2.7_几种常见生物医学传感器原理课件.ppt

2.5 几种常见传感器原理;2.5.1 RLC传感器;一、电阻应变式传感器;工作原理; 三个参数：长度L，截面积A，电阻率ρ，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ρ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：;2.电阻应变片; 典型结构;;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70－90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测量电路。 ;;（1）平衡电桥：IL=0时 平衡条件 :;;采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时有： ;① ΔRi R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 ② 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。 ③ 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。 ④ 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。 ⑤ 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。;;半桥差动电桥 ;R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR ;输出电压为：;;交流电桥 ;（1）交流电桥的平衡条件;电阻交流电桥;电感电桥 ; 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： ;电容电桥 ;电桥的输出电压为： ;变压器电桥电路 ;电桥的输出电压为： ;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，r?25R。 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。;4.应用实例－血管外血压传感器; 5.应用实例－脉象传感器; 6.水银－橡胶管应变仪传感器;二、电容式传感器;;变极距(δ）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数(ε )型: （i）～(l) ;;;;;2.测量电路1）直流极化电压电路;2）变频电路;3）运放测量电路;4）电桥测量电路; ; ;3.电容压力传感器;三、电感式传感器;;;变间隙式电感传感器;变面积型电感传感器;螺管型电感传感器;差动式电感传感器;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、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。 ;;;差动变压器输出电压特性曲线 ;;实例：差动电感加速度计;3.测量电路; ;四、 电磁式传感器; ;空气传导型电磁式心音传感器;2.电磁血流计;电磁血流计;电磁血流计; 2.5.2 光电传感器;光电传感器;光电传感器;一、 半导体光电元件1.光导效应和光敏电阻; ;2.光生伏打效应和光电池;2)光电池;2）光电池;2）光电池;2）光电池;3.光敏二极管;4.光敏三极管;5.光敏场效应管; 6.光电传感器的应用实例; ;二、外光电效应和光电倍增管;2. 二次电子发射和电子倍增现象;3.光电倍增管;结构; 4.光电倍增管的应用;?相机;甲状腺功能测定; 2.5.3 压电传感器;一、压电效应;逆压电效应:;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:;二、压电传感器的工作原理;1.纵向效应压电传感器;2.横向效应压电传感器; 3.等效电路;4.测量电路;电压放大器等效电路;根据等效电路列出电路方程： 解为： Ks-压电灵敏度 Ks＝K/C ?-时间常数 R-等效并联电阻 C-等效并联电容;;2）电荷放大器;5.应用实例 （主要用于声学量的测量）; ; ; ; ; ; 2.5.4 压阻传感器; ;各向同性材料的微观形式欧姆定律： E=ρJ E-电场强度， J-电流密度，ρ-电阻率 对于各向异性的晶体，此关系要用张量表示： Ei =ρi 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 ρij 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; ; ; ;压阻效应的计算公式; ;影