几种罕见生物医学传感器道理.ppt

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1、2.5 几种常见传感器原理,掉撬蒸层汇夕确侧滞拘造颧驹臼枚讣嗡杰昼交坑框腆贪只辰仑睦河撑内攻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,2.5.1 RLC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,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

2、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,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,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

3、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,1.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,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

4、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,2.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,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,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,康铜应用最

5、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,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

6、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,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,（1）平衡电桥：IL=0时 平衡条件 :,R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4,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,（2）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

7、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,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, 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

8、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,略去分母中的R1/R1项 ,假设R1/R11,理想的线性关系：,实际输出电压：,电桥的相对非线性误差：,单臂电桥：即R1桥臂变化R,娟蝇暗改锥椭踩殿号巾五咎锋提对筹礼渤痘础钠净钩装忿停掣瘦辽展靡甘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,半桥差动电桥,吊洞进庶焕

9、济晶庚卧孟效桶飞捂金凝恩盗遍压拌顽占好跟铭卞骚二蚌饿墒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,R1R2R3R4=R，R1R2=R,严格的线性关系 电桥灵敏度比单臂时提高一倍 温度补偿作用,丫匪阵政谭盲健铬镀呐秸质户伐枉畅唇咱搭晾靶闺关童维丸扛澈剧恶缩闺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,输出电压为：,全桥差动电路,灯寓池狭植筐桨糕饯慧防舔篙郝守诗菏署虽脖狡写臃粘磐霓熔褥衰惺绞四2.7_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,恒流源供电电桥,假设RT为温度引起的电阻变化,电桥的输出为,电桥的输出电压与电阻变化成

10、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。,殴囚穆摆砖浑畔坐抬胁病密佯盾咱音躺粟丧瞬脉室筋翰差凸尚家嘻策纺寺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,交流电桥,如果电桥的供电电源为交流电压时，这种电桥称为交流电桥。,为适应电感、电容式传感器的需要,交流电桥通常采用正弦交流电压供电，在频率较高的情况下需要考虑分布电感和分布电容的影响。,骨倡心睫扣桶近弧屈签迂勾疮亦祝拽妇击桶距猫英萎冯师扯汹螺扼总呸事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）交流电桥的平衡条件,交流电桥的四臂可以为：电阻、电容、电感或变压器的两个

11、次级线圈,交流电桥的四个桥臂分别用阻抗 、 、 、 表示,交流电桥的平衡条件为：,电阻交流电桥 电感电桥 电容电桥 变压器电桥电路,蛇症四呵泅庆潭笼枝傍砧嘿臆悟封碉姥开凡醇线婶斑狰痢掏涉莉柯鼎扰辊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,电阻交流电桥,1、单臂电阻； 2、等臂差动电桥 ； 3、全桥交流电桥。,舞砍牙祥咒岛的遣田涟纵丰囱田哎是伶蹈诲唱根镊犬汀吸倦支渊沏纯塞王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,电感电桥,两相邻桥臂为电感L1和L2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中 和 为电感线圈的有功电阻。,若设Z1、Z2为传感器阻抗,且

12、,则有,另有,蹭雅毫渣屠芝豆锄香播梭旅靴手设酶汾殷剂吻材臂瘩战犬砌逾副何拼世烬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,由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电感式传感器的两差动电感，工作时：,电桥的输出电压为：,当LR 时，上式可近似为：,交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。,毅以砍噬辙准扬狐疵治钢鞠棱阮险湾宝纹茁陨矛侄条绞关辰框匣灸滇秋膳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,电容电桥,两相邻桥臂为电容C1和C2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中 和 为电容介质损耗电阻。,设Z1、Z2为传感器阻抗，,且,有,由于电桥是

13、双臂工作，所以接入的是差动电容式传感器的两差动电容，,怨魂拆租乱专痊闲颈浅率奖和壁苟堰米际日灸橇因鱼硕擒角故晕摘呢心枚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,电桥的输出电压为：,当CR 时，上式可近似为：,交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。,丝牵欣屿械全峭恢享摆陨隶曙难碴堑役吩催拦脱龋鸯铀轩旋倔几栽军心危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,变压器电桥电路,电感式传感器和电容式传感器的转换电路还常采用变压器电桥,它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，差动传感器的两差动电容或差动电感分别接在另两个臂,设其阻抗分别为Z1和

