1、2012nnyaa xa xa x 第3篇 物理傳感器3章章 電阻式傳感器電阻式傳感器 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 5章章 電感式傳感器電感式傳感器 6章章 壓電式壓電式 傳感器傳感器 7章章 光學式傳感器光學式傳感器 8章章 熱電式傳感器熱電式傳感器本篇內容：本篇內容：按被測量分類（一種宏觀分類方法）按被測量分類（一種宏觀分類方法）物理傳感器物理傳感器: 用于測量血壓、體溫、血流量、生物磁用于測量血壓、體溫、血流量、生物磁場等，場等，被測量都是物理量被測量都是物理量。設計時利用這些非電量的物。設計時利用這些非電量的物理性質和物理效應。理性質和物理效應。 化學傳感器化學傳感器: 用于測量

2、人體內某些化學成分、濃度、用于測量人體內某些化學成分、濃度、PHPH值等，值等，被測量都屬于化學量（被測量都屬于化學量（被測物質分子量較小）。被測物質分子量較小）。設計時多利用電化學原理或物理效應。設計時多利用電化學原理或物理效應。生物傳感器生物傳感器：用于測量酶、抗原、抗體、激素、用于測量酶、抗原、抗體、激素、DNADNA、RNARNA等物質，等物質，被測量都屬于化學量被測量都屬于化學量（被測物質分子量較（被測物質分子量較大）。大）。對這些物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器 。生物醫學傳感器的分類生物醫學傳感器的分類 在這一節里，介紹電阻傳感器，例如：電位在這一節里，介紹電阻傳感器

3、，例如：電位器、電阻應變片、測溫熱電阻。它們的基本原理器、電阻應變片、測溫熱電阻。它們的基本原理都是將各種被測非電量的變化轉換成電阻的變化都是將各種被測非電量的變化轉換成電阻的變化量，然后通過對電阻變化量的測量，達到非電量量，然后通過對電阻變化量的測量，達到非電量電測的目的。電測的目的。 利用電阻傳感器可以測量角位移、直線位移、利用電阻傳感器可以測量角位移、直線位移、應變、力、加速度、重量、轉矩、溫度、濕度、應變、力、加速度、重量、轉矩、溫度、濕度、氣體成分及濃度、磁場強度等氣體成分及濃度、磁場強度等。本章內容3.1 電位器式傳感器3.2電阻應變式傳感器3.3 固態壓阻式傳感器3.4電阻式傳感

4、器的測量電路3.5電阻式傳感器的應用前言 ：工作原理電阻式傳感器電阻式傳感器測量原理測量原理: 被測的非電量 R 電量輸出 其其基本基本原理為：原理為：設設有一根長度為有一根長度為L L，截面，截面積為積為A，電阻率為，電阻率為的金屬絲，則它的的金屬絲，則它的電阻值電阻值R可用下式表示：可用下式表示：AlR 三個參數：長度L，截面積A，電阻率，如果發生變化，則它的電阻值R隨之發生變化，構成不同電阻傳感器：1、長度L發生變化電位器式傳感器；電位器式傳感器；2、截面積A、長度L發生變化電阻應變片傳感器；電阻應變片傳感器；3、電阻率發生變化熱敏電阻、光導性光檢測熱敏電阻、光導性光檢測器等。器等。 電

5、位器是一種機電轉換元件，可將位移位移(直線位移或線位移)轉換成電阻或電壓輸電阻或電壓輸出。 優點：結構簡單，尺寸小，重量輕，價格便宜，輸出信號大，受環境影響小。 缺點：由于有摩擦，要求輸出信號大，可靠性和壽命差，動態特性不好，干擾大，一般用于靜態或緩變量的檢測。電位器分類電位器分類:線性電位器和非線性電位器線性電位器和非線性電位器3.1電位器式傳感器電位器式傳感器電位器接負載，此時的輸出特性為負載特性，不接負載或負載無窮大，輸出特性稱空載特性。3.1.1線性電位器空載特性 maxmaxxxRRx 假定全長xmax的電位器，總電阻為Rmax,電阻沿長度的分布是均勻的,則當滑臂由A向B移動x后,A

