第3章 電阻式傳感器-醫(yī)學傳感器

1、Page 2醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室導論導論u 作用：作用： 將生物體的一些非電量生理參數(shù)（如位移、振動、將生物體的一些非電量生理參數(shù)（如位移、振動、加速度、力加速度、力）轉換為電阻的變化，進而形）轉換為電阻的變化，進而形成相關電學參量的變化，從而得到所需的電學量。成相關電學參量的變化，從而得到所需的電學量。u 種類：種類：n 金屬應變片型。是用金屬絲或金屬箔作為敏感元金屬應變片型。是用金屬絲或金屬箔作為敏感元件制成的片狀傳感器。件制成的片狀傳感器。n 半導體擴散型壓阻傳感器。是以半導體膜片上擴半導體擴散型壓阻傳感器。是以半導體膜片上擴散成電阻的方法制成的。散成電阻的方法制成的。Page

2、3醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室第一節(jié)第一節(jié) 金屬應變片式傳感器金屬應變片式傳感器一、金屬應變效應一、金屬應變效應1.應力：應力：AAF繞受力面一點；截面取一微小面積； 上所受的力；垂直截面的應力分量；與截面相切的應力分量。APage 4醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室2.應變應變?yōu)檠芯糠奖闳∈芰w中任意一點取一個微小的正六面體。為研究方便取受力體中任意一點取一個微小的正六面體。平均應變：平均應變：xla延延x方向的應變：方向的應變：xlxax00limlimPage 5醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室3.應變效應應變效應n 電阻應變效應：當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時其電阻值將發(fā)生變化AlRF l

3、、A 、 R兩邊取對數(shù)：AARdldlddRAlRlnlnlnln兩邊求導：Page 6醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n 式中 是長度相對變化量，用金屬電阻絲的軸向應變表示，數(shù)值一般很小表達式為：n A/A為圓形電阻絲的截面積相對變化量，即：llllrrAA2Page 7醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n 由材料力學可知，在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，那么軸向應變和徑向應變的關系可表示為： 電阻絲材料的泊松比； 一般金屬=0.30.5，負號表示應變方向相反。ldlrdrdldlrdr)21 (n整理得：Page 8醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室drdr)21 (drdrk)21

4、 (0ldln整理得出金屬材料的靈敏度系數(shù)0k因為n 金屬材料的靈敏度系數(shù)受兩個因素影響： 受力后因材料尺寸變化引起的，即 受力后因材料的電阻率發(fā)生改變而引起的，即)21 (dPage 9醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室二、金屬應變片的結構種類二、金屬應變片的結構種類1.基本結構基本結構金屬應變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成，如圖所示:敏感柵是應變片的核心敏感柵是應變片的核心部分，它粘貼在絕緣的部分，它粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起基片上，其上再粘貼起保護作用的覆蓋層，兩保護作用的覆蓋層，兩端焊接引出導線。端焊接引出導線。Page 10醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室2. 種類種類金屬電阻

5、應變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種： 絲式應變計是用電阻絲再一定的應力作用下均勻的按柵狀排列在底基和覆蓋層之間，應變絲的首尾用銅線或銀線引出。Page 11醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室u箔式應變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.003-0.01mm。u 優(yōu)點：散熱條件好，允許通過的電流較大，便于批量生產，可制成各種所需的形狀，如下圖所示：Page 12醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n 薄膜式應變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1m以下的金屬電阻薄膜的敏感柵，最后再加上保護層。n 優(yōu)點：應變靈敏度系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣。Page

6、 13醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室三、金屬應變片的參數(shù)與特性三、金屬應變片的參數(shù)與特性1. 應變片的靈敏系數(shù)應變片的靈敏系數(shù)數(shù)學表達式：數(shù)學表達式： 或或當金屬線材做成電阻應變片后，由于形成了部件，當金屬線材做成電阻應變片后，由于形成了部件，應變片靈敏度系數(shù)應變片靈敏度系數(shù) 與金屬材料的靈敏度系數(shù)與金屬材料的靈敏度系數(shù) 不同，不同， 是小于是小于 的，且通過特定的試驗求得。的，且通過特定的試驗求得。 llrrk/）（其中l(wèi)lkrrkk0k0kPage 14醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室2. 橫向效應和橫向靈敏度橫向效應和橫向靈敏度定義：定義：將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度不變，應變狀態(tài)相同，