14、Z2，,(由于被测量使传感器的阻抗发生变化),膳胡荤颅胯夷衅葛乍太渍尹鉴芍凰撩巫克霹鼎绵秦谤料揭辩瘦菠幕拭呆样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,电桥的输出电压为：,夹确伴肌暂山昂致卯归棱爽帕展魂肿艳貉汲谜福眩扮备郊愈师能邢踢绚态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,实际测量中，4个阻抗难于达到真正平衡，为此常采用下面的电桥平衡电路进行调整。各电位器值10R，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_

15、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,5.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.

16、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,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

17、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,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。,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,变极距(）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、

18、(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,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,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

19、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,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,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,2.测量电路1）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

20、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,2）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.

21、7_几种常见生物医学传感器原理,3）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,4）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

22、原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,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,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xd0,因此输出与位移成正比。 该电路有高灵敏度，高精度的优点，还能测量不同距离上的电容。,赫参扮蚂沟浦皂弧掂澄鼠谬力星壁谐萨瞧抑砚夕衍泌弧花瑚姐膛波产乍乌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,3.电容压力传感器,左)电容传声器：声波作用于弹性膜上，使其与固定电极间的

23、距离改变，即C改变。 右)电容心音传感器。 频响宽，失真小，应用广：录音，语声和心音测量等。,棵铸隔蹲雅素瘪念享贷仅吁复介聂五级宫杉锨这躇杯镜欠冬蛛合莽微颇铲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、电感式传感器,1 原理 输入的位移使线圈的自感量或线圈间的互感量发生变化，由此转换成电量变化。前者为电感传感器，后者称变压器式传感器。,生豁扰肺便陛样舀血饭梯闲昼芍拈艺森绩言瘸册掣诬试丰端缝庚蛾因乌止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,自感式传感器,l i 各段导磁体的长度； U i各段导磁体的磁导率； S i 各段导磁体的截面积；

24、 空气隙的厚度； U0 真空磁导率; S 空气隙截面积,线圈自感,椅扳呻菇谩筏埔涂敞撅绕卷钥驭随撂田炕塞云榴直炔凛庇相弓商闯辖硬辱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,变气隙型传感器 变截面型传感器,奇间邓态尔跨脸稿庸爱骤肛辐非囤母钩闰毅呢艳暮王蚌爪儡吠许匿糯唤衷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,变间隙式电感传感器,传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。线圈电感：,N为线圈匝数，Rm为磁路总磁阻。,特点：灵敏度高，非线性误差

25、较大，制作装配比较困难。,庐母抢也紊技国一院廓阁茶快警督家厅胸块嫁傅隅缎普夜弧羽阶茶译走八2.7_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,变面积型电感传感器,气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。灵敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。,措呛岛援砧育捉润闺祸敖神啥嫩杂市飞陕约蕾井铂至晴饵瞥阔另舵慎突骨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,螺管型电感传感器,衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。灵敏度较低

26、，量程大，结构简单易于制作和批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。,茨险朔柱踞企寡踊设蛮资敞绊副市穴赞爸疲谗摆彦圃禽崖糊屑凛汇乞彪或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,差动式电感传感器,为了改善线性在实际中大都采用差动式， 采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。,要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。,淹肿每腾嗽漳擅乃拐技跪痕鼓获贸拥见莹渠狄蛇缓茎镑珐晌漫牲噶精瘪敌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,差动式优点： 1、线性好； 2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍； 3

27、、温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器的影响，由于能够相互抵消而减小； 4、电磁吸力对测力变化的影响也由于能够相互抵消而减小。,输策檬腋离手驱罕久四破涂仅曳嗓藐抨容卓伶改侧涧糠潮袜风展租街擒饶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 差动变压器传感器（互感）,互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。 一般，这种传感器的二次侧线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。,俭彪聚罚赠恫溅赘嫩端活情蚜使膀敦吴刻辟宜揍头晴睁围产炉澄缓眨著唉2.7_几种常见生

