第五章 物理傳感器2(壓電式_熱電式)

1、上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程第五章第五章 物理傳感器物理傳感器2(壓電式、熱電式壓電式、熱電式)張麒張麒上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海5.1壓電式傳感器壓電式傳感器5.1.1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)u壓電材料n某些晶體n某些經(jīng)過極化處理的陶瓷n某些特殊的經(jīng)極化處理的高分子化合物 u正壓電效應(yīng)n由于壓電材料分子、原子結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱，當(dāng)在這些材料上施加應(yīng)力時(shí)，在材料內(nèi)部的某個(gè)方向上會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng) u逆壓電效應(yīng)n在壓電材料上施加電場(chǎng)后，它會(huì)在某個(gè)方向上產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變 上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海壓電材料壓電材料u壓電晶體n天然石英晶體n人造石英晶體u壓

2、電陶瓷n由幾種氧化物或碳酸鹽燒結(jié)而成的凝固溶體l鈦酸鋇l鋯鈦酸鉛l鈮酸鹽壓電系數(shù)高，但壓電系數(shù)穩(wěn)定性、力學(xué)性能不如石英上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海5.1.2 石英晶體的壓電特性石英晶體的壓電特性u(píng)單晶體結(jié)構(gòu)六角形晶柱上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海u電軸x方向施加作用力，在與x方向垂直的平面上將產(chǎn)生電荷Qxu沿y方向施加作用力，仍在與x方向垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qyu電荷極性由受壓力/拉力決定11xxQd F1211/yyyQda b Fda b F 縱向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)FxFy上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海石英晶體壓電模型圖示石英晶體壓電模型圖示u硅離子

3、與氧離子形成電偶極矩P1、P2、P3上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海石英晶體切片上電荷極性與受力石英晶體切片上電荷極性與受力方向關(guān)系方向關(guān)系上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海5.1.3 壓電陶瓷的壓電特性壓電陶瓷的壓電特性u(píng)人造多晶體u晶粒有許多自發(fā)極化的電疇u極化處理之前，電疇排列方向是任意的，自發(fā)極化作用相互抵消，極化強(qiáng)度為零u施加電場(chǎng)后，電疇自發(fā)極化方向轉(zhuǎn)到與外加電場(chǎng)方向一致，產(chǎn)生極化u電場(chǎng)撤消后，不完全恢復(fù)到自發(fā)狀態(tài)，存在剩余極化強(qiáng)度上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海u只有經(jīng)過極化處理后的壓電陶瓷才具有壓電效應(yīng)u極化后

4、n端面上產(chǎn)生正負(fù)極性的束縛電荷n吸附空氣中的自由電荷n對(duì)外不顯電性u(píng)施加一與極化方向平行的外力n陶瓷片發(fā)生壓縮變形n束縛電荷間距離變小，電疇發(fā)生偏移，極化強(qiáng)度減小，自由電荷釋放，呈現(xiàn)放電現(xiàn)象，放電電荷與外力成正比u撤去外力n陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度增大，又吸附自由電荷，出現(xiàn)充電現(xiàn)象33Qd F上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海5.1.4 壓電式傳感器等效電路壓電式傳感器等效電路u壓電傳感器可看作一個(gè)帶有電壓源/電荷源的電容器u電容Ce和漏電阻Reu電纜的等效電容Ccu放大器輸入電阻RI和輸入電容CIR：Re和RI并聯(lián)的等效電阻C：Cc和CI并聯(lián)的等效電容電壓源形式電荷源形式eQUC上海

5、大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海5.1.5 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路u(1) 電壓放大器u(2) 電荷放大器上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海(1) 電壓放大器電壓放大器 設(shè) 時(shí)間常數(shù) 1111111111sin1111111()1()meeeIeeecIed Fd FQUtCCCRd Fj CUCRRj Cj Cj CRj Cj Rd Fj R CCj Rd Fj R CCC1()1cIeR CCC1111/j Rd Fj 轉(zhuǎn)折角頻率11Im221 () ()mcIed FRURCCC電壓放大器輸入電壓的幅值分壓11211/md FR 上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與

6、測(cè)量”課程 上海uw高頻時(shí)(ww1) 與w無關(guān)，僅取決于等效電路的參數(shù)這就是壓電式傳感器適用于交變壓力測(cè)量的主要原因uw低頻時(shí)(w1時(shí)上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海(2) 電荷放大器電荷放大器u分析Q與UO之間的關(guān)系u為便于電路分析，將電荷源改為電壓源形式u高頻時(shí)n當(dāng)放大器閉環(huán)增益足夠大()(1)OcIeFAQUCCCCAOFQUC電荷放大器的輸出電壓與交變壓力的頻率、電纜長(zhǎng)度無關(guān)上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海5.1.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例壓電式傳感器的應(yīng)用舉例u壓電式壓力傳感器n血壓測(cè)量u超聲探頭（換能器）上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海u加速度型壓力傳