7、但由于應變片敏感柵的電阻變化較小，因而其靈敏系數(shù) 較電阻絲的靈敏系 數(shù) 小，這種現(xiàn)象稱為應變片的橫向效應。0kkPage 15醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室 應變片軸向受力及橫向效應應變片軸向受力及橫向效應 n 當將圖2-4所示的應變片粘貼在被測試件上時，由于其敏感柵是由 條長度為 的直線段和 個半徑為 的半圓組成，若該應變片承受軸向應力而產生縱向拉應變 時，則各直線段的電阻將增加，但在半圓弧段則受到從 到 之間變化的應變圓弧段電阻的變化將小于沿軸向安放的同樣長度電阻絲電阻的變化，所以 值減小。rn1l(1)n tttkPage 16醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n 當實際使用應變片的條件與其靈敏

8、系數(shù)k的標定條件不同時，如0.285或受非單向應力狀態(tài)，由于橫向效應的影響，實際 值要改變，如仍按標稱靈敏系數(shù)來進行計算可能造成較大誤差。當不能滿足測量精度要求時，應進行必要的修正。n 橫向效應在圓弧段產生，消除圓弧段即可消除橫向效應。為了減小橫向效應產生的測量誤差，現(xiàn)在一般多采用箔式應變片。Page 17醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室3. 應變片的應變極限應變片的應變極限n 應變計的線性(靈敏系數(shù)為常數(shù))特性，只有在一定的應變限度范圍內才能保持。n 當試件輸入的真實應變超過某一限值時，應變計的輸出特性將出現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達到10%時的真實應變值，稱為應變極限 。應變極限圖如

9、下所示:lim應變極限是衡量應變計測量范圍和過載能力的指標，通常要求 。lim8000 sPage 18醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室4. 機械滯后機械滯后n 機械滯后是指粘貼在試件上的應變計，在恒溫條件下增(加載)、減(卸載)試件應變的過程中，對應同一機械應變所指示應變量(輸出)之差值。Page 19醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室5. 最高工作頻率最高工作頻率應變片的最高工作頻率和應變片線柵的長度有關，它反映了6. 應變片電阻值應變片電阻值n 絕緣電阻是指粘貼的應變片的引線與被測件之間的電阻值。n 通常要求絕緣電阻在 以上。n 絕緣電阻下降將使測量系統(tǒng)的靈敏度降低，使應變片的指示應變產生誤差。n

10、 絕緣電阻取決于粘結劑及基底材料的種類及固化工藝。50 100MPage 20醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室7. 最大工作電流最大工作電流n 最大工作電流是指允許通過應變片而不影響其工作特性的最大電流。n 工作電流大，應變片輸出信號大，靈敏度高，但過大的電流會使應變片過熱，靈敏系數(shù)產生變化，零漂及蠕變增加，甚至燒毀應變片。Page 21醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室8.零漂和蠕變零漂和蠕變n 粘貼在試件上的應變片，在溫度保持恒定沒有機械應變的情況下，電阻值隨時間變化的特性稱為應變片的零漂。n 溫度保持恒定，在承受某一恒定的機械應變時，應變片電阻值隨時間變化而變化的特性稱為應變片的蠕變。Page 2

11、2醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n 蠕變的方向一般與原應變量變化的方向相反。n 蠕變反映了應變計在長時間工作中對時間的穩(wěn)定性，通常要求 。n 引起蠕變的主要原因是，制作應變計時內部產生的內應力和工作中出現(xiàn)的剪應力，使絲柵、基底，尤其是膠層之間產生的“滑移”所致。Page 23醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室9.電阻應變片的溫度特性電阻應變片的溫度特性n 在測量中，應變片電阻隨溫度變化的現(xiàn)象，必然造成誤差，這種誤差為應變片的溫度誤差。n 引起電阻變化的原因：一是應變片的金屬敏感柵電阻本身隨溫度變化；二是因為試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同而造成應變片的附加變形，使得電阻變化。Page 24醫(yī)學儀器

