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生物医学传感器全解第1页/共24页 2弹性敏感元件的作用： 弹性元件的两种类型： ①弹性敏感元件：感受力、压力、力矩等－→变换为元件本身的应变、位移等； ②弹性支承：起支承导向作用，不作为测量敏 感元件。第2页/共24页 32.4.1.弹性特性： 作用在弹性元件上的外力与其相应变形间的关系。如图(1).刚度：弹性元件受外力作用下变形大小的量度。 F —作用外力 X —变形弹性特性曲线上某点切线水平线夹角的正切为该点的刚度。 第3页/共24页 4 串联时，系统的灵敏度为： 灵敏度高，刚度小 并联时，系统的灵敏度为： 灵敏度低，刚度大(2).灵敏度： 单位力产生变形的大小，是刚度的倒数。第4页/共24页 52.4.2 弹性滞后和弹性后效(1).弹性滞后：弹性特性曲线的加载曲线与去载曲线不重合的现象。如图2.28所示。滞后误差：弹性变形之差，直接产生测量误差。第5页/共24页 62.弹性后效：当载荷改变后，在一定时间间隔逐渐完成变形的现象。如图2.29所示。 弹性后效现象使弹性敏感元件的变形始终不能迅速跟随作用力的改变而改变，造成测量误差，尤其在动态测量中影响较大。 第6页/共24页 7所以 提高灵敏度K ，会使线性变差，固有振动频率 、 ↓。提高 、 ↑，灵敏度K会降低，需综合考虑。 2.4.3.固有振动频率:由振动质量和材料刚度综合表征的弹性元件特征。决定弹性元件的动态特性和变换被测参数的滞后作用，希望 （或 ）高。 k — 弹簧刚度因为 me — 等效振动质量 第7页/共24页 84.固有频率与弹性元件的变形dx以及材料性能的关系 S —截面积， —长度， —密度 弹性元件相对变形： ， 式中 E—弹性摸数， —应力，∴ 最后可得：可知弹性元件 的乘积对于特定材料是有一个极限值的， 达到许用应力时，dx大， 就只能小，反之亦然。第8页/共24页 92.4.4.弹性敏感元件的形式及其应用范围力、压力 －－→ －－→ 输入输出应变—各种应变传感器位移—电感、电容式、电阻式等传感器三种形式：①力变换弹性元件：如图2-30所示 轴状元件：优点：工艺性好；缺点：位移量小，灵敏度受限空心圆筒：优点：灵敏度高 圆环：优点：灵敏度高，输出位移大，测量力小；缺点：工艺性差，应力不等，尺寸小。悬臂梁：优点：灵敏度高，输出位移大 变截面梁 ：第9页/共24页 10②压力变换弹性元件：如图3-31所示弹簧管：高压测量薄壁圆筒：均匀应力，热惯性小。③力或应力弹性变换元件：如图3-32所示 平面膜片：适于大量程 波纹膜片：适于小量程，灵敏度高 波纹管： 灵敏度最高 （相当于串联系统）第10页/共24页 112.4.5 常用敏感元件的形式及原理第11页/共24页 12压磁效应：①材料受压力时，作用力方向磁导率μ减小，作用力垂直方向，μ略有增大。受拉力时，效果相反； ②作用力取消后，磁导率复原。压电效应:某些电介后物质在一定方向上受外力作用，内部产生极化现象，表面产生电荷，外力去掉重回到不带电状态。 机械能→电能。热电效应（塞见克效应）： 两种不同导体组成闭合回路，如两接点温度不同，回路中会产生电动势，有电流流过。关于上表中几种效应的解释第12页/共24页 13光电导效应： 光照射到大多数高电阻率半导体材料，电子吸收光能过渡到自由状态，引起该材料电阻率下降而易于导电的现象。如光敏电阻。光生伏特效应（内光电效应）： 在光照射下，结面产生光生电动势。如光电池、光电二极管、光电三极管。关于上表中几种