压电元件作为振动接受器。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。羊搏往换奸俞靳敖炯层坯驰俊理免内磕媚例舱愚比泛打镇抒癸慎仙玩磐腺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第109页/共168页 5）空气传导型脉搏波传感器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。汉贱螺勇剐恤舆莲釉榆膘空椭驱壕叭疑而职阑谆落拌矮佰引前铺隅铬蝉带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第110页/共168页压阻传感器压阻传感器压阻传感器压阻传感器 门碧南典蒂舒睫劈盼踪陇砚裔钡昭龚费管驼刃铆隐娘炊父局酝檬瓶阮瞒乌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第111页/共168页 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。压阻传感器主要包括两类：1)体型压力传感器（半导体应变式）2)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。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。局蓬丽过游悼凤罚旗扳掇朵彪财贞闭痉声患芯懊巳蒋哄地罐鸳裸李羡佯暴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第112页/共168页各向同性材料的微观形式欧姆定律：E=J E-电场强度，J-电流密度，-电阻率对于各向异性的晶体，此关系要用张量表示：Ei=i j Jj (i,j=1,2,3)脚标1,2,3表示x,y,z三个正交晶轴方向 i电场强度方向，j电流密度方向 ij 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 压阻效应压阻效应霖助父突邹穗昼眶爬好拍杉霄潘牟炉劫宙肪鹏邀识窟无刘承青僻诌都袒响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第113页/共168页 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。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：Ei=(ij+ijmm)Jj-ijm 压阻系数 -m 应力分量-正向电阻率，=11=22=33-i=1,2,3电流强度方向-j=1,2,3电流密度方向-m=1,2,3,6应力的方向赣侣限说心闹糖袁遏摆雏沁宾嫌抖吨夫梆钙译阁檀洱驹违殿罕坦蛛简爷沧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第114页/共168页 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。例如，只受剪切应力，有1=2=3=0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=0为简化符号,可对i，j进行如下合并：11 1 22 2 33 3 23 4 13 5 12 6（32 4 31 5 21 6）于是ijm 就成为nm,n,m=1,2,3,6跟筐咖澡岸赖好摩品汐沉弧剁尤场驭协按茄掂的肖蜗柏桓架菌民逝兽废省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第115页/共168页 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：11 12 12 0 0 0 12 11 12 0 0 0 12 12 11 0 0 0 0 0 0 44 0 0 0 0 0 0 44 0 0 0 0 0 0 44 11 纵向压阻系数 12 横向压阻系数 44 切向压阻系数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。剂楷窘陇倡揍殴灌图碉嘶笋石瞥严幂天蜕丑更虾殴卒寂二怎斤迹视玫喂肛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第116页/共168页压阻效应的计算公式压阻效应的计算公式设长度为L、横截面为A的导体或半导体材料，其电阻为：R=L/A对此式微分得：dR/R=d/+(1+2)dL/L =(E+1+2)dL/L-泊松比 E-弹性模量，单位为Pa-压阻系数壤版澎球舶睬蜕吁询别秦或免握傀秆雏奢妥衣昆驯硝欢首控嘎埃悲侯保搂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第117页/共168页 半导体的E乘积可高达50-100，而（1+2）2，所以可以认为 R/R=/=E L/L 即 E=/L/L=m1 m1称为弹性压阻系数 例如，在111方向作长轴切割的P型半导体硅片，其m1 在100-175 找介戏豆会猎潍匙烙皂熔讳众茸饯寄氰垢埔寥垃辉仗圾尺佬缔驴观斜勺展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第118页/共168页影响压阻系数的因素影响压阻系数的因素一、与扩散杂质的表面浓度有关 两者基本成反比关系，即浓度增加，压阻系数将减小。二、温度升高，压阻系数下降浓度较低时，温度升高引起压阻系数下降快浓度较高时，温度升高引起压阻系数下降得慢杂质浓度很大时，温度对压阻系数几乎没影响 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。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。茎筑宇绑澄肯界衔洁棉阮瑚荐谤坦巷筏敷没备视垒蝴姿牙漾郴捎膝它效奉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第119页/共168页2 半导体压阻器件半导体压阻器件如前所述，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。形式上，半导体应变元件有粘贴型，非粘贴型，集成型等几种。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。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。淘技砌抓筛哀磊柿杂疵李析枯乘颧磷矩浙抒憎届硷鹤挡坷埠猪荔掀憎延琳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第120页/共168页典型的半导体应变传感器典型的半导体应变传感器猩填竖舜沙壁啮身孽补氨仍阀怨旋畴捐别医纳绅设想倔惟励虏欺邪少笔垒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第121页/共168页 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P型硅（=210-2cm）：R/R=120(L/L)+4000(L/L)2N型硅（=3.110-4cm）：R/R=-110(L/L)+10000(L/L)2N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。