6、點到電刷間的阻值為若把它作為分壓器使用,且假定加在電位器A、B之間的電壓為Umax,則輸出電壓為maxmaxxxUUx 右圖為電位器式角度傳感器。作變阻器使用,則電阻與角度的關系為 maxmaxaaRRa其他內容參看教材44-44頁3.1.5 電位器的負載特性 上面討論的電位器空載特性相當于負載開路或為無窮大時的情況,而一般情況下,電位器接有負載,接入負載時,由于負載電阻和電位器的比值為有限值,此時所得的特性為負載特性,負載特性偏離理想空載特性的偏差稱為電位器的負載誤差負載誤差。 帶負載的電位器的電路如圖所示。電位器的負載電阻為Rf,則此電位器的輸出電壓為圖 帶負載的電位器電路電阻相對變化:

7、電位器的負載系數為:maxfRmRmaxRRrx2maxmaxmaxxxffxxfRRRRRRRUU教材中：教材中：a=1/m在未接入負載時,電位器的輸出電壓Ux為 則接入負載Rf后的簡化的輸出電壓Uxf表達式為:)1 ()1 (1maxmaxrraarUrmrrUUxfUx=rUmax 00100 xxfxfUUU比較兩式可知，Rf不是無窮大，負載與空載輸出之間產生偏差，則負載誤差為：00100)1 (111rmrf由圖可見,無論m為何值, 電刷在起始和最終位置時,負載誤差都為零;當當X=1/2時時,可求導,負載誤差最大,且增大負載系數時,負載誤差也隨之增加。3.2.電阻應變片式傳感器應變式

8、傳感器特征：應變式傳感器特征： 材料類型：材料類型：金屬應變片、半導體應變片金屬應變片、半導體應變片 應用范圍：應變力、壓力、轉矩、位移、加速度應用范圍：應變力、壓力、轉矩、位移、加速度主要優點：使用簡單、精度高、范圍大、體積小主要優點：使用簡單、精度高、范圍大、體積小工作原理：由彈性元件、電阻應變片和其他附件組成。工作原理：由彈性元件、電阻應變片和其他附件組成。彈性元件受力彈性元件受力變形變形，張貼在表面的，張貼在表面的應變片隨之變形應變片隨之變形，并，并產生相應的產生相應的電阻變化。電阻變化。 應變式電阻傳感器作為應變式電阻傳感器作為測力的主要測力的主要傳感器傳感器，測力范圍小到肌肉纖維，

9、大到，測力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到登月火箭，精確度可到 0.01-0.1%0.01-0.1%。有。有拉壓式（柱、筒、環元件）、彎曲式、拉壓式（柱、筒、環元件）、彎曲式、剪切式。剪切式。 應變式力傳感器應變式力傳感器 S型力傳感器型力傳感器 FFFF應應用實例用實例應變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形應變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形各種懸臂梁各種懸臂梁 電子秤電子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤遠距離遠距離顯示顯示電子天平電子天平電子天平的精度電子天平的精度可達十萬分之一可達十萬分之一電子秤中的各類彈性元件電子秤中的各類彈性元件 2llRAr金屬絲受拉時，金屬絲受拉時，l變長、變長

10、、r變小，導致變小，導致R變大變大 。1 .金屬絲的應變效應金屬絲的應變效應 xSKRdR1 .金屬絲的應變效應金屬絲的應變效應應變效應應變效應: :金屬導線在受到外界力的作用時，產生機械金屬導線在受到外界力的作用時，產生機械變形，機械變形導致其阻值變化，這種因變形，機械變形導致其阻值變化，這種因形變而使阻值發生形變而使阻值發生變化的現象稱為應變效應。變化的現象稱為應變效應。 根據應力根據應力和應變和應變的關系的關系: 應力應力=E， 金屬絲的應變效應金屬絲的應變效應ll+ dl2r2(r-dr)FF xSKRdR金屬的電阻相對變化與金屬的電阻相對變化與應變應變成成正比關系。正比關系。通過通過

