第二章电阻式传感器.ppt

1、第二章 电阻式传感器王王豫、刘文勇老师豫、刘文勇老师生物医学传感器生物医学传感器 本章内容 1. 1. 绪论绪论 2. 2. 金属金属应变式应变式传感器传感器 3. 3. 金属应变片的参数和特性金属应变片的参数和特性 4. 4. 半导体压阻式传感器半导体压阻式传感器 5. 5. 电阻式传感器测量电路电阻式传感器测量电路 6. 6. 电阻式传感器的生物医学应用电阻式传感器的生物医学应用1. 绪 论血压测量 血压：血压：体循环动脉血压简称血压（体循环动脉血压简称血压（blood pressureblood pressure，bpbp）。）。血压是血液在血管内流动时，作用于血管壁的压血压是血液在血管

2、内流动时，作用于血管壁的压力，它是推动血液在血管内流动的动力。力，它是推动血液在血管内流动的动力。收缩压（收缩压（systolic blood pressuresystolic blood pressure，sbpsbp）：心室收：心室收缩，血液从心室流入动脉，此时血液对动脉的压缩，血液从心室流入动脉，此时血液对动脉的压力力舒张压（舒张压（diastolic blood pressurediastolic blood pressure，dbpdbp）：心室舒：心室舒张，动脉血管弹性回缩，血液仍慢慢继续向前流张，动脉血管弹性回缩，血液仍慢慢继续向前流动，但血压下降，此时的压力动，但血压下降，此时

3、的压力1. 绪论血压测量 正常血压：正常血压：理想血压：理想血压：收缩压收缩压 120mmhg120mmhg、舒张压、舒张压 80mmhg80mmhg正常血压：正常血压：收缩压收缩压 139mmhg139mmhg、舒张压、舒张压 ll l底基宽度底基宽度ww：w bw b3. 金属应变片的参数和特性应变片的灵敏系数 应变片的应变片的灵敏轴线灵敏轴线 应变片的纵轴线应变片的纵轴线使用时总是把应变片的灵敏轴线平行于试件使用时总是把应变片的灵敏轴线平行于试件的最大主应变方向的最大主应变方向 应变片的应变片的灵敏度灵敏度k应变片电阻变化率与应变片沿灵敏轴线方向应变片电阻变化率与应变片沿灵敏轴线方向的应

4、变之比，表达式为：的应变之比，表达式为：r rkl lrkrll或或其中其中电阻应变片的灵敏系数电阻应变片的灵敏系数 k 电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数 k0 电阻应变片的横向效应电阻应变片的横向效应3. 金属应变片的参数和特性应变片的灵敏系数 标称灵敏系数标称灵敏系数应变片的灵敏系数是通过实验测定得到的应变片的灵敏系数是通过实验测定得到的应变片的测试实验是消耗性的应变片的测试实验是消耗性的测试实验：受轴向单向力，试件材料为泊松系测试实验：受轴向单向力，试件材料为泊松系数数=0.285=0.285的钢等的钢等从每批的应变片产品中抽取一定的比例（从每批的应变片产品中抽取一定的比例（5%5%）来

5、测定灵敏系数来测定灵敏系数k再取平均值作为这批产品的灵敏系数，即为再取平均值作为这批产品的灵敏系数，即为“标称灵敏系数标称灵敏系数”3. 金属应变片的参数和特性横向效应 定义：定义：将直的金属丝绕成敏感栅后，应变片的电阻变将直的金属丝绕成敏感栅后，应变片的电阻变化将比同等长度的直的金属丝小，因而灵敏系化将比同等长度的直的金属丝小，因而灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应横向效应 原因：原因：圆弧处电阻丝受拉，截面积增大，电阻值减小圆弧处电阻丝受拉，截面积增大，电阻值减小3. 金属应变片的参数和特性横向灵敏系数 应变片对应变片对轴向应变轴向应变的灵敏系数