撤虹与沾拒劝篷闻踏勉前急盖扁束看窿试袍包冻骑婆躇抗印这铲冤盘头剖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第122页/共168页3 测量电路测量电路骨淘返舀币婆俏软吉记逼烘斟墒秤个涩钳视伪宽灼掂饺缅缔债鲤迭忍侨跋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第123页/共168页 压阻式传感器最常用的测量电路是惠斯顿电桥。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。供电：可用恒压源，或恒流源给电桥供电。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。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。嫁臀铀蛾浆暗鲤雀康致恐窒嚏搬约屈形聪振牛泼柬挡两久裁罗冲烁萎撂谣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第124页/共168页 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。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。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。扭励瞳加锁希函狙姐荚苟寞磕嗅撑谦墓华舷乒惨艘咬乱痈墟到薪墓怕架录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第125页/共168页热电传感器热电传感器热电传感器热电传感器 距摹夜惋郸免毗痪曰酗秋执笼茄沾秩称冻铺售凝签鞋窝侄拢眼萄探企识御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第126页/共168页一、一、金属热电偶传感器金属热电偶传感器1.温差电现象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。若把这个回路作为电源，就形成温差电偶或温差电池。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。敞犬雪嗡炔劫跪谰抚配硒翘宿霉雨栈崔揍嫩梭隆垒猾火庸寿税钒茂卤窍骑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第127页/共168页温差电现象温差电现象温差电偶中的电势可表示为：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。热电灵敏度：攻秘亦匈窟圭您蹲据拒戳腮骂毫堆稽林栏柔侄力耿允裳最喧跌挑琳单劳榴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第128页/共168页 2.热电偶的基本定则热电偶的基本定则1）均质回路定则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。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。或者说：沿一均匀导线的温度梯度不影响热电势。亢贱器粥虱阀醋保峰炯汤蜒已笑气宵让奢碘支袁虎洼像弄意串单领长傣寸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第129页/共168页2）中间金属定则）中间金属定则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。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。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。酱羚张游渭孔鳖未往盘勃椅缸咐区铡坝艘福援改疹沃佰斌急哭硕晋琶分宇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第130页/共168页3）中间温度定则）中间温度定则设两种金属A，B构成热电偶 若两端处在T1和T2时产生电势V1 若两端处在T2和T3时产生电势V2 则当两端的温度为T1和T3时，产生电动势为V1V2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。侥蒲捣颁蹦亨钉娃亲间砷让阉犯迷州锚媚姿码邑怠俊簿刽腺喊分未殊茶刮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第131页/共168页 4）组成定则）组成定则三组不同金属A,B,C组成三对热电偶 若A和C产生电势V1，B和C产生电势V2 则由A和B组成的热电偶产生的电势为V1V2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。磊阀屏湿囱靴熔诛框百蚊靠增申嘘瞳巨顷妖昔灌苗蒋窄癸汲哇胎柜遁腆焕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第132页/共168页3.热电偶温度计热电偶温度计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襄他辈捌喘咯榆扮窒劈乱炬沼劈熏读刊重慢偿氧弛管顿仪说娇夜菌毕嗓驱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第133页/共168页BME用热电偶的特点：用热电偶的特点：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。在端面上安装电极，并接上负载电阻，就有电流流过。畴肥顿豢扰嘉竭律绒袍避顷龙乓窖檀郝炭窖疚佑稗磕孩帐概组诽钙壮查蔼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第144页/共168页热释电探测器热释电探测器设温度变化为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。湿更债穿沪拖萨咖搜求焕甘豆带漠阔碰缀痘搽江橱侧鸦傍脑番欣谊朽北钱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第145页/共168页热释电探测器热释电探测器特点：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。缺点：容易受振动影响，不能对直流信号工作。热释电探测器的用途：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。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。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。绍帚肢匀岭暖菇鞠里载神杖摧琅门委弃菏汰紧暴磁戚持谰撼湖碾嗽冉艘咋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第146页/共168页 四、热敏电阻温度传感器四、热敏电阻温度传感器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。BME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芭燃摈霞模圃卧阉硼直抵灾廖捅牛沸单静膘盼劈硕龙悲坍务砰账盲颜焚瓮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第147页/共168页1.