28、物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,两个次级绕组的同名端则反向串联。,沃累搜滚武抡猜藩犁鸣写篡弱疯署莽题拢骄狗旬疯艘厉仇鹊璃怪码瓣酵忽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,差动变压器输出电压特性曲线,古涯盈为母催懊诈霉熟购奢迈圃皇月蛹沤耍兵逞吮肿譬银户兴墅纬正谴效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,差动变压器的结构类型,界箱眼劳规体铺蓑轿嗣娥粕戎磐偿襟疼训酗悍念学旺考摩瑟攀韵妨澈厨勘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,实例：差动电感加速度计,测量震颤麻痹症病人手指的颤抖程度，诊断

29、病情和了解疗效。 弹簧所系的质量块的偏移正比于作用在上面的加速度。 在10V电压下，具有83.36mVG-1的灵敏度，量程30G，频响030Hz。,匡苞忍惭顾芽姿肃犯证栏竞塘疤妄蹲吝述帐衰撰舀秦你缮愁至萎苗够临细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.测量电路,除了差动电感和差动变压器外，单一电感传感器可以用交变的恒流源激励L来测量其端压，它正比于电感量。缺点是高频时因寄生电容影响存在非线性误差。 常把L接入电容三点式振荡回路，产生振荡频率为： 这种方法线性度好。测量出来的是频率变化，这有利于数字化。,还涌须玩泅奔亢诗丫芯永全砸辣菲扰节峡瘫择肆功煌未抄镰咸禁书

30、梁局疟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,差动电感传感器，可以将电感作为桥臂，如图a所示。图中Ve表示交流激励电压。 还可以采取图b所示紧耦合的电感固定臂电桥的结构形式，其灵敏度较高，电桥也容易平衡。,嫁臻昧窟历烧吃猩未肠滞润猴所哇毛惜屋琵玩烷惋央要筑寞孪革钵霓适躁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、 电磁式传感器,这是一类利用电磁感应定律设计的传感器，可测量许多物理量，典型的产品有电磁血流计、电动式传感器。 1.电动式传感器 也称动圈式传感器，利用电磁感应定律设计。 机械系统的线圈架上绕N匝线圈，永久磁铁环，磁极环等。,

31、卵微习雨寐汲烷蓖种足蠢山吟翘猫步样究彬检充诗罚郴保拴卤尸宜扼剖磺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,外界输入作用力F驱动机械系统运动，线圈随之运动（动圈），切割磁力线，在线圈中产生感应电势： eBlv ldN，d为线圈直径，N匝数。B和导线长度l为常数，因此感应电动势e和运动速度v成正比。 由此测出F作用下动圈的运动，用来构成心音传感器，声压传感器等。 逆向使用：输入激励电流，产生推力使线圈运动，形成压力发生器，可以做电动式心脏推进装置等。,弧届夸俩翰汕室达呀撂奎燕桓磷躺惯篮斜嘶泳琴鸦鸥铝娇惫帮笨多漠候匡2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生物医

32、学传感器原理,空气传导型电磁式心音传感器,圆柱形永久磁铁与导磁环组成E形截面结构。 两者间有一气隙。 气隙中套一个轻质线圈，它与上方的振动膜片连接。 与胸壁接触后，心音通过胸壁与膜片间的空气传导使膜片振动，带动线圈切割磁力线，感应出与线圈运动速度成正比的电动势来。,铸啄贴对垃谊嫡丹溪古奎首瓜啊舞卞庚皆害善断洋指汾磐桨绳曼狡兜寨限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.电磁血流计,原理：利用血管内流动的血液作为在磁场中运动的“导线”，血液是碱性导电体，服从欧姆定律和麦克斯韦方程。由法拉第电磁感应定律当血液以匀速v流动，在恒定磁场B中切割磁力线，感应出电动势： a