6、的灵敏系数 时，敏感栅电阻相对变化与时，敏感栅电阻相对变化与 之比之比 应变片对应变片对横向应变横向应变的灵敏系数的灵敏系数 时，敏感栅电阻相对变化与时，敏感栅电阻相对变化与 之比之比 横向灵敏系数横向灵敏系数：表示横向应变对应变片电阻相对变化的影响程度表示横向应变对应变片电阻相对变化的影响程度0yxkxyk0 xyyxckkd()xxyyxxyrkkkcryx d(1)xxxrkckr(1)xkkc 经分析经分析：应变丝圆弧半径越小，基长：应变丝圆弧半径越小，基长l l 越大，横向灵敏系数越小越大，横向灵敏系数越小3. 金属应变片的参数和特性应变片的应变极限 应变特性曲线应变特性曲线应变片的

7、真实应变特性是应变片的真实应变特性是非线性的非线性的应变片的真实应变与指示应变片的真实应变与指示应变之间的关系曲线应变之间的关系曲线 应变极限应变极限应变片指示应变与真实应应变片指示应变与真实应变的相对误差小于规定值变的相对误差小于规定值（一般为（一般为10%10%）时所能达）时所能达到的最大应变值到的最大应变值指真: :经过校准的经过校准的应变仪应变仪 的应变读数的应变读数: :应变片的实际应变值应变片的实际应变值3. 金属应变片的参数和特性机械滞后 定义定义对已安装好的应变片，在恒定对已安装好的应变片，在恒定温度下，加载和卸载过程中同温度下，加载和卸载过程中同样载荷所指示的应变值并不相样载

8、荷所指示的应变值并不相同，其最大差值称为同，其最大差值称为机械滞后机械滞后 原因原因敏感栅材料、底基和粘接剂的敏感栅材料、底基和粘接剂的残余变形残余变形 预防预防对新粘贴的应变片，在正式测对新粘贴的应变片，在正式测量前进行反复的加载、卸载量前进行反复的加载、卸载3 35 5次次3. 金属应变片的参数和特性最高工作频率 动态测量时，应变是以应变波的形式在材料中传动态测量时，应变是以应变波的形式在材料中传播的，其传播速度与声波相同（钢材中为播的，其传播速度与声波相同（钢材中为5000m/s5000m/s） 应变片要响应应变需要一定的时间，即应变片有应变片要响应应变需要一定的时间，即应变片有最高工作

9、频率的限制最高工作频率的限制 最高工作频率与应变片基长有关最高工作频率与应变片基长有关基长基长/mm/mm1235101520最高工作频率最高工作频率/khz/khz25012583.3502516.612.5不同基长对应的最高工作频率（钢材）不同基长对应的最高工作频率（钢材）3. 金属应变片的参数和特性应变片电阻值 应变片在未经安装也不受外力的情况下，于室应变片在未经安装也不受外力的情况下，于室温时测得的电阻值，是使用应变片时应知道的温时测得的电阻值，是使用应变片时应知道的特性参数特性参数 目前应变片的标准名义电阻值通常为：目前应变片的标准名义电阻值通常为：6060 、120 120 、35

10、0 350 、500 500 、1000 1000 。其中。其中120 120 的最的最为常用为常用 应变片在相同的应变片在相同的工作电流下，工作电流下，电阻值越大电阻值越大，允，允许的工作电压就越大，许的工作电压就越大，可提高测量的灵敏度可提高测量的灵敏度3. 金属应变片的参数和特性最大工作电流 指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值 工作电流越大，应变片的输出信号越大，测量灵工作电流越大，应变片的输出信号越大，测量灵敏度越高敏度越高 过大的工作电流会使应变片过热，导致灵敏系数过大的工作电流会使应变片过热，导致灵敏系数变化，零漂和蠕变增加，甚至烧

11、毁应变片变化，零漂和蠕变增加，甚至烧毁应变片 通常允许的电流值在静态测量时取通常允许的电流值在静态测量时取25ma25ma左右，动左右，动态测量时可高态测量时可高一些；箔一些；箔式应变片可达式应变片可达500ma500ma3. 金属应变片的参数和特性零漂和蠕变 零漂零漂已安装好的应变片，在一定温度下，已安装好的应变片，在一定温度下，不承受机不承受机械应变时械应变时，其指示应变随时间而变化的特性，其指示应变随时间而变化的特性，称为该应变片的称为该应变片的零漂零漂 蠕变蠕变在一定温度下，应变片在一定温度下，应变片承受一恒定的机械应变承受一恒定的机械应变时时，指示应变对时间变化的特性，称为应变片，指