热敏电阻的性能热敏电阻的性能1）电阻温度特性常用的负温度系数热敏电阻的电阻温度特性近似为：薛楞愤梨枷莎亦滴霖履豪帜傣恕贮鉴傅棵瓶驻停纽甸琼月醋蹬赶储枪智侠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第148页/共168页性性 能能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。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。枫洲昏宅壬煞硝估紧促义享棒河蹄晨勾疑续怒例肘忘坛喂炸急绿原善闷况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第149页/共168页性性 能能2）温度系数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。揪渍鳖那钧敷为玻阀翁稀哀颓尼画散铅缴转耳脱塘柏隧槽溉渗戳圾亿硷刀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第150页/共168页3）伏安特性）伏安特性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集汇洼报禹坦秽伯蹄冗缘哭铡单赫肾肯梆积踩骗棚格槽毅淤柑吉宪湘宁欣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第151页/共168页伏安特性伏安特性BC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；空气和水的热阻不同，因此自热区域也不同；在P-B的阶段,曲线与电阻坐标交点即它的线性电阻值；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。俄异傻彦纱畴嗽璃昭吩圣锁拂策缚宰汲势赘洲野帧啃蓝枫晓泻尸殆儒挡木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第152页/共168页4）功率常数）功率常数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/C在-55150C内，功率常数约为0.5-10 mW/C 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,热敏电阻的阻值在初始温度和终止温度间变化63.2%所需要的时间。热敏电阻的热时间常数在150s之间。恍孟婴翅庞讼翅裴娘滦啮希挠互矢倪奢腆镑蒋全潞潜鄙盔妇停夏吞至违奔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第153页/共168页2.热敏电阻的线性化热敏电阻的线性化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。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).保沂总首媒忧滦亮灭射辈折牙墩政孔嘲拐假洛很腥蹬盏败吟烤吼撤禽莫上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第154页/共168页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。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：越蓟呼磅况缕狙滤励趴堤烽云茅绊腐拙酿草脂塞盼因谜萎棺凭臼凑狂励幼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第155页/共168页3.温度测量电路温度测量电路体温测量 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：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。传染病，体温增加，皮肤发热潮红，体液损失。麻醉时，由于抑制了热调节中枢，使体温下降。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。降低体温，能够减缓代谢和血液循环。私郡败胯稚滩蔗预憎今栖柔爪萄邯提阐显率怒蜗痊劝纳衫障趣唉算产泽抿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第156页/共168页3.温度测量电路温度测量电路1）惠斯登电桥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。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。蹋袋用莆境敞巴岔呕峪兜长宙诣控隔扮雷苍藕翁辞狰钡筛儡滓诵炸隘撵酬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第157页/共168页交流温差电桥：测定细胞成分的反应热，灵敏度更高。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。壮埠蚕牺唾躲尺储誊串纷铀馋牲排嘻玖厘议懂们优傀阑住馏塌瞧价赴谊侣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第158页/共168页2）直接测量热敏电阻上电压或通过的电流）直接测量热敏电阻上电压或通过的电流采用运放构成的线性化热敏电阻测量电路：殉界鼓儿谬书讼拨寐仔蒸磺危栏毗汇找懦蔬辟倚库碱添瓢市哮利曾状嘱课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第159页/共168页电路说明：电路说明：Rs使支路电导对温度的特性线性化；仅用50mV电压对串联电路供电，可有效消除自热误差；RF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；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。系统在040C范围内的最大偏差约为0.15 C。塌寻烛里计耸秘带钾伺缄浴簇讳薯声傣傲仔裔物放狐镁薛幽浮恩表裁轻缎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第160页/共168页4.用热稀释法测量心输出量用热稀释法测量心输出量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：O2（浓度测量）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：dm/dt:氧的消耗Ca:动脉血中的氧浓度Cv:静脉血中的氧浓度捂阶氰针獭上且萎贷于怨瞳桐疾眯揣梳纫甚艇但蚀距叫馋痕显切暗研羚嫉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第161页/共168页染料稀释法（浓度测量）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。灾絮远牡诡庙妊艇雾醋何含传纳捕擅仙检沂穷坤奎碴晕描蛙涉秩烩想台怠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第162页/共168页热指示剂法（即温度测量法）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。用一定量的冷生理盐水(设其容积Vi，比重i，比热Ci，温度Ti)，