第五章 物理传感器2(压电式_热电式)

1、上海大学“生物医学传感器与测量”课程第五章第五章 物理传感器物理传感器2(压电式、热电式压电式、热电式)张麒张麒上海大学通信与信息工程学院上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海5.1压电式传感器压电式传感器5.1.1压电效应压电效应u压电材料n某些晶体n某些经过极化处理的陶瓷n某些特殊的经极化处理的高分子化合物 u正压电效应n由于压电材料分子、原子结构上的不对称，当在这些材料上施加应力时，在材料内部的某个方向上会产生电场 u逆压电效应n在压电材料上施加电场后，它会在某个方向上产生应力和应变 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海压电材料压电材料u压电晶体n天然石英晶体n人造石英晶体u压

2、电陶瓷n由几种氧化物或碳酸盐烧结而成的凝固溶体l钛酸钡l锆钛酸铅l铌酸盐压电系数高，但压电系数稳定性、力学性能不如石英上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海5.1.2 石英晶体的压电特性石英晶体的压电特性u单晶体结构六角形晶柱上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海u电轴x方向施加作用力，在与x方向垂直的平面上将产生电荷Qxu沿y方向施加作用力，仍在与x方向垂直的平面上产生电荷Qyu电荷极性由受压力/拉力决定11xxQd F1211/yyyQda b Fda b F 纵向压电效应横向压电效应FxFy上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海石英晶体压电模型图示石英晶体压电模型图示u硅离子

3、与氧离子形成电偶极矩P1、P2、P3上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海石英晶体切片上电荷极性与受力石英晶体切片上电荷极性与受力方向关系方向关系上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海5.1.3 压电陶瓷的压电特性压电陶瓷的压电特性u人造多晶体u晶粒有许多自发极化的电畴u极化处理之前，电畴排列方向是任意的，自发极化作用相互抵消，极化强度为零u施加电场后，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，产生极化u电场撤消后，不完全恢复到自发状态，存在剩余极化强度上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海u只有经过极化处理后的压电陶瓷才具有压电效应u极化后

4、n端面上产生正负极性的束缚电荷n吸附空气中的自由电荷n对外不显电性u施加一与极化方向平行的外力n陶瓷片发生压缩变形n束缚电荷间距离变小，电畴发生偏移，极化强度减小，自由电荷释放，呈现放电现象，放电电荷与外力成正比u撤去外力n陶瓷片恢复原状，极化强度增大，又吸附自由电荷，出现充电现象33Qd F上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海5.1.4 压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路u压电传感器可看作一个带有电压源/电荷源的电容器u电容Ce和漏电阻Reu电缆的等效电容Ccu放大器输入电阻RI和输入电容CIR：Re和RI并联的等效电阻C：Cc和CI并联的等效电容电压源形式电荷源形式eQUC上海

5、大学“生物医学传感器与测量”课程 上海5.1.5 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路u(1) 电压放大器u(2) 电荷放大器上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海(1) 电压放大器电压放大器 设 时间常数 1111111111sin1111111()1()meeeIeeecIed Fd FQUtCCCRd Fj CUCRRj Cj Cj CRj Cj Rd Fj R CCj Rd Fj R CCC1()1cIeR CCC1111/j Rd Fj 转折角频率11Im221 () ()mcIed FRURCCC电压放大器输入电压的幅值分压11211/md FR 上海大学“生物医学传感器与

6、测量”课程 上海uw高频时(ww1) 与w无关，仅取决于等效电路的参数这就是压电式传感器适用于交变压力测量的主要原因uw低频时(w1时上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海(2) 电荷放大器电荷放大器u分析Q与UO之间的关系u为便于电路分析，将电荷源改为电压源形式u高频时n当放大器闭环增益足够大()(1)OcIeFAQUCCCCAOFQUC电荷放大器的输出电压与交变压力的频率、电缆长度无关上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海5.1.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例u压电式压力传感器n血压测量u超声探头（换能器）上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海u加速度型压力传

7、感器 F = mau微重力压电晶体生物量测量传感器n石英晶体微电平n检测凝血酶原时间和血沉上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海5.2 热电式传感器热电式传感器uWhatn利用某些材料的物理、化学性质与温度有关的特点，将温度变化转化为电学量变化的器件uWhyn体温为医生提供了生理状态的重要信息l休克l感染l低温麻醉l发炎上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海5.2.1热敏电阻式传感器热敏电阻式传感器u热电阻效应n几乎所有物质的电阻率都随温度变化而变化u材料n金属n半导体001()TRRTT电阻温度系数d1dTTRRT上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海上海大学“生物医学传感器与测

8、量”课程 上海5.2.1.1 金属热电阻金属热电阻u测温元件要求：n良好的线性、稳定性n较高电阻率u常用金属热电阻材料n铂n铜上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海u铂电阻n0630摄氏度n-2000摄氏度u铜电阻n-50150摄氏度20(1)tRRAtBt2301(100)tRRAtBtC tt2301tRRAtBtCt测温范围不如铂的大上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海金属热电阻结构形式金属热电阻结构形式u棒式、笼式、薄片式u常用：薄片式n将电阻丝绕在一特制的云母薄片上，再将其封装在一特制的保护套内n适用于体表温度测量上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海金属热电阻测量电路

