第五章物理传感器(压电式热电式)

1、第五章 物理传感器2(压电式、热电式)张麒上海大学通信与信息工程学院5.1压电式传感器5.1.1压电效应压电材料某些晶体某些经过极化处理的陶瓷某些特殊的经极化处理的高分子化合物 正压电效应由于压电材料分子、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 逆压电效应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 压电材料压电晶体天然石英晶体人造石英晶体压电陶瓷由几种氧化物或碳酸盐烧结而成的凝固溶体钛酸钡锆钛酸铅铌酸盐压电系数高，但压电系数稳定性、力学性能不如石英5.1.2 石英晶体的压电特性单晶体结构六角形晶柱电轴x方向施加作用力，在与x方向垂直的平面上将

2、产生电荷Qx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Qy电荷极性由受压力/拉力决定纵向压电效应横向压电效应FxFy石英晶体压电模型图示硅离子与氧离子形成电偶极矩P1、P2、P3石英晶体切片上电荷极性与受力方向关系5.1.3 压电陶瓷的压电特性人造多晶体晶粒有许多自发极化的电畴极化处理之前，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，产生极化电场撤消后，不完全恢复到自发状态，存在剩余极化强度只有经过极化处理后的压电陶瓷才具有压电效应极化后端面上产生正负极性的束缚电荷吸附空气中的自由电荷对外不显电性施加一与极化方向平行的外

3、力陶瓷片发生压缩变形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撤去外力陶瓷片恢复原状，极化强度增大，又吸附自由电荷，出现充电现象5.1.4 压电式传感器等效电路压电传感器可看作一个带有电压源/电荷源的电容器电容Ce和漏电阻Re电缆的等效电容Cc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5.1.5 压电式传感器测量电路(1) 电压放大器(2) 电荷放大器(1) 电压放大器 设 时间常数 转折角频率电压放大器输入电压的幅值分压w高频时(ww1) 与w无关，仅取决于等效电路的参数这

4、就是压电式传感器适用于交变压力测量的主要原因w低频时(w1时(2) 电荷放大器分析Q与UO之间的关系为便于电路分析，将电荷源改为电压源形式高频时当放大器闭环增益足够大电荷放大器的输出电压与交变压力的频率、电缆长度无关5.1.6 压电式传感器的应用举例压电式压力传感器血压测量超声探头（换能器）加速度型压力传感器 F = ma微重力压电晶体生物量测量传感器石英晶体微电平检测凝血酶原时间和血沉5.2 热电式传感器What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Why体温为医生提供了生理状态的重要信息休克感染低温麻醉发炎How?5.2.1热敏电阻式传感器热电阻效应

5、几乎所有物质的电阻率都随温度变化而变化材料金属半导体电阻温度系数5.2.1.1 金属热电阻测温元件要求：良好的线性、稳定性较高电阻率常用金属热电阻材料铂铜铂电阻0630摄氏度-2000摄氏度铜电阻-50150摄氏度测温范围不如铂的大金属热电阻结构形式棒式、笼式、薄片式常用：薄片式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适用于体表温度测量金属热电阻测量电路直流电桥由于铜、铂的电阻值较低，导线电阻值不能忽略采用三线式测量电路当UA=UB时，电桥平衡，调节RP，使5.2.1.2 半导体热敏电阻体积小、灵敏度高、长期稳定性好分类正温度系数(PTC)负温度系数(NTC) 临界温度系数

6、(CTR)PTC/CTR，非线性，只适合于开关状态工作或特定小温度范围工作NTC温度系数-3%-5%比金属的温度系数大10倍稳定度可达0.2%/年450时，电阻-温度符合指数规律电阻温度系数由下式计算半导体热敏电阻的结构半导体热敏电阻的线性化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方法并联网络改善电阻-温度特性串联网络改善电导-温度特性恒流源供电以热敏电阻两端的测量电压作为温度指示(U=IR)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)求出二阶导为零，可推导出RP表达式恒压源供电以热敏电阻的电流作为温度指示(I=

7、UG)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) 求出线性化引起温度系数(灵敏度)减小5.2.1.3 热敏电阻测温电路I0= -RF(I-I0)恒压源供电5.2.1.4 热敏电阻在生物医学测量中的应用口腔型探头口腔、腋、直肠表面型探头体表注射针型探头肌肉、浅表血管内的血液(通常为动物实验)其它心导管端部，测定血液温度装在呼吸传感器内测定呼吸气流温度呼吸率的连续测量微型温度遥测发射机，做成药丸形状，吞服，遥测体内温度5.2.2 热电偶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：只要两结点处的温度不同，一端温度为tA，称为

8、工作端或热端，另一端温度为tB，称为自由端(也称参考端)或冷端，则回路中就有电流产生，即回路中存在电动势，称为热电动势这两种不同导体或半导体的组合称为热电偶例：铜-康铜热电偶 中间温度定律E（t，t0）= E（t，t1）+ E（t1，t0）E为热电偶的电动势t为热端温度， t0为冷端温度t0 t1t， t1称之为中间温度例如：t0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)及上述公式，可求出热端温度t 5.2.3 PN结型温度传感器(1)二级管温度传感器(2)晶体管温度传感器(3)集成电路温度传感

9、器(1)二级管温度传感器二极管伏安特性曲线线性范围较宽，-40100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(2)晶体管温度传感器Vbe和T近似呈线性关系线性工作条件：恒流源(3)集成电路温度传感器将温敏晶体管（一般为差分对管）及其外围电路集成在同一芯片上电压输出型电压与温度近似线性LM135电流输出型电流与温度近似线性AD590例：电炉内部恒温控制5.2.4 非接触式温度测量医用红外热像仪由镜头、红外探测器、信号处理单元、显示器等组成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红外探测器是热像仪的核心又称“热辐射探测器”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热辐射温度检测原理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、热量辐射单位面积辐射的能量W与T有关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只能检测温度差采用斩波器，测量变化的辐射能量基准温度由热敏传感器测量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时序应用场合各部位头、颈、心血管、脊椎、四肢血管、乳腺、前列腺、胃肠道各疾病疼痛、肿瘤、烧伤、放射线灼伤思考题1如下图所示，4.536千克力加在石英片上，（1）试确定石英晶片的输出电压。（2）如作用力激振频率f =4 kH