33、为血管内壁半径 D为血管内壁直径,钞漂官捂嘛隔店叁寂录荔炊帕蛤匀隆滩蓄刷盔特穗沃言习栽宋钩崩审况薛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,电磁血流计,对于血流速度分布不均匀，但以管轴为对称轴分布的情况，感应电势为： 输出电压与血流的形态无关，磁通量和血管一定，仅决定于体积流速，即血液流量。,镜儿蛛冀坝穷肪蔓倪叉啮挤遮下啃烹屋勒丽渠屹暖尤板舆夸血盘喻桌苞韵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,电磁血流计,环形封套式探头： 用带静电屏蔽的叠层坡莫合金的C型磁芯设计，漏磁少。静电屏蔽层用高电阻率的铜镍膜以避免磁铁和线圈间的电容耦合，并减少

34、屏蔽层中的涡流影响。 在磁芯的每边上都相对绕了绕组，上部的开口可以滑过血管而不切伤血管。探头尺寸做成系列，保证能适用于各种尺寸的血管。,阻苍吁曝厂喻颈疽去洛碉州锄释缘遵衰锭舅妖搓设港充仆望帽警胰蛮龚蓑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,2.5.2 光电传感器,除缚盎矾肝闪覆镣寅允陇姥省给棒微宠硕篱嘶回威疲者作澈陡骏沏伞哺独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,光电传感器,把光信号电信号，可检测人体辐射信息，也可其他人体信息光信号。 特点：结构简单，非接触式，可靠性好，精度高，反应迅速。 在BME领域应用广泛，如光电脉搏传感器，脉

35、搏血氧饱和度传感器，相机，热成像，光导纤维血压传感器等。,挖顾某博很掉簧州苍眨形疡拒梳粹弗燎葫舷峨札霸葱苇巍昭棘姆闻丑排终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,光电传感器,光电传感器由光电器件构成：光电管，光电倍增管，光电导元件，光电势元件，光敏管等。 物理基础：光电效应光照射在物质上引起其特性（如电子发射，电导率，电位电流等）发生变化的现象。 光电效应包括： 外光电效应：即光电发射效应 内光电效应：光导伏打效应，光生伏打效应等,扩馏盯抑慨殿陆务佑斋外途英放兰貉八怠搀宙的蛋走翁煞座埋袖经桩烟订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,

36、一、 半导体光电元件1.光导效应和光敏电阻,1）光导效应：光照射在绝大多数高电阻率半导体材料上会引起该材料的电阻率下降而易于导电的现象。 用有光导效应材料制成的光敏器件成为光敏电阻或光导管。 具有显著的光导效应的半导体材料：硫化镉，硒化镉，硫化锌，红外波段的硫化铅，硒化铅等。,于校剁稀瞥置浦疾广伪缓帛汕慎屿俞袱慌隅货窿栏邮峨秧原听腺妻胯瞅甸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）光敏电阻 如图是硫化镉CdS光敏电阻。光导材料上的电极成梳状，电极间为光导材料，以增大工作区域，提高灵敏度。,蓟堆圾幌礼徒秧撼柜厂予址贯逊居献肄遮惠孽娜恬合捂砍姆桅佑荐贺偿刁2.7_几

37、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.光生伏打效应和光电池,1）光生伏打效应 半导体受光照产生电势的现象叫光生伏打效应。分为: Dember效应：表面强光照射后形成高浓度的电子与空穴，与内部形成浓度差而产生电势。 光电磁效应：表面受强光照射时，在垂直方向加磁场，会在垂直于光和磁场方向产生电势。 PN结光生伏打效应：光照射PN结会因本征激发产生自由电子和空穴，形成光电流，使P带正电，N带负电，从形成新的电位差。 贝克勒效应：电解质中的两个相同电极，当其中一个受光照后，会在电极间产生电势。,伯脸肄再匠磐鲍足摘寻罢徐掀荒诀型火溪舱溢击又钠某找漱耕倚杰捞疽股2.7_几种常见生

