几种常见生物医学传感器原理.ppt

LOGO 2.5 2.5 几种常见传感器原理几种常见传感器原理 LOGO 2.5.1 RLC传感器 一、电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器 v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。 v特点：分辨率高(10R，r25R 。 v 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 v 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。 5.应用实例脉象传感器 v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 6.水银橡胶管应变仪传感器 v 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、电容式传感器二、电容式传感器 v1.工作原理 l 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 l 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。 l 上式微分得电容传感器的灵敏度 K=C/x=- 0rS/x2 并得到 dC/C= -dx/x l 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。 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。 S 变极距(）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数( )型: （i）(l) 变极距型电容传感器 非线性关系 若d/d1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 v 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。 v 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。 v 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； v 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；。 v 最后到达阳极，并在RL上形成大约1a的电流。 v 其响应时间 Cc+Ca+Ct v 输入阻抗： 101012 输出阻抗100M，响应才能低于20Hz。 v2）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。 v 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。 v 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 。 v3)加速度型心音传感器 l 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。 l 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。 l 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。 p4）微震颤传感器 l 这也是一个加速度传感 器，压电元件作为振动 接受器。 l 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。 v5）空气传导型脉搏波传感器 l 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 。 LOGO 2.5.4 压阻传感器 p 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。 p 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。 p 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。 p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 p对于各向异性的晶体，此关系要用张量表示： Ei =i 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 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 p 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。 p 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=1,2,3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 p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 p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=1,2,3,6 p 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 p 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 v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。 p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 l 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。 l 形式上，半导体应变元件有粘贴型，非粘贴型，集成型 等几种。 l 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。 l 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 p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 vP型硅（ =210-2cm ）： R/R = 120(L/L)+ 4000(L/L)2 vN型硅（=3.110-4cm）： R/R = -110(L/L)+ 10000(L/L)2 pN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 有效消除平方项的非线性。 3 测量电路 p压阻式传感器最常用的测量电路是惠斯顿电桥。 l 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。 l 供电：可用恒压源，或恒流源给电桥供电。 l 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。 l 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。 l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。 l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。 p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 。 LOGO 2.5.5 热电传感器 一、 金属热电偶传感器 1.温差电现象 v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。 v若把这个回路作为电源，就形成温差电偶或温差 电池。 v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 v 温差电偶中的电势可表示为： v 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。 v 热电灵敏度： 2.热电偶的基本定则 v1）均质回路定则 n 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。 n 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。 n 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 n 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。 n 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。 n 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 n 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V1V2 n 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 n 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V1V2 n 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 v 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。 针状热电偶 铠装热电偶 BME用热电偶的特点： v 受热点面积小，热容量小，可测任一点温度（最小的直径 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。 v在端面上安装电极，并 接上负载电阻，就有电 流流过。 热释电探测器 v 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平衡。 o 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 v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。 v缺点：容易受振动影响，不能对直流信号工作。 v热释电探测器的用途： l 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。 l 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。 l 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 v 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。 v BME应用的热敏电阻，电阻率0.1-100m,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 v常用的负温度系数热敏电阻的电阻温度特性近似 为： 性 能 v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。 v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 v对上式微分后再除以RT可得温度系数： o可见，温度系数是温度T的非线性函数。 3）伏安特性 v 热敏电阻在水中和空气中的伏安特性 lPA线性段，低电 流下呈线性电阻的性 质,V随I增加而增大 ； lA点没有自热时 的最大电流值; lB点电阻增量为0 ，这时,自热温度 环境温度； lC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 l 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； l 空气和水的热阻不同，因 此自热区域也不同； l 在P-B的阶段, 曲线与电 阻坐标交点即它的线性电 阻值； l 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 v 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 v 在-55150C内，功率常数约为0.5-10 mW/C 5）热时间常数 v 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。 v 热敏电阻的热时间常数在150s之间。 2.热敏电阻的线性化 v 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。 v 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). v 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。 v 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 v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： l 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。 l 传染病，体温增加，皮肤发热潮红，体液损失。 l 麻醉时，由于抑制了热调节中枢，使体温下降。 l 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。 l 降低体温，能够减缓代谢和血液循环。 3.温度测量电路 1）惠斯登电桥 v 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。 v 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。 v 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 v 采用运放构成的线性化热敏电阻测量电路： 电路说明： vRs使支路电导对温度的特性线性化； v仅用50mV电压对串联电路供电，可有效消除自热 误差； vRF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； v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。 v系统在040C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 v 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： l O2（浓度测量） 被试连续吸入纯氧，然后测量动脉和静脉血液中的O2含 量，就可根据菲克定理计算出血流量： dm/dt: 氧的消耗 Ca: 动脉血中的氧浓度 Cv: 静脉血中的氧浓度 l 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。 l 热指示剂法（即温度测量法）