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2.7_几种常见生物医学传感器原理

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2.5 几种常见传感器原理

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2.5.1 RLC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(<1?m),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。

工作原理
?电阻式传感器测量原理: 被测的非电量 ΔR

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ρ 的金属丝,则它的电阻值R可用下 式表示:

L l RR ? ? ?? A A

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
? 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。

?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: ui uo ? L R ? x? ? ?1 ? ? x RL ? L ?

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。

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。

3 传感器测量电路
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:*衡电桥(零检测器)和不*衡电 桥。在传感器的应用中主要是不*衡电桥。

直流电桥

直流电桥

桥路输出

R1 R4 - R2 R3 IL ? U RL ( R1 ? R2 )(R3 ? R4 ) ? R1 R2 ( R3 ? R4 ) ? R3 R4 ( R1 ? R2 )

(1)*衡电桥:IL=0时
R1+⊿R1

*衡条件 :
R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4
R3 U

R2

IL RL

R4

(2)不*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:
R1 R4 ? R2 R3 U0 ? U ( R1 ? R2 )(R3 ? R4 )

应变片工作时,其电阻变化ΔR
( R1 ? ?R1 )(R4 ? ?R4 ) ? ( R2 ? ?R2 )(R3 ? ?R3 ) U0 ? U ( R1 ? ?R1 ? R2 ? ?R2 )(R3 ? ?R3 ? R4 ? ?R4 )

采用等臂电桥,即R1= R2= R3=R4=R 。此时有:

R(?R1 ? ?R2 ? ?R3 ? ?R4 ) ? ?R1?R4 ? ?R2 ?R3 U0 ? U (2R ? ?R1 ? ?R2 )(2R ? ?R3 ? ?R4 )
当ΔRi<< R ( i=1,2,3,4) 时,略去上式中的高阶微量,则

U ? ?R1 ?R2 ?R3 ?R4 ? U0 ? ? ? ? ? ? 4? R R R R ?

UK ?? 1 ? ? 2 ? ? 3 ? ? 4 ? U0 ? 4

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。

单臂电桥:即R1桥臂变化ΔR
略去分母中的ΔR1/R1项 ,假设ΔR1/R1<<1 理想的线性关系:
U ?R U ? ? 4 R
' 0

实际输出电压: U 0 ? U
电桥的相对非线性误差:

?R U ?R ? 1 ?R ? ? ? ?1 ? ? ? 4R ? 2?R 4 R ? 2 R ?

?1

U0 1 ?R 1 ?R 1 ? 1 ?R ? ? ? ' ? 1 ? ?1 ? ? ? ? 1 ? 1 ? ? ?1 ? ? ? ? ? K? U0 2 R 2 R 2 ? 2 R ?

?1

半桥差动电桥
R1
F

R1+⊿R1

R2-⊿R2 U0

R3

R4 U

R2

R3 R1 ? ?R1 U0 ? U[ ? ] R1 ? ?R1 ? R2 ? ?R2 R3 ? R4

R1=R2=R3=R4=R,ΔR1=ΔR2=ΔR

U ?R U 0= 2 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

全桥差动电路
输出电压为:
R1+⊿R1

R2-⊿R2

U0

U0 ? U

?R
R

R3-⊿R3

R4+⊿R4

U

恒流源供电电桥
假设ΔRT为温度引起的电阻变化
I ABC ? I ADC ? 1 I 2

电桥的输出为
U 0 ? U BD 1 1 ? I ( R ? ?R ? ?RT ) ? I ( R ? ?R ? ?RT ) 2 2 ? I?R

电桥的输出电压与电阻变化成正比,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。

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。

(1)交流电桥的*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 个次级线圈 交流电桥的四个桥臂分别用阻抗 Z1、Z 2 、Z 3 、 Z 4 表示 交流电桥的*衡条件为:

Z1Z 4 ?Z 2Z3
电阻交流电桥 电感电桥 电容电桥 变压器电桥电路

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。

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R 1 和 R ? 2 为电感线圈的有功电阻。

若设Z1、Z2为传感器阻抗 且

? ? R1 ? R2 ? R?

L1 ? L2 ? L
则有 另有

Z1 ? Z 2 ? Z ? R? ? j?L

R1 ? R2 ? R

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: Z1 ? Z ? ?Z
Z 2 ? Z ? ?Z

电桥的输出电压为:
Uo ?
?