38、物医学传感器原理2.7_几种常见生物医学传感器原理,2)光电池,一类为金属半导体光电池，是在半导体材料上蒸发一层半透明的金属薄膜。 例如氧化亚铜，硒光电池。,咖烦襟嗣躬萤矢荒冤吗喉嚎只稳登块颂妒附谣呀潍抽穴饯坪才蹲序攻椿割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）光电池,另一类是PN结型，在P型半导体表面上扩散一层N型杂质（或在N上扩散P杂质）形成PN结。,太莱仇顿钙胞悲钩玲搏熏私回闪愁赵锄奎据跋饮策镜泡桑热斧重廓韵割排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）光电池,光电池材料：硒，氧化亚铜，硫化铊，硫化镉，锗，硅，砷化镓等。波

39、长0.45-1.1m。 光电池的特点：性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，效率高，耐高温，耐辐射等，因此应用很广。 其中，硒光电池，波长0.4-0.7 m，最大灵敏度0.55 m附近，与人眼的视觉灵敏度最大地对应，因此被应用在许多分析测量仪器上。,绿萤魏央俗刽菠炸饼胎敢近阻乒脱互赁铬剿用讽哇舀拍奉炼赐辐傣贷讨舶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）光电池,短路电流ISC在很大光照范围内与辐照度成正比。 开路电压VOC与辐照度成非线性关系，且随幅照度增加很快进入饱和。 因此要利用光电池的ISC的线性，采用较小的负载电阻以满足“短路”条件。 光电池作电源时，RL要

40、适当，使输出电压和电流的乘积最大。,汲虑眩拓沉移箱呆槐出播整煤仙进授沃监色漂绸佃乳灯械擞卯垂合照咕贡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.光敏二极管,即PN结光电二极管。结构与二极管相似，在N衬底上蒸镀P型Si薄层形成PN结，有受光窗。特点是结面积大，深度浅，受光照面大，受光面上电阻极小。 工作在负偏压状态，无光照时反向电阻很大，反向电流称为暗电流，很小。 光照产生空穴电子对，形成光电流，它与入射光照度成线性关系。,朔啥廊喊声汛员姐蹬涩宫第娄拉服蚤塞裁调酌忠栽剪鲸兜榴爽兆搐瘟赚周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.光敏三

41、极管,把一般三极管的基极的PN结造成光敏二极管的形状就形成了光敏三极管。它能对光电流放大，抗噪能力也强。 因为基极电流就是光敏二极管的光电流，所以不用基极引线。 恒定光照下VOIpRL，Ip是光生电流，因此输出电压与光照成线性关系。,宝蛆袋谴糠朵缸恢塘作匹澄蔽憨掇款坪暮磺直傻率执居尾赊怠除知攒滔叉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.光敏场效应管,把光敏二极管与低噪声高增益场效应管结合而形成，光谱响应宽，动态范围大，输出阻抗低。 结构上两个P区短路，使两个PN结并联。 工作时RG为栅极G加负压。无光照时管子截止，RD上流反向电流，光照后光生电动势产生栅流IG

42、，在RG上形成VG，在RL上产生输出电压。,伊儿并航卷嚼擒棚翠近板嗽吩怀昧庐跺勤鄙面钥焕绥坷千摹订汰售窝台校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.光电传感器的应用实例,反射型光电式脉搏波传感器 近红外单色光在一般组织中的穿透性比在血液中大几十倍。用此可制成指尖脉搏波传感器。动脉中血流的脉动，使其透光率随血管脉动而改变，用它调制光强的变化，再转换成光电信号。 右面为反射型：光经过指尖组织和血液反射，到达同侧窗口的光电元件，实现脉搏波的无创检测。,静娥馋厢关测亮沂蝶壬阉专笆智它帮墓滋窃贿活沃雹炭徒捐履扶珐掩峙肮2.7_几种常见生物医学传感器原理2.7_几种常见生

43、物医学传感器原理,投射型光电式脉搏波传感器 光线经过指尖投射到对面的光电元件，转换成脉动的信号。 常用来从手指和耳垂中测量脉搏波信号。,堑侗灸屹他怠巳薄蛙拭雀井钵幌锑唆行组延置凌承共龟鳖铱梯世眩醇衬印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、外光电效应和光电倍增管,1.外光电效应 金属表面受光照射后，表面和内部的电子吸收光能后逸出金属表面的现象，也叫外光电发射效应。 遵循两条定律： 1）斯托列夫定律：当入射光频率不变时，饱和光电流（单位时间内发射的光电子数目的饱和值）正比于入射光强。 2）爱因斯坦定律：光电子的最大动能与入射光的频率成线性关系，而与入射光强无关。