12、示应变对时间变化的特性，称为应变片的的蠕变蠕变 衡量衡量应变片对时间的稳定性应变片对时间的稳定性3. 金属应变片的参数和特性应变片的温度特性 应变片的温度误差应变片的温度误差在测量中，应变片的电阻值将随环境温度的变化而变在测量中，应变片的电阻值将随环境温度的变化而变化，由此造成的误差称为化，由此造成的误差称为温度误差温度误差应变片由温度引起的电阻变化与试件应变引起的电阻应变片由温度引起的电阻变化与试件应变引起的电阻变化几乎具有相同的数量级，因此变化几乎具有相同的数量级，因此必须进行补偿必须进行补偿 出现温度误差的原因出现温度误差的原因应变片的金属敏感栅电阻本身随温度变化应变片的金属敏感栅电阻本

13、身随温度变化试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同而造成应变试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同而造成应变片的附加变形使得电阻变化片的附加变形使得电阻变化3. 金属应变片的参数和特性温度误差补偿 桥路补偿法桥路补偿法r r1 1 ：工作应变片，贴在受力件上：工作应变片，贴在受力件上r rb b：补偿应变片，贴在不受力但环境温度相同的材料上：补偿应变片，贴在不受力但环境温度相同的材料上r r1 1和和r rb b接入电桥，并处于相邻的桥臂上，则温度引起的接入电桥，并处于相邻的桥臂上，则温度引起的电阻变化会互相抵消电阻变化会互相抵消3. 金属应变片的参数和特性温度误差补偿 测量弯曲应变时的桥路补偿测

14、量弯曲应变时的桥路补偿r r1 1 ：工作应变片，贴在试件上表面，受拉力：工作应变片，贴在试件上表面，受拉力r rb b：补偿应变片，贴在试件下表面，受绝对值相等符号：补偿应变片，贴在试件下表面，受绝对值相等符号相反的压力相反的压力r r1 1和和r rb b接入电桥，并处于相邻的桥臂上，则使输出增加接入电桥，并处于相邻的桥臂上，则使输出增加一倍，提高输出灵敏度，并补偿了温度误差一倍，提高输出灵敏度，并补偿了温度误差3. 金属应变片的参数和特性4. 半导体压阻式传感器工作原理 压阻效应 定义：定义：半导体材料在机械应力的作用下，材料本身的电阻率半导体材料在机械应力的作用下，材料本身的电阻率发生

15、较大变化的现象，称为发生较大变化的现象，称为压阻效应压阻效应 原理原理晶体在应力作用下，晶格间的载流子（空穴、电子）晶体在应力作用下，晶格间的载流子（空穴、电子）的相互作用发生了变化，原子结构中的导带和价带之的相互作用发生了变化，原子结构中的导带和价带之间的禁带宽度发生了变化，这就影响了导带中载流子间的禁带宽度发生了变化，这就影响了导带中载流子的数目，同时又使载流子的迁移率发生变化，导致晶的数目，同时又使载流子的迁移率发生变化，导致晶体电阻率发生了变化体电阻率发生了变化 4.半导体压阻式传感器半导体应变片的灵敏系数比金半导体应变片的灵敏系数比金属应变片大几十倍至一百多倍属应变片大几十倍至一百多

16、倍压阻效应的公式推导 半导体晶片压阻效应的半导体晶片压阻效应的方向性很强方向性很强，在某一晶格，在某一晶格方向上压阻效应最显著，而其他方向上压阻效应方向上压阻效应最显著，而其他方向上压阻效应较小或不会出现较小或不会出现 半导体应变片的压阻效应是指：在轴向受力时，半导体应变片的压阻效应是指：在轴向受力时，其电阻率其电阻率的变化的变化12drdr =de 12e =drer =sdr rke：半导体材：半导体材料的压阻系数料的压阻系数e：杨氏模量：杨氏模量ks：半导体应变：半导体应变片的灵敏系数片的灵敏系数4.半导体压阻式传感器半导体应变片的特点 灵敏系数高灵敏系数高半导体应变片的灵敏系数：半导体