11、彈性元件彈性元件，可將應力轉，可將應力轉換為應變，這是換為應變，這是應變式傳感器測應變式傳感器測量應力的基本原理量應力的基本原理。1 .金屬絲的應變效應金屬絲的應變效應 KS為金屬絲的靈敏系數，p47注釋金屬的徑向應變金屬的軸向應變令yxrdrLdL/ / 在彈性范圍內金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，則軸向應變和徑向應變的關系為 y=-x為金屬材料的泊松系數。為金屬材料的泊松系數。應變式傳感器的核心元件：應變式傳感器的核心元件：電阻應變片電阻應變片，試件上的應力，試件上的應力變化轉換成電阻變化。變化轉換成電阻變化。 應變效應應變效應應變是量綱為1的數。通常應變很小，常用10-6來表示。

12、例如，當應變為0.000001時，在工程中常表示為110-6或m/m。在應變測量中，也常稱為微應變。金屬絲式應變片的結構金屬絲式應變片的結構視頻：應變片視頻：應變片半導體應變片又稱為壓阻式傳感器。半導體應變片又稱為壓阻式傳感器。基于半導體材料的壓阻效應而制成的一種純電阻性元件。基于半導體材料的壓阻效應而制成的一種純電阻性元件。壓阻效應：壓阻效應：半導體材料的半導體材料的電阻率電阻率隨作用應力的變化而發生變化的現象。隨作用應力的變化而發生變化的現象。 3.3 固態壓阻式傳感器固態壓阻式傳感器半導體材料敏感條半導體材料敏感條電阻率的相對變化值與其在軸向所電阻率的相對變化值與其在軸向所受的應力之比受

13、的應力之比為一常數。即為一常數。即xllEdxlERdR)21 （l半導體材料的壓阻系數。式中半導體材料的壓阻系數。式中1+2項隨幾何形狀而項隨幾何形狀而變化，變化，lE項為壓阻效應，隨電阻率而變化。項為壓阻效應，隨電阻率而變化。當半導體材料受軸向力作用時，電阻相對變化為當半導體材料受軸向力作用時，電阻相對變化為dRdRx)21（ERdRKlxB/實驗證明實驗證明lE比比1+2大近百倍，所以大近百倍，所以1+2可以忽略，因而：可以忽略，因而： xlERdR)（靈敏系數靈敏系數半導體應變片的靈敏系數比金屬絲式的高5080倍，但半導體材料的溫度系數大，應變時非線性比較嚴重，使應用范圍受到一定的限制

14、。 半導體應變片的優點：半導體應變片的優點：體積小，靈敏度高，頻率體積小，靈敏度高，頻率響應范圍寬，輸出幅值大，不響應范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測量系統簡單。連接，使測量系統簡單。 電橋電路電橋電路又叫惠斯登電橋惠斯登電橋，它是將電阻、電容、電感等參數的變化轉換為電壓或電流輸出的一種測量電路。 金屬應變片的電阻變化范圍很小，如果金屬應變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測直接用歐姆表測量量其電阻值的變化將十分困難，且其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大誤差很大。 例例：金屬箔式應變片的標稱阻值金屬箔式應變片的標稱阻值R R0 0為為1

15、00100 ，靈敏度，靈敏度K K=2=2，粘貼在橫截面積為粘貼在橫截面積為9.8mm9.8mm2 2的鋼質圓柱體上，鋼的彈性模量的鋼質圓柱體上，鋼的彈性模量E E=2=2 10101111N/mN/m2 2，所受拉力，所受拉力F F=0.2t=0.2t，受拉后應變片的阻值，受拉后應變片的阻值R R 的變的變化量僅為化量僅為0.20.2 。 所以必須使用所以必須使用不平衡電橋不平衡電橋來測量這一微小的變來測量這一微小的變化量，化量，將將 R /R轉換為轉換為輸出電壓輸出電壓Uo。 為什么要使用不平衡電橋為什么要使用不平衡電橋 把對某物理量敏感的電阻應變材料加工成傳感器，作為電把對某物理量敏感的