Z1 R1 Z ? 2R ? R?Z1 ? Z 2 ? U ?Z U? U? 1 U? ?Z1 ? Z 2 ?? 2R Z1 ? Z 2 R1 ? R2 2 Z
? ? ?

?

当ωL>>R' 时,上式可*似为: U o ?

?

U ?L 2 L

?

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。

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 R1 和 R ?2 为电容介质损耗电阻。
设Z1、Z2为传感器阻抗,
且 有

? ? R1 ? R2 ? R?

C1 ? C2 ? C
1 j? C

R1 ? R2 ? R

Z1 ? Z 2 ? Z ? R ? ?

由于电桥是双臂工作,所以接入的是差动电容式传感器的两 差动电容,

Z1 ? Z ? ?Z

Z 2 ? Z ? ?Z

电桥的输出电压为:
? ? Z1 R1 Z1 ? 2R ? R?Z1 ? Z 2 ? ? U ?Z Uo ? U? U? U? ?Z1 ? Z 2 ?? 2R Z1 ? Z 2 R1 ? R2 2 Z ? ?

当ωC>>R' 时,上式可*似为:

U ?C Uo ? 2 C
?

?

交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。

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*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Z2, (由于被测量使传感器的阻抗发生变化)

Z1 ? Z ? ?Z

Z 2 ? Z ? ?Z

电桥的输出电压为:
U U U U ?Z U o ? I Z2 ? ? Z2 ? ? 2 Z1 ? Z 2 2 2 Z
? ? ? ? ? ?

? 实际测量中,4个阻抗难于达到真正*衡,为此常采用下 面的电桥*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

? 由插管技术将*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*衡,产生输出。

5.应用实例-脉象传感器

侧视图

上视图

? 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。

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。

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*板电容器,电容量为 C=?0?rS/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=- ?0?rS/x2 并得到 dC/C= -dx/x ? 说明在任何中心点附*电容量相对变化与位移的相对变 化成正比关系。

工作原理

? S ? r? 0 S C? ? d d

S

δ ε

S ——极板相对覆盖面积; d ——极板间距离; εr——相对介电常数; ε0——真空介电常数,; ε ——电容极板间介质的介电常数。

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)

变极距型电容传感器
初始电容 若极距缩小△d

C0 ?

? 0? r s
d
C 0 (1 ?

?d ) ? 0? r s C0 d C ? C 0 ? ?C ? ? ? 2 ?d d ? ?d ? ?d ? 1? 1? ? ? d ? d ?

非线性关系

若△d/d<<1时,则上式可简化为

?d C ? C0 ? C0 d

最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性

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*移时,其电容变化量化为

?C ? C ? C0 ?

? 0 ? r (a ? ?x)b
d

△C与△x间呈线性关系

电容式角位移传感器
当θ=0时

C0 ?

? 0? r s0
d0

当θ≠0时

? ? 0? r s0 (1 ? ) ? ? C ?C ? C? 0 0 d0 ?
传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系

变介电常数型电容式传感器
2??H C0 ? D ln d

初始电容

电容与液位的关系为:
2?? 1 h 2?? ( H ? h) 2??H 2?h(? 1 ? ? ) 2?h(? 1 ? ? ) C? ? ? ? ? C0 ? D D D D D ln ln ln ln ln d d d d d

电容式液位传感器

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,R?1M?

2.测量电路

? 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。

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*直流, 但是存在非线性。

3)运放测量电路
? C是电容传感器 ? 低端频响很好,接*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。

4)电桥测量电路
? 用差动三端电容测量精确位 移。d0*衡位置,x向上正 向位移,有 C1=?0?rA/(d0-x), C2=?0?rA/(d0+x)

? 可采用电容电桥测量,输出电压为

? 也 可 采 用 变 压 器 比 率 臂 电 桥 , 放 大 器 电 流 正 比 于 (C1C2)=x(2A?0?r/(d02-x2)),通常x<<d0,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。

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。

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。

1 自感式传感器
线圈自感

L ? N / ? ?li / ? i S i ? ? 2? / ? 0 S
2

?

?

l i ——各段导磁体的长度; U0 ——真空磁导率;

U i——各段导磁体的磁导率; S ——空气隙截面积

S i ——各段导磁体的截面积;δ ——空气隙的厚度;

L ? f ?? , S ?

L ? f1 ?? ?
L ? f 2 ?S ?

变气隙型传感器 变截面型传感器

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 N L? 接,被测物体的位*鹂 R 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。
2 m

L?