17、应变片的灵敏系数：5050200200（金属应（金属应变片的灵敏系数：变片的灵敏系数：1 14 4） 体积小、机械滞后低体积小、机械滞后低 横向效应小横向效应小半导体晶体的压阻效应具有方向性（半导体晶体的压阻效应具有方向性（定向灵敏定向灵敏） 温度系数大，应变时非线性比较大温度系数大，应变时非线性比较大4.半导体压阻式传感器半导体应变片的分类体型半导体应变片体型半导体应变片扩散式半导体应变片扩散式半导体应变片半导体应变片半导体应变片体型半导体应变片：体型半导体应变片：需要胶水粘贴需要胶水粘贴扩散式半导体应变片：扩散式半导体应变片：有两种型式，一种本身既是敏有两种型式，一种本身既是敏 感元件，又

18、是换能元件，无需粘贴；另一种尺寸很感元件，又是换能元件，无需粘贴；另一种尺寸很 小，需要粘贴，只能做换能元件小，需要粘贴，只能做换能元件4.半导体压阻式传感器体型半导体应变片 基本基本结构结构采用采用p p型或型或n n型硅材料，按其压阻效应最强的型硅材料，按其压阻效应最强的方向切割成厚度为方向切割成厚度为0.020.020.05mm0.05mm，宽度为，宽度为0.20.20.5mm0.5mm，长度为几，长度为几mmmm的薄片，作为半导体条的薄片，作为半导体条再配上底基、引线及覆盖层再配上底基、引线及覆盖层4.半导体压阻式传感器扩散式半导体应变片 典型结构典型结构是随着近代半导体工艺的发展而出

19、现的新型元件是随着近代半导体工艺的发展而出现的新型元件将将p p型半导体扩散到型半导体扩散到n n型硅底基上，形成一层极薄的导电型硅底基上，形成一层极薄的导电p p型线条，连接引线后形成扩散式半导体应变片，通常简型线条，连接引线后形成扩散式半导体应变片，通常简称称压敏电阻片压敏电阻片可直接制作成敏感和换能元件，摆脱粘贴工艺，因此扩可直接制作成敏感和换能元件，摆脱粘贴工艺，因此扩散式应变片在压力测量中得到广泛的应用散式应变片在压力测量中得到广泛的应用4.半导体压阻式传感器5.电阻式传感器测量电路直流电桥电路 直流惠斯登电桥直流惠斯登电桥r r1 1：测量臂：测量臂r r2 2、r r3 3、r

20、r4 4：已知数值的固定电阻：已知数值的固定电阻u u：直流源：直流源c c、d d之间为输出端，接入检流计之间为输出端，接入检流计5. 电阻式传感器测量电路电桥平衡电桥平衡：调整：调整r r2 2、r r3 3、r r4 4，使，使c c、d d之间电势差为之间电势差为0 0，即检流计中无电流，即检流计中无电流通过，此时电桥达到平衡状态。通过，此时电桥达到平衡状态。电桥平衡条件电桥平衡条件：1423r rr r3124rrrr直流电桥电路分析 戴维宁（戴维南）定理戴维宁（戴维南）定理：一个含独立电源、线性电阻一个含独立电源、线性电阻和受控源的一端口，可以用一个电压源和电阻的串联组合和受控源的

21、一端口，可以用一个电压源和电阻的串联组合等效置换，此电压源电压等于端口开路电压，电阻等于一等效置换，此电压源电压等于端口开路电压，电阻等于一端口全部独立电源置零后的输入电阻。端口全部独立电源置零后的输入电阻。 直流电桥电路的等效变换直流电桥电路的等效变换5. 电阻式传感器测量电路直流电桥电路分析 开路电压开路电压u u0 0的计算：的计算： 等效电阻等效电阻r r0 0的计算的计算3101234rruuurrrr341201234r rr rrrrrr5. 电阻式传感器测量电路直流电桥电路分析 电桥输出电流计算电桥输出电流计算（直流电桥特性方程直流电桥特性方程）0142301234123434