7、感器 F = mau微重力壓電晶體生物量測(cè)量傳感器n石英晶體微電平n檢測(cè)凝血酶原時(shí)間和血沉上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海5.2 熱電式傳感器熱電式傳感器uWhatn利用某些材料的物理、化學(xué)性質(zhì)與溫度有關(guān)的特點(diǎn)，將溫度變化轉(zhuǎn)化為電學(xué)量變化的器件uWhyn體溫為醫(yī)生提供了生理狀態(tài)的重要信息l休克l感染l低溫麻醉l發(fā)炎上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海5.2.1熱敏電阻式傳感器熱敏電阻式傳感器u熱電阻效應(yīng)n幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨溫度變化而變化u材料n金屬n半導(dǎo)體001()TRRTT電阻溫度系數(shù)d1dTTRRT上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)

8、量”課程 上海5.2.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻u測(cè)溫元件要求：n良好的線性、穩(wěn)定性n較高電阻率u常用金屬熱電阻材料n鉑n銅上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海u鉑電阻n0630攝氏度n-2000攝氏度u銅電阻n-50150攝氏度20(1)tRRAtBt2301(100)tRRAtBtC tt2301tRRAtBtCt測(cè)溫范圍不如鉑的大上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海金屬熱電阻結(jié)構(gòu)形式金屬熱電阻結(jié)構(gòu)形式u棒式、籠式、薄片式u常用：薄片式n將電阻絲繞在一特制的云母薄片上，再將其封裝在一特制的保護(hù)套內(nèi)n適用于體表溫度測(cè)量上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海金屬熱電阻測(cè)量電路

9、金屬熱電阻測(cè)量電路u直流電橋u由于銅、鉑的電阻值較低，導(dǎo)線電阻值不能忽略u(píng)采用三線式測(cè)量電路u當(dāng)UA=UB時(shí)，電橋平衡，調(diào)節(jié)RP，使12trRrRP上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海5.2.1.2 半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻u體積小、靈敏度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好u分類n正溫度系數(shù)(PTC)n負(fù)溫度系數(shù)(NTC) n臨界溫度系數(shù)(CTR)nPTC/CTR，非線性，只適合于開關(guān)狀態(tài)工作或特定小溫度范圍工作上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海NTCu溫度系數(shù)n-3%-5%n比金屬的溫度系數(shù)大10倍u穩(wěn)定度可達(dá)0.2%/年u450時(shí)，電阻-溫度符合指數(shù)規(guī)律011()0000lnBTTTTRR

10、 eT TRBTTR電阻溫度系數(shù)由下式計(jì)算2d1dTTRBRTT 上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海半導(dǎo)體熱敏電阻的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體熱敏電阻的結(jié)構(gòu)上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化u當(dāng)所需的溫度量程較大時(shí)，電阻-溫度特性的固有非線性嚴(yán)重影響測(cè)溫精度u方法n并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)改善電阻-溫度特性n串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)改善電導(dǎo)-溫度特性上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海u恒流源供電n以熱敏電阻兩端的測(cè)量電壓作為溫度指示(U=IR)n用一個(gè)經(jīng)過適當(dāng)選擇的電阻RP與RT并聯(lián)進(jìn)行線性化(1)Ti為線性化后的曲線拐點(diǎn)的溫度(2)求出(3)求出/0/0/ /B TPPT

11、B TPR R eRRRRR e011()0iiBTTTRR e二階導(dǎo)為零，可推導(dǎo)出RP表達(dá)式22iiPTiBTRRBT上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海u恒壓源供電n以熱敏電阻的電流作為溫度指示(I=UG)n用一個(gè)經(jīng)過適當(dāng)選擇的電阻GS與RT串聯(lián)進(jìn)行線性化(1)Ti為線性化后的曲線拐點(diǎn)的溫度(2)求出(3) 011()0iiBTTTRR e2222iiiSTiiSTiBTGGBTBTRRBT求出上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海線性化引起溫度系數(shù)線性化引起溫度系數(shù)(靈敏度靈敏度)減小減小22d11d1/11/iiTPTiTPSiTSRBRTTRRBTGG 上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳

12、感器與測(cè)量”課程 上海5.2.1.3 熱敏電阻測(cè)溫電路熱敏電阻測(cè)溫電路I0= -RF(I-I0)恒壓源供電上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海5.2.1.4 熱敏電阻在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量熱敏電阻在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用中的應(yīng)用u口腔型探頭n口腔、腋、直腸u表面型探頭n體表u注射針型探頭n肌肉、淺表血管內(nèi)的血液(通常為動(dòng)物實(shí)驗(yàn))u其它n心導(dǎo)管端部，測(cè)定血液溫度n裝在呼吸傳感器內(nèi)測(cè)定呼吸氣流溫度l呼吸率的連續(xù)測(cè)量n微型溫度遙測(cè)發(fā)射機(jī)，做成藥丸形狀，吞服，遙測(cè)體內(nèi)溫度上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海5.2.2 熱電偶熱電偶u當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)：n只要

13、兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，l一端溫度為tA，稱為工作端或熱端，l另一端溫度為tB，稱為自由端(也稱參考端)或冷端，n則回路中就有電流產(chǎn)生，即回路中存在電動(dòng)勢(shì)，稱為熱電動(dòng)勢(shì)u這兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶u例：銅-康銅熱電偶 上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海中間溫度定律中間溫度定律uE（t，t0）= E（t，t1）+ E（t1，t0）nE為熱電偶的電動(dòng)勢(shì)nt為熱端溫度， t0為冷端溫度nt0 t1t， t1稱之為中間溫度n例如：lt0溫度為0，t1為熱電偶參考端所處溫度（即室溫）， t為熱電偶的熱端溫度l測(cè)出室溫t1及熱電動(dòng)勢(shì)E（t，t1），結(jié)合熱電偶分度表(參考端溫度為0)及上述公

14、式，可求出熱端溫度t 上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海5.2.3 PN結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器u(1)二級(jí)管溫度傳感器u(2)晶體管溫度傳感器u(3)集成電路溫度傳感器上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海(1)二級(jí)管溫度傳感器二級(jí)管溫度傳感器u二極管伏安特性曲線n線性范圍較寬，-40100n上限溫度不能太高，約120 線性工作條件：恒流源溫度與電壓成線性關(guān)系上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海(2)晶體管溫度傳感器晶體管溫度傳感器uVbe和T近似呈線性關(guān)系線性工作條件：恒流源上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海(3)集成

15、電路溫度傳感器集成電路溫度傳感器u將溫敏晶體管（一般為差分對(duì)管）及其外圍電路集成在同一芯片上u電壓輸出型n電壓與溫度近似線性nLM135u電流輸出型n電流與溫度近似線性nAD590n例：電爐內(nèi)部恒溫控制上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海5.2.4 非接觸式溫度測(cè)量非接觸式溫度測(cè)量u醫(yī)用紅外熱像儀n由鏡頭、紅外探測(cè)器、信號(hào)處理單元、顯示器等組成n待測(cè)人或物體發(fā)出的紅外輻射能量經(jīng)紅外探測(cè)器接收后，通過電子線路的放大處理，將熱輻射轉(zhuǎn)換成顯示器上的熱像圖u紅外探測(cè)器是熱像儀的核心n又稱“熱輻射探測(cè)器”n探測(cè)器接收紅外輻射后，引起熱敏元件發(fā)生變化而輸出電信號(hào)上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程

16、上海上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海熱輻射溫度檢測(cè)原理熱輻射溫度檢測(cè)原理u只要溫度高于絕對(duì)零度，物體都有一定波長(zhǎng)的電磁輻射，或者說能量輻射、熱量輻射u單位面積輻射的能量W與T有關(guān)u實(shí)際的紅外探測(cè)器是檢測(cè)輻射能量的變化推算溫度的變化n只能檢測(cè)溫度差n采用斬波器，測(cè)量變化的輻射能量n基準(zhǔn)溫度由熱敏傳感器測(cè)量上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海熱輻射測(cè)量?jī)x構(gòu)成熱輻射測(cè)量?jī)x構(gòu)成斬波器表面基準(zhǔn)溫度被測(cè)物體與斬波器表面溫度差信號(hào)上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海時(shí)序時(shí)序上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用場(chǎng)合u各部位n頭、頸、心血管、脊椎、四肢血管、乳腺、前列腺、胃腸道u各疾病n疼痛、腫瘤、燒傷、放射線灼傷上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 上海思考題思考題1n如下圖所示，4.536千克力加在石英片上，（1