N2 Rm

线圈电感:

特点:灵敏度高,非线性误差 N为线圈匝数,Rm为磁路总磁阻。 较大,制作装配比较困难。

N L? Rm

2

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。

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,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。

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。

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。

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。

两个次级绕组的同名端则反向串联。

差动变压器输出电压特性曲线

差动变压器的结构类型

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 83.36mV?G-1 的 灵 敏 度 , 量 程 ±30G,频响0-30Hz。

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。

? 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*衡。

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。

? 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:

e=Blv
l=?dN,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*爸玫取

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。

2.电磁血流计
? 原理:利用血管内流动的* 作为在磁场中运动的“导线”, *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*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为血管内壁半径 ? D为血管内壁直径

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*流量。

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。

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2.5.2 光电传感器

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,脉搏 血氧饱和度传感器,?相机,热成像,光导纤维血 压传感器等。

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

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。

?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。

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。

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。

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。

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。波长0.45-1.1?m。 ?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*,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。

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 要适 当,使输出电压和电流的 乘积最大。

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。

4.光敏三极管
? 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VO =?IpRL ,Ip是 光生电流,因此输出电压与光 照成线性关系。

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 ,在RG 上形成VG,在RL上产生输 出电压。

6.光电传感器的应用实例

?反射型光电式脉搏波传感 器
? *红外单色光在一般组织中的穿透 性比在*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 *反射,到达同侧窗口的光电元 件,实现脉搏波的无创检测。

?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。

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。

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。

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1?a的电流。 ? 其响应时间 < 10ns,电流放大倍数高达106-108。

结构

? K-阴极,A-阳极,Di-倍增极(打拿极) ? Di-Di+1间压差100V

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*姓锒稀

?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

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* ? 还可以进行肾功能放射性同位素检查。

END

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2.5.3 压电传感器

一、压电效应
?1.压电效应: ?某些电介质(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。

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。

? 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
?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。

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q1=d11F1 (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

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

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:

Ct=?A/h
A-电极面积 h-电极间距 ?-压电材料的介电常数

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

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:

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

? 频率特性:高通特性,fc=1/2?RC 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。

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: 1010-12? 输出阻抗<100? 灵敏度与电缆长度无关

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,输出6.27mV ? 放大器输入阻抗要>100M?,响应才能低于20Hz。

?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*鹗舻乃 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。

? 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。

?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。

?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。

?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。

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2.5.4 压阻传感器

? 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。

1 压阻效应
?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

? 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 = (ρij + πijmρ?m) Jj
-πijm 压阻系数 - ?m 应力分量 - 正向电阻率, ρ=ρ11=ρ22=ρ33

- 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

?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πijm 就成为πnm, n,m=1,2,3,…,6

? 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:

π11 π12 π12 0 π12 π11 π12 0 π12 π12 π11 0 0 0 0 π44 0 0 0 0 0 0 0 0 π11 – 纵向压阻系数 π12 – 横向压阻系数 π44 – 切向压阻系数

0 0 0 0 π44 0

0 0 0 0 0 π44

? 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。

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

?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

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。

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,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。

典型的半导体应变传感器

?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(? =2?10-2?· ): cm ?R/R = 120(?L/L)+ 4000(?L/L)2

?N型硅(?=3.1?10-4?· cm):
?R/R = -110(?L/L)+ 10000(?L/L)2

?N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*方项的非线性。

3 测量电路

? 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。

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。
?

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2.5.5 热电传感器

一、 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。

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:

2.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。

2)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。

3)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V1+V2
? 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。

4)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V1-V2 ? 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。

3.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。

铠装热电偶

针状热电偶

BME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 <12?m); ? 响应时间小于1ms; ? 容易制造,可做在注射针管内;
? 采用在石英纤维上真空沉淀两种金属可制成能测细胞内瞬 时温度的微型热电偶,时间常数?s级; ? 缺点:输出电压小,灵敏度低,需要准确的参考温度。 ? 改进:把多个热电偶串接,奇数点都测同一温度,而偶数 点保持在同一参考温度,构成热电堆。能提高灵敏度和增 大输出电压。

二 半导体温度传感器?
1 二极管(PN结)温度传感器
当测温范围在0~150℃时,利用二极管PN结的结电压 随温度的升高而线性下降的基本原理制成二极管温度 传感器。