22、12-()()()()fffur r r riurrrrrrrr r rrr r rr1423r rr r3124rrrr电桥平衡条件电桥平衡条件：0fi 5. 电阻式传感器测量电路直流电桥输出分析 若被测应变较大，不用放大器，则电桥若被测应变较大，不用放大器，则电桥直接以电直接以电流形式输出流形式输出。为使电桥输出功率最大，依据阻抗。为使电桥输出功率最大，依据阻抗匹配原理，应使输出阻抗匹配原理，应使输出阻抗r r0 0和和r rf f负载相等负载相等 一般电桥的输出端需接放大器，放大器的内阻很一般电桥的输出端需接放大器，放大器的内阻很高，则电桥的输出端相当于开路，此时电桥高，则电桥的输出端相

23、当于开路，此时电桥输出输出开路电压开路电压341201234fr rr rrrrrrr142312343412-2()()fr r r ruir r rrr r rr即：即：则输出为：则输出为：3101234frruuurrrr5. 电阻式传感器测量电路直流电桥输出分析 直流电桥的实际输出（电压输出）直流电桥的实际输出（电压输出）测量臂测量臂r r1 1由应变引起电阻变化：由应变引起电阻变化：r r1 1电桥平衡被打破，产生微小的输出电压电桥平衡被打破，产生微小的输出电压输出电压经放大器放大，得到输出信号输出电压经放大器放大，得到输出信号141331101123412411311frrrrrr

24、ruuuurrrrrrrrrrr设设桥臂比桥臂比：2413rrnrr又：又：11rr1211frnuurn1144fruuukr1n 等臂电桥等臂电桥5. 电阻式传感器测量电路直流电桥的实际测量方法 偏位法偏位法在输出电流表上直接刻出在输出电流表上直接刻出r r或或值，读数受电源电压值，读数受电源电压变化的影响，变化的影响，适用于动态测量适用于动态测量。 零位法零位法在电桥中接入可变电阻在电桥中接入可变电阻r r，当电桥不，当电桥不平衡时，调节平衡时，调节r r使电桥重新平衡，在使电桥重新平衡，在可变电阻上刻出应变值。读数与电可变电阻上刻出应变值。读数与电源电压无关，测量精度高，但操作源电压无

25、关，测量精度高，但操作复杂，复杂，适用于静态测量适用于静态测量。14230rrrrrrr略去略去 r r r r项得：项得：2rrk r 2 rkr5. 电阻式传感器测量电路直流电桥的灵敏度 定义定义电桥输出与电桥测量臂电阻相对变化率之比电桥输出与电桥测量臂电阻相对变化率之比 灵敏度分析（电压灵敏度）灵敏度分析（电压灵敏度）电压灵敏度电压灵敏度：fuusr r电流灵敏度电流灵敏度：fiisr r21fuuunsr rnu u一定时，求电压一定时，求电压灵敏度最大值：灵敏度最大值：0usn1n max4uuss su u与与u u成正比，但成正比，但u u增大会导致增大会导致电桥功耗增大，且电桥

26、功耗增大，且u u通常不能任通常不能任意增加意增加5. 电阻式传感器测量电路恒压源供电直流电桥 把扩散式压敏电阻接成惠斯登全桥把扩散式压敏电阻接成惠斯登全桥把电阻值增大的把电阻值增大的2 2个电阻对接，电阻值减小的个电阻对接，电阻值减小的2 2个电阻个电阻对接，使电桥输出灵敏度最大对接，使电桥输出灵敏度最大 r r：电阻增量：电阻增量 r rt t：电阻随温度的变化量：电阻随温度的变化量0()()ttttttu rrrurrrrrru rrrrrrrrr0truurr0ruur0tr5. 电阻式传感器测量电路恒流源供电直流电桥 设电桥两支路电阻相等设电桥两支路电阻相等2()acbadbtrrr

27、r12acbadbiii电桥输出为：电桥输出为：011()()22ttui rrri rrr 0ui r 电桥输出与电桥输出与 r r成正比，也与电流成正比，也与电流源电流成正比，而不受温度的影响源电流成正比，而不受温度的影响5. 电阻式传感器测量电路灵敏度与温度的关系 恒压源恒压源供电时供电时灵敏度受温度的影响较大灵敏度受温度的影响较大 恒流源恒流源供电时供电时灵敏度受温度的影响较小灵敏度受温度的影响较小 电桥输出灵敏度与温度关系曲线电桥输出灵敏度与温度关系曲线5. 电阻式传感器测量电路差动式直流电桥 采用差动式电桥可以提高电桥的灵敏度采用差动式电桥可以提高电桥的灵敏度差动式半桥电路差动式半