16、電阻應變材料加工成傳感器，作為電橋中的某一臂電阻，或某幾個臂電阻，通過電橋的失衡程度橋中的某一臂電阻，或某幾個臂電阻，通過電橋的失衡程度（橋路電流或電壓）來判斷該物理量的大小。（橋路電流或電壓）來判斷該物理量的大小。 如果直接測應變片電阻的改變，可能很困難。因為測量一個如果直接測應變片電阻的改變，可能很困難。因為測量一個在很大的基值上附加的在很大的基值上附加的一個很小的信號是很困難的一個很小的信號是很困難的。利用電橋利用電橋可以把這個信號的基值去掉，變成了一個在零值附近的信號，可以把這個信號的基值去掉，變成了一個在零值附近的信號，并且可以通放大電路來增大靈敏度。并且可以通放大電路來增大靈敏度。

17、 （1 1）平衡條件）平衡條件 4332110RRRRRREU一、直流電橋一、直流電橋不平衡電橋法用在動態應變測量中。不平衡電橋法用在動態應變測量中。(2)不平衡電不平衡電橋法橋法 如圖，R1為應變片，R2、R3、R4為固定電阻。未承受應變時，R1R4R2R3，電橋平衡，Uo0。承受應變后，阻值變為R1R1，電橋的不平衡輸出為 設設R2/R1n，又因，又因R1R1時，時，R1R4R2R3，上，上式簡化為式簡化為電橋的電壓靈敏度電橋的電壓靈敏度(相對靈敏度相對靈敏度)為為 Su與U（供電電壓）成正比，U越高，Su越高。但是U的提高受到應變片允許工作電流的限制，通常為15 V。 Su與n有關。在U

18、一定時，由靈敏度取極值的條件，可求得n1時Su最大。即在U一定、R1R2、R3R4時，Su最大。通常這種情況稱為電橋的第一種對稱形式。此時 而而R1R3，R2R4則稱為電橋的第二種對則稱為電橋的第二種對稱形式。稱形式。第一種對稱形式有較高的靈敏度，第二種對稱第一種對稱形式有較高的靈敏度，第二種對稱形式線性較好。形式線性較好。 等臂電橋是其中的一個特例。等臂電橋是其中的一個特例。 以上都是基于以上都是基于 R1R1，所以得到的是線性關，所以得到的是線性關系。但當應變片感受較大應變時，系。但當應變片感受較大應變時，分母上的分母上的 R1/ /R1項就不能忽略項就不能忽略，此時得到的為非線性關系，此

19、時得到的為非線性關系，從而造成非線性誤差。在補償非線性誤差時常用從而造成非線性誤差。在補償非線性誤差時常用的措施如下的措施如下 (3)電橋電路的非線性誤差補償電橋電路的非線性誤差補償 采用差動電橋。在電橋的相鄰兩臂接入兩個參數相同的應變片，測量時一個受拉應力，一個受壓應力，電阻變化量符號相反，數值相等，即構成半橋差動電路。此時假設假設432121RRRRRR，則無需近似即有則無需近似即有 可見，差動電橋法不僅補償了非線性誤差，且電可見，差動電橋法不僅補償了非線性誤差，且電壓靈敏度提高了壓靈敏度提高了1倍。另外還能起到溫度補償的作用。倍。另外還能起到溫度補償的作用。 全橋差動電路不僅補償了非線性

20、誤差，且電壓靈敏度比全橋差動電路不僅補償了非線性誤差，且電壓靈敏度比半橋差動電路補償時又提高了半橋差動電路補償時又提高了1倍。也能起到溫度補償的作用。倍。也能起到溫度補償的作用。 在四臂都接入相同應在四臂都接入相同應變片（等臂），變片（等臂），相對兩個受拉應力，另兩個受壓應力，相對兩個受拉應力，另兩個受壓應力，構成構成全橋差動電路全橋差動電路。若滿足。若滿足 R1 R2 R3 R4，則，則全橋差動電路全橋差動電路 1.脈象傳感器脈搏波經傳感頂子作用于等強度懸臂梁的自由端，使之彎曲變形。貼在梁上下面的應變片接入全橋或半橋，輸出的電壓即反應脈動規律。側視圖上視圖3.5 電阻式傳感器的應用 傳感器置于體外的測量。圖所示為傳感器置于體外的有創血壓測量，即用血管外傳感器測量，是一種常用的血壓測量方案。2.血管外血壓傳感器血管外血壓傳感器由插管技術將血液壓力傳到圓帽，膜片產生位移，帶動活動元件移動，使R1，R4以及R2, R3