2 三极管温度传感器
晶体管的基极-发射极电压 u BE 与集电极电流IC随温度 的关系满足下面公式:

u BE

kT ?Tr ? UG0 ? ln q iC

UG0——三极管在绝对温度为 273K时的硅禁带宽度电压 ,约为 1.2V;α、r——由三极管结构决定,与温度无关。保持 Ic为定值 时, BE 与温度T呈*似线性关系,利用这一特性可制成晶体管 温度传感器。

u

晶体管传感器特点:体积小、稳定性好、 价格低廉。
根据半导体的温度特性构成的温度传感器 在医疗器械上得到了广泛的应用,其准确 度主要由显示仪表的读数准确度决定,灵 敏度也是其他类型的传感器难以达到的。

三、热释电传感器
?1.热释电效应
? 某些晶体在温度变化时会发生电极化。均匀加热晶体的某 些方向上会产生等量异号的电荷。冷却晶体时电荷变化与 加热时相反。这称为热释电效应。 ? 由于晶体结构在某些方向上正负电荷重心不重合,产生了 自发极化。 ? 通常,自发极化产生的表面束缚电荷被空气中附集在晶体 表面的自由电荷和晶体内部的自由电荷屏蔽,不显出电矩。 只有温度变化引起的电矩不能被补偿时,晶体两端才表现 出电荷。

热释电效应
? 晶体温度的微小变化?T产生自发极化强度Ps的变化为
?Ps=P?T P是热释电系数矢量 ? 晶体内部自由电荷的*均时间 ?=介电常数?/电导率? 多数热释电晶体 ?=1~1000s

2.热释电探测器
? 人体辐射的红外线经遮 光盘的调制,产生调制 频率为f的红外光。 ? 当f>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*沧暗缂 接上负载电阻,就有电 流流过。

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*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。

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。

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0.1-100?m,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

1.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*似 为:

性 能
? 一组典型的热敏电阻R -T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。

性 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。

3)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

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。

4)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-55-150C°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1~50s之间。

2.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R- T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).

? 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:

3.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*循环。

3.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。

? 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。

2)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:

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0-40C°范围内的最大偏差约为0.15 C°。

4.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*中的O2含 量,就可根据菲克定理计算出血流量:

F?

dm/dt: 氧的消耗 Ca: 动脉血中的氧浓度 Cv: 静脉血中的氧浓度

dt C a ? Cv

dm

? 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。

? 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),注入右心房,在右心室内冷生理盐水 和*完全混合,然后在肺动脉内测量*的温度 变化T(t),根据热量的变化规律测量出血流量。 ? 设*的比重为?B,比热CB,温度TB,则生理盐水 从Ti加热到TB所需要的热量为 Q= Vi·?i·Ci·(TB - Ti)

? 设要测的血流量为F(l,升),则在温度测量点考察dt时间内 热量的变化量dQ:
dQ=F?BCB(TB-T(t))dt

? 代入前面的Q,两边积分,可得到从Ti升温到TB所需的总 热量Q,由Q可进一步计算出血流量F:

F?

Vi ? i Ci (TB ? Ti )

? B C B ? (TB ? T (t ))dt
0

?

? 实际测量系统是一个双导管装置。一个导管端部装上热 敏电阻,通过肱静脉导入,放置到肺动脉中的适当位置。 另一个导管也通过静脉放入到右心房中,用来注入冷的 生理盐水。 ? 临床上常用这种热稀释法测量血流量以确定心输出量。 测量中,导管可以留在测量部位大约24个小时,在这段 时间里可以进行反复多次的测量。 ? 优点: ? 不必刺破动脉。 ? 如果采用染料作指示剂,则不可能实现如此长时间的连 续测量。

5.温度对流式速度传感器
?测量血流和呼吸气流速度
? 测量原理:将一个热敏电阻置于流速场(如血流,呼吸 气流等)中,在热敏电阻上通过电流,对其加热。流体 的流动使热敏电阻上的热量散发,散发掉的热量大小与 流体的速度有关。 ? 设:流过热敏电阻的电流损耗功率为?,电阻的温度变 化为?T,流速为v。则由实验测得:

?

?T

? a ? b log v

a,b为经验常数. 可见流速v越大,温度变化?T越小。 ? 因此,保持所加的功率恒定,通过测量出热敏电阻的阻值 变化(它反映温度的变化),就可求出流速。 ? 当然,也可以设法保持温度不变,测出所需要施加的功 率?的变化,反映流速的大小。

?流速测量传感器
Ru测量热敏传感器 Rt温度补偿热敏电阻 方式1:只能测量流速 方式2:辨别方向方案之一 方式3:辨别方向方案之二




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