28、桥电路123412rrrrrrrr usu差动式全桥电路差动式全桥电路12341234rrrrrrrrrr 2uus5. 电阻式传感器测量电路直流电桥的零位补偿 零位输出：零位输出：仪器在输入信号为零时的输出，理想状态为仪器在输入信号为零时的输出，理想状态为0 0 直流电桥的零位输出：直流电桥的零位输出：桥臂阻值不可能完全相等，所以桥臂阻值不可能完全相等，所以 零位输出零位输出0 0，经常需要对零位输出进行补偿。，经常需要对零位输出进行补偿。小电阻串联零位补偿：小电阻串联零位补偿：适用适用于桥臂电阻小的直流电桥于桥臂电阻小的直流电桥大电阻串联零位补偿：大电阻串联零位补偿：适用适用于桥臂电阻较大

29、的直流电桥于桥臂电阻较大的直流电桥5. 电阻式传感器测量电路直流电桥的零位补偿并联零位补偿：并联零位补偿：零位调节方便、稳定，多用于仪器的零位补偿零位调节方便、稳定，多用于仪器的零位补偿相当于在相当于在r r1 1和和r r3 3上各并上各并联了一个电阻联了一个电阻r r5 5、r r6 6和和r r7 7的作用是使调的作用是使调节过程平缓、稳定；同节过程平缓、稳定；同时起到防止短路的保护时起到防止短路的保护作用作用r r5 5、r r6 6有时可以省略有时可以省略5. 电阻式传感器测量电路直流电桥的零位补偿双桥零位补偿：双桥零位补偿：零位调节精确、稳定，多用于要求较高的仪器零位调节精确、稳定

30、，多用于要求较高的仪器 调节电桥调节电桥ii ii中中的电位计，使的电位计，使电桥电桥ii ii不平衡输不平衡输出，从而用电出，从而用电桥桥ii ii的输出来抵的输出来抵消电桥消电桥i i的零位的零位输出，使整体输出，使整体零位输出为零零位输出为零5. 电阻式传感器测量电路直流电桥的温漂补偿 温度漂移：温度漂移：产生原因复杂，对长时间连续测量产生原因复杂，对长时间连续测量影响较大，对于精密测量，需要进行专门的补偿影响较大，对于精密测量，需要进行专门的补偿热敏补偿法：热敏补偿法：用热敏元件的电阻用热敏元件的电阻变化去补偿桥臂电阻的温度变化变化去补偿桥臂电阻的温度变化非热敏补偿法：非热敏补偿法：通

31、过外接电阻去补通过外接电阻去补偿桥臂电阻的温度变化偿桥臂电阻的温度变化5. 电阻式传感器测量电路直流电桥的灵敏度温漂补偿 灵敏度温漂：灵敏度温漂：普遍存在、原因复杂，通过普遍存在、原因复杂，通过将热将热敏元件串联到电桥输入端敏元件串联到电桥输入端来补偿，提高来补偿，提高输出输出精度精度温度温度，灵敏度，灵敏度电源电压电源电压，输出，输出，灵敏度，灵敏度温度温度 ，灵敏度，灵敏度电源电压电源电压 ，输出，输出 ，灵敏度，灵敏度 一般是把具有负温度系数的二极一般是把具有负温度系数的二极管管pnpn结扩散在电源回路中进行补偿结扩散在电源回路中进行补偿5. 电阻式传感器测量电路直流电桥的非线性补偿 电

32、桥输入电桥输入- - 输出关系的非线性输出关系的非线性电桥线路、元件的非线性、机械结构的非线性电桥线路、元件的非线性、机械结构的非线性通过通过控制电桥电源随输入信号变化控制电桥电源随输入信号变化来补偿来补偿 将一半导体应变片与测量臂将一半导体应变片与测量臂应变片安置在一起，并接入电应变片安置在一起，并接入电桥的输入端，以补偿电桥输出桥的输入端，以补偿电桥输出的非线性。并联的小电阻用于的非线性。并联的小电阻用于控制补偿作用的大小控制补偿作用的大小 进行非线性补偿后，会使电进行非线性补偿后，会使电桥的灵敏度下降，这可通过提桥的灵敏度下降，这可通过提高电源电压来弥补高电源电压来弥补5. 电阻式传感器