9、金属热电阻测量电路u直流电桥u由于铜、铂的电阻值较低，导线电阻值不能忽略u采用三线式测量电路u当UA=UB时，电桥平衡，调节RP，使12trRrRP上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海5.2.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻u体积小、灵敏度高、长期稳定性好u分类n正温度系数(PTC)n负温度系数(NTC) n临界温度系数(CTR)nPTC/CTR，非线性，只适合于开关状态工作或特定小温度范围工作上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海NTCu温度系数n-3%-5%n比金属的温度系数大10倍u稳定度可达0.2%/年u450时，电阻-温度符合指数规律011()0000lnBTTTTRR

10、 eT TRBTTR电阻温度系数由下式计算2d1dTTRBRTT 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海半导体热敏电阻的结构半导体热敏电阻的结构上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海半导体热敏电阻的线性化半导体热敏电阻的线性化u当所需的温度量程较大时，电阻-温度特性的固有非线性严重影响测温精度u方法n并联网络改善电阻-温度特性n串联网络改善电导-温度特性上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海u恒流源供电n以热敏电阻两端的测量电压作为温度指示(U=IR)n用一个经过适当选择的电阻RP与RT并联进行线性化(1)Ti为线性化后的曲线拐点的温度(2)求出(3)求出/0/0/ /B TPPT

11、B TPR R eRRRRR e011()0iiBTTTRR e二阶导为零，可推导出RP表达式22iiPTiBTRRBT上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海u恒压源供电n以热敏电阻的电流作为温度指示(I=UG)n用一个经过适当选择的电阻GS与RT串联进行线性化(1)Ti为线性化后的曲线拐点的温度(2)求出(3) 011()0iiBTTTRR e2222iiiSTiiSTiBTGGBTBTRRBT求出上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海线性化引起温度系数线性化引起温度系数(灵敏度灵敏度)减小减小22d11d1/11/iiTPTiTPSiTSRBRTTRRBTGG 上海大学“生物医学传

12、感器与测量”课程 上海5.2.1.3 热敏电阻测温电路热敏电阻测温电路I0= -RF(I-I0)恒压源供电上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海5.2.1.4 热敏电阻在生物医学测量热敏电阻在生物医学测量中的应用中的应用u口腔型探头n口腔、腋、直肠u表面型探头n体表u注射针型探头n肌肉、浅表血管内的血液(通常为动物实验)u其它n心导管端部，测定血液温度n装在呼吸传感器内测定呼吸气流温度l呼吸率的连续测量n微型温度遥测发射机，做成药丸形状，吞服，遥测体内温度上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海5.2.2 热电偶热电偶u当两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时：n只要

13、两结点处的温度不同，l一端温度为tA，称为工作端或热端，l另一端温度为tB，称为自由端(也称参考端)或冷端，n则回路中就有电流产生，即回路中存在电动势，称为热电动势u这两种不同导体或半导体的组合称为热电偶u例：铜-康铜热电偶 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海中间温度定律中间温度定律uE（t，t0）= E（t，t1）+ E（t1，t0）nE为热电偶的电动势nt为热端温度， t0为冷端温度nt0 t1t， t1称之为中间温度n例如：lt0温度为0，t1为热电偶参考端所处温度（即室温）， t为热电偶的热端温度l测出室温t1及热电动势E（t，t1），结合热电偶分度表(参考端温度为0)及上述公

14、式，可求出热端温度t 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海5.2.3 PN结型温度传感器结型温度传感器u(1)二级管温度传感器u(2)晶体管温度传感器u(3)集成电路温度传感器上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海(1)二级管温度传感器二级管温度传感器u二极管伏安特性曲线n线性范围较宽，-40100n上限温度不能太高，约120 线性工作条件：恒流源温度与电压成线性关系上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海(2)晶体管温度传感器晶体管温度传感器uVbe和T近似呈线性关系线性工作条件：恒流源上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海(3)集成

15、电路温度传感器集成电路温度传感器u将温敏晶体管（一般为差分对管）及其外围电路集成在同一芯片上u电压输出型n电压与温度近似线性nLM135u电流输出型n电流与温度近似线性nAD590n例：电炉内部恒温控制上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海5.2.4 非接触式温度测量非接触式温度测量u医用红外热像仪n由镜头、红外探测器、信号处理单元、显示器等组成n待测人或物体发出的红外辐射能量经红外探测器接收后，通过电子线路的放大处理，将热辐射转换成显示器上的热像图u红外探测器是热像仪的核心n又称“热辐射探测器”n探测器接收红外辐射后，引起热敏元件发生变化而输出电信号上海大学“生物医学传感器与测量”课程

16、上海上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海热辐射温度检测原理热辐射温度检测原理u只要温度高于绝对零度，物体都有一定波长的电磁辐射，或者说能量辐射、热量辐射u单位面积辐射的能量W与T有关u实际的红外探测器是检测辐射能量的变化推算温度的变化n只能检测温度差n采用斩波器，测量变化的辐射能量n基准温度由热敏传感器测量上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海热辐射测量仪构成热辐射测量仪构成斩波器表面基准温度被测物体与斩波器表面温度差信号上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海时序时序上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海应用场合应用场合u各部位n头、颈、心血管、脊椎、四肢血管、乳腺、前列腺、胃肠道u各疾病n疼痛、肿瘤、烧伤、放射线灼伤上海大学“生物医学传感器与测量”课程 上海思考题思考题1n如下图所示，4.536千克力加在石英片上，（1