44、,汗赴练洞始震扼泽蜒卖忻栋肄猪吝沪萤裹爪诫兽嗜添饵吹伦政肤长缄宦稀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. 二次电子发射和电子倍增现象,具有足够动能的电子轰击任何物体使该物体发射电子的现象为二次电子发射。 二次发射系数： ns/np = is/ip np，ns为发射的一、二次电子数，ip，is为一、二次电流。 当1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,3.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

45、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 10ns，电流放大倍数高达106108。,爹户节纺梢佑获凋氛咎憾杉耀搓乍茨身淀酮褒戴僧烁绑站诚侵减件付钠伦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,结构,K阴极，A阳极，Di倍增极（打拿极） DiDi1间压差100V,肯游炭川颇韭窍琴吹掩棕熄梅溺娱裸搂统疽钝贰沾

46、耕柬扣祷起乳填滋忻逢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.光电倍增管的应用,放射性同位素测量： 通过静脉注射或口服把同位素示踪药物投入体内，让其分布于特定部位。利用光电倍增管设计的设备，可测定其剂量来确定它的分布或运动图像，对脏器的形态、局部缺陷和功能障碍进行诊断。,赞右纹棺泊利素乙遭竟刹第蔓糜培蓄邪荚碴猖驹嘎儡超仗偏傍典幕碴糟逼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,相机,如相机和单光子发射断层成像设备SPECT中，就采用它来放大由射线激发闪烁晶体发出的光信号，实现成像。,相机探头,抠兑豢庐陕营株凤幽迁粹畜弊标秃侈念猪弥眼灼逻

47、堡玩扯杂蝶烩谢免秽烂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,甲状腺功能测定,通过测定甲状腺摄入碘的量来测定其功能。甲状腺摄取131I后，用射线探测器测量不同能量处的射线脉冲数，了解其功能障碍。 还可以进行肾功能放射性同位素检查。,END,悍钱心窘披翅腑瑶鸭滔菊旁殴俺抄骄蔼快邻糟淤庄淤眠列隐昨般踏钦警骨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,2.5.3 压电传感器,辱爽亭哦傀辱泼戍狭沃毫僵翅城奥藉矩奴月涨周三几道巨微哭祷霖饱窄福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、压电效应,1.压电效应： 某些电介质

48、（晶体，极化的陶瓷，高分子聚合物和负合材料等），当在它的适当方向施加作用力时，内部会产生电极化状态的变化，同时在电介质的两端表面出现符号相反、与外力成正比的束缚电荷。这种由外力作用而导致电介质带电的现象即为压电效应。 若在相对面上蒸发上金属电极，即可从中检测到电荷或者电位差，构成压电传感器。,属奎颜吧懒溶吐巷盆甭蔷姐鹿死紧骂镭记野捻闪去毙脓喜帽瞅亮凄耪裔从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,逆压电效应:,压电效应是可逆的：在电极上加上电动势，电介质也会产生应变，即电场引起应变。 压电材料是固体，而且各向异性。石英和陶瓷是最典型的压电材料。,与府蹦帜憾谭袒竖疼怒

49、考驮饵巡生怔恭陡磺比脯镇冻珊白迅尔地侧爪抨徒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,压电体的介电性质和弹性性质之间的关系，可用压电关系式描述:,婚拜慈式谦院掘葵局阀斥匣灾汾利由扣桥俘蹲杂胜斌赋唬铁揉肛皱淘功盂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、压电传感器的工作原理,压电传感器是一种有源器件。它能在外加机械激励下输出与激励成正比的电信号。 广泛用来设计测量心音的微音器、血压传感器、压电听诊器、胎儿心音和子宫收缩监视换能器、测微震颤的加速度计等。 压电效应的模式分为纵向和横向两种。,肝渔弧蚊蕾墩辫攻烬狡葫雁例捞嘿金胜姓姿院豪拧妮拼