33、测量电路直流电桥的标准化补偿 电桥电桥个体间存在灵敏度差异个体间存在灵敏度差异，考虑仪器的互换性，考虑仪器的互换性，需要对电桥的灵敏度作标准化补偿需要对电桥的灵敏度作标准化补偿 r rk k为灵敏度标准化补偿电阻，为灵敏度标准化补偿电阻，通过微调电源实际供给电桥的通过微调电源实际供给电桥的电压，从而达到微调电桥实际电压，从而达到微调电桥实际灵敏度的作用灵敏度的作用 r ri i与电桥的输入电阻并联，与电桥的输入电阻并联，微调微调r ri i可以使电桥的输入电阻可以使电桥的输入电阻达到较好的一致性达到较好的一致性5. 电阻式传感器测量电路直流电桥的实际补偿电路 实际补偿时，往往选择实际补偿时，往

34、往选择误差影响较大的指标误差影响较大的指标，而，而不用对所有指标全部补偿不用对所有指标全部补偿 直流电桥的综合补偿电路直流电桥的综合补偿电路 r rm m ：灵敏度温漂补偿电阻：灵敏度温漂补偿电阻 r rs s ：灵敏度标准化补偿电阻：灵敏度标准化补偿电阻 r rt t ：温漂补偿电阻：温漂补偿电阻 r r0 0 ：零位平衡补偿电阻：零位平衡补偿电阻5. 电阻式传感器测量电路背 景 知 识 运算放大器特性运算放大器特性倒向输入端和非倒向输入端都有输入电压时倒向输入端和非倒向输入端都有输入电压时只有倒向输入端有输入电压时只有倒向输入端有输入电压时只有非倒向输入端有输入电压时只有非倒向输入端有输入

35、电压时a-+ouuuodua uuauouau ouau5. 电阻式传感器测量电路背 景 知 识 运算放大器电路特性运算放大器电路特性倒向输入端和非倒向输入端的输入电流均为倒向输入端和非倒向输入端的输入电流均为0 0，称为称为虚断路虚断路对于公共端，倒向输入端和非倒向输入端的电对于公共端，倒向输入端和非倒向输入端的电压相等，称为压相等，称为虚短路虚短路a-+ouuuiiuu0ii5. 电阻式传感器测量电路典型接口电路a1-+a3-+a2+-a5-+a4-+恒流源恒流源r1r2rp1rp2+vr3r4r5r7r6r8u0应变片应变片1234a a1 1 ：保证稳：保证稳定的电流输出定的电流输出a

36、 a2 2、a a3 3和和a a5 5：构成差动放大构成差动放大电路，放大电电路，放大电桥输出信号桥输出信号a a4 4 ：电压跟：电压跟随器，用于校随器，用于校正电桥的零位正电桥的零位输出输出检测部分的前级电路：检测部分的前级电路：5. 电阻式传感器测量电路典型接口电路分析a1-+恒流源恒流源r1r2iio21ouirui r21oriir保证稳定的电流输出oinuu电压跟随器，用于补偿电桥的零位输出5. 电阻式传感器测量电路典型接口电路数据采集模块：数据采集模块：5. 电阻式传感器测量电路6.电阻式传感器的生物医学应用应变式传感器的医学应用 应变式传感器的医学应用颇为广泛应变式传感器的医

37、学应用颇为广泛测量脉象、脉搏、呼吸流量、血压等测量脉象、脉搏、呼吸流量、血压等6.电阻式传感器的生物医学应用主视图主视图俯视图俯视图一种高灵敏度的血压传感器一种高灵敏度的血压传感器应变式传感器的医学应用 一种高灵敏度的血压传感器一种高灵敏度的血压传感器长条形金属弹簧片构成的长条形金属弹簧片构成的简支梁简支梁弹簧片中心粘贴弹簧片中心粘贴4 4片应变片，上下表面各片应变片，上下表面各2 2片片压力通过一连杆传递到弹簧片，使其挠曲变形压力通过一连杆传递到弹簧片，使其挠曲变形4 4个应变片接成个应变片接成全桥电路全桥电路 高精度的原因：高精度的原因：膜片具有较大的面积，可以把均匀分布于膜片上的压膜片具

38、有较大的面积，可以把均匀分布于膜片上的压力通过连杆集中起来，使弹簧片接收较大的压力信号力通过连杆集中起来，使弹簧片接收较大的压力信号应变片接成全桥，通过差动输出，具有最大的灵敏度应变片接成全桥，通过差动输出，具有最大的灵敏度 该装置还可用于测量该装置还可用于测量颅内压颅内压和和眼压眼压6.电阻式传感器的生物医学应用应变式传感器的医学应用 血管外血压传感器血管外血压传感器将血液压力经导管液柱传送到传感器的圆帽，使压动将血液压力经导管液柱传送到传感器的圆帽，使压动膜片产生位移，并通过连杆带动活动元件运动膜片产生位移，并通过连杆带动活动元件运动活动元件运动使电阻丝活动元件运动使电阻丝r r1 1和和

39、r r4 4伸长，伸长，r r2 2和和r r3 3缩短缩短，从而，从而产生符号相反的电阻变化产生符号相反的电阻变化4 4根应变电阻丝根应变电阻丝接入全桥接入全桥，输出应变信号，最终转换为，输出应变信号，最终转换为血压的大小血压的大小6.电阻式传感器的生物医学应用应变式传感器的医学应用 脉象传感器脉象传感器脉搏波经传感顶子作用脉搏波经传感顶子作用于等强度悬臂梁的自由于等强度悬臂梁的自由端，使之弯曲变形。端，使之弯曲变形。粘贴在梁上、下两面的粘贴在梁上、下两面的应变片接成全桥或半桥，应变片接成全桥或半桥，输出电压波形反映脉搏输出电压波形反映脉搏变化。变化。6.电阻式传感器的生物医学应用压阻式传感

40、器的医学应用 压阻式传感器的特点：压阻式传感器的特点：体积小、精度高、频响范围体积小、精度高、频响范围大大医学医学应用日益广泛应用日益广泛可用于测量血压、胃内压等可用于测量血压、胃内压等还可用于测量指尖、桡骨、手腕等部位的脉还可用于测量指尖、桡骨、手腕等部位的脉搏波等搏波等6.电阻式传感器的生物医学应用压阻式传感器的医学应用 半导体压阻式脉搏传感器半导体压阻式脉搏传感器传感器采用典型传感器采用典型悬臂梁结构悬臂梁结构核心为上、下两片半导体压阻应变片粘贴在条形弹簧片上核心为上、下两片半导体压阻应变片粘贴在条形弹簧片上弹簧片一端固定在基座上，另一端接导杆弹簧片一端固定在基座上，另一端接导杆导杆与敏

41、感膜片相连，组成压力传感器导杆与敏感膜片相连，组成压力传感器6.电阻式传感器的生物医学应用压阻式传感器的医学应用 扩散硅型脉搏传感器扩散硅型脉搏传感器硅膜片上硅膜片上扩散有扩散有4 4个接成全桥的电阻个接成全桥的电阻，引线由导线管引出，引线由导线管引出室内充满硅油，以传递由硅橡胶膜感受到的压力变化室内充满硅油，以传递由硅橡胶膜感受到的压力变化传感器传感器体积小体积小，重量仅重量仅2.5g2.5g，各向异性小各向异性小，重复性好重复性好可用于测量指尖、桡骨、手腕上部等部位的脉搏可用于测量指尖、桡骨、手腕上部等部位的脉搏6.电阻式传感器的生物医学应用压阻式传感器的医学应用 注射针型压阻传感器注射针型压阻传感器扩散硅膜片用半导体工艺制成，可以做得极小，膜片直径扩散硅膜片用半导体工艺制成，可以做得极小，膜片直径小于小于1mm1mm将扩散硅膜片装入注射针头内制成传感器将扩散硅膜片装入注射针头内制成传感器将针头插入血管可以直接测量血压，还可测量胆道压力将针头插入血管可以直接测量血压，还可测量胆道压力6.电阻式传感器的生物医学应用压阻式传感器的医学应用 针型压阻式血压传感器针型压阻式血压传感器外壳为不锈