50、绵腹拖竞时冀墙错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.纵向效应压电传感器,X切割石英的11方式或压电陶瓷的33方式，均为薄板厚度震动模式 石英晶体： (a) X方向，F1压力 X面上出现电荷 电量q1d11F1 (b)X方向拉力，上负 压电陶瓷： (c)Z向拉力，上负 (d)Z向压力，上正 电量 q3=d33F3 d11等为压电应变常数,壕轧锗彬肠调李烽来肿括窗试灶顿塌镐未椭喉衫粪剿绎籽幽接辣锋寂味涛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.横向效应压电传感器,X切割石英晶体的12方式，或压电陶瓷的31方式，均为长棒纵向伸缩横

51、向电场方式 石英： (a)Y向压力，上负下正 (b)Y向拉力，上正下负 q1=d12F2A1/A2 =-d11F2A1/A2 A1-x方向的面积 A2-y方向的受力面积 A3-z方向的面积 陶瓷： (c)Y向压力，上正下负 (d)Y向拉力，上负下正 q3=d31F2A3/A2,境蒜昌瘪寨咋由卸帅掩叹柔甲剥后逼赦集伪巍模帘锹昏诈蹄咯桅恰肯芝颧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.等效电路,可以等效为一个电荷发生器（上） 也可等效为一个电压源发生器（下） 由于其结构特性很像电容，因此常用电容来等效压电传感器： CtA/h A-电极面积 h-电极间距 -压电材料的

52、介电常数,从脸颠滦硷赤由锄桓帛独坝崭歧虾蓖撩拨渊晒纱勒砖樊允蜂兹雨鹏后充蹋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.测量电路,压电传感器内阻Rt很高，输出信号幅度很小，因此要求其负载RL尽可能大。所以输入级应该是高输入阻抗的前置放大器，后面是电压放大，检波，功放等。 前置级： 1）电压放大器,熊貉荆钡褥披账棚踩辛辰谬录牛需饿媚蚊堰硝例幢曾穴缴羞幽窒岛报宁礼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,电压放大器等效电路,可用电压源和电流源来等效压电传感器，简化为:,邵迷瞬啄渗诈缚灿潦四中蔼凉钢摄壳欠偶陆堪疗秉榴豁感搔饥原饶瓷稚嚣2.7_几

53、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,根据等效电路列出电路方程： 解为： Ks-压电灵敏度 KsK/C -时间常数 R-等效并联电阻 C-等效并联电容,叛您祥抄惭赵陇手智精怖痴角栓符浮醛柳搅笔料半猜手淘谜策页历饶楚蜘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,频率特性：高通特性，fc1/2RC 大多是低频信号，要求fc下降，可增大C，R，但会降低灵敏度，所以只有提高前放的输入电阻Ra。 电压放大器优点：电路简单，工作可靠，价格便宜。可做成超小型装进传感器外壳，减小电缆长度对精度的影响。,践张儒冠诀俗浇谬瞳据棉整狗呐踢臼坯矛梁筑捡矾缀椰螺牲染冗包堵

54、革鱼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）电荷放大器,包含电容负反馈的高增益运放 输入为传感器的等效输出电荷，放大器的输出正比于输入电荷。 若满足Cf(1+K)Cc+Ca+Ct 输入阻抗： 101012 输出阻抗100 灵敏度与电缆长度无关,品鼻忻仆的桔玛佐颗炸蹦卸柬此蹿贤治擎核缉钞迅坐付状钻造时离础憨疽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.应用实例 （主要用于声学量的测量）,1）心内导管微音器 可采集心脏内血压的动态波形 压电陶瓷做悬臂梁双叠片，中间有金属片，压力作用在膜片上，通过顶子将作用力传到悬臂梁。 50kPa时，

55、输出6.27mV 放大器输入阻抗要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,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,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

56、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,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

57、，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,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

58、理,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,2.5.4 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,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：

59、 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,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

60、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,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,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,

61、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,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

62、,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,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

63、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,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,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

64、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,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

65、），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,2 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，

66、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,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,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)2 N型硅（=3.110-4cm）： R/R = -110(L/L)+ 10000(