12、教研室醫(yī)學儀器教研室第二節(jié)第二節(jié) 半導體固態(tài)壓阻式傳感器半導體固態(tài)壓阻式傳感器n 壓阻效應：壓阻效應：半導體材料在機械應力的作用下，使得材料半導體材料在機械應力的作用下，使得材料本身的電阻率發(fā)生了較大的變化，這種現(xiàn)象叫做本身的電阻率發(fā)生了較大的變化，這種現(xiàn)象叫做壓阻效壓阻效應應。n 半導體應變元件分類：半導體應變元件分類：n 體型半導體應變片，這種元件和金屬電阻應變片一樣需體型半導體應變片，這種元件和金屬電阻應變片一樣需要膠水粘貼要膠水粘貼 擴散式半導體應變片，這種元件又有兩種形式：一是不擴散式半導體應變片，這種元件又有兩種形式：一是不需要粘貼的片子，入半導體硅膜片，它既是敏感元件，需要粘貼的

13、片子，入半導體硅膜片，它既是敏感元件，又是換能元件；另一種是需要粘貼的片子，這種片子尺又是換能元件；另一種是需要粘貼的片子，這種片子尺寸很小，只能作為換能元件使用。寸很小，只能作為換能元件使用。Page 25醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室一、體型半導體應變片一、體型半導體應變片AARdldlddRn 這個公式同樣適用于體型半導體應變片，與金屬材料這個公式同樣適用于體型半導體應變片，與金屬材料不同的是，金屬材料以形變?yōu)橹鳎床煌氖?，金屬材料以形變?yōu)橹?，?的變化對電的變化對電阻的變化率貢獻最大；而半導體材料則是以電阻率為阻的變化率貢獻最大；而半導體材料則是以電阻率為主，即以主，即以 的變化率對電

14、阻的變化率貢獻最大。的變化率對電阻的變化率貢獻最大。ldldPage 26醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n結構型式及特點結構型式及特點 n主要優(yōu)點主要優(yōu)點 靈敏系數(shù)比金屬電阻應變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍 橫向效應和機械滯后極小 溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應變片差得多 Page 27醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n恒壓源恒壓源n恒流源恒流源)/(0tRRRUURIU0電橋輸出電壓與R / R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。電橋輸出電壓與R成正比，環(huán)境溫度的變化對其沒有影響。Page 28醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室二、擴散式半導體應變片二、擴散式半導體應變片擴散式半導體應變片式隨著近代半導體工藝的發(fā)

15、展而出現(xiàn)的新型元件，例如將P型半導體擴散到N型硅基底上，從而形成一層極薄的導電P型層線條，連接之后就形成了擴散式半導體應變片。Page 29醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n 優(yōu)點: 體積小，結構比較簡單，動態(tài)響應也好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應高，便于生產，成本低。n 測量準確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進行補償。Page 30醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室三、三、 傳感器電路傳感器電路1. 恒壓源供電直流電橋恒壓源供電直流電橋TTTTTT0RRRRR-R)RR-U(R-RRRRR-R)RRU(RURTRT0RRR

16、UU應力所引起的電阻變化；應力所引起的電阻變化；溫度引起的電阻變化。溫度引起的電阻變化。整理得：整理得：可見這種電路是受溫度影響的，可見這種電路是受溫度影響的，電橋輸出和溫度呈非線性關系。電橋輸出和溫度呈非線性關系。Page 31醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室2. 恒流源供電直流電橋恒流源供電直流電橋IIIADCABC21電橋的輸出為RIRRRIRRRIUUTTBD)(21)(210電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比，但與溫度無關，因此測量不受溫度的影響。Page 32醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室3. 溫度補償線路溫度補償線路UR1R2R4R3U0RsRpVD溫度變化而變化，將引

17、起零漂零漂和靈敏度漂移靈敏度漂移 零漂：零漂： 擴散電阻值隨溫度變化靈敏度漂移靈敏度漂移 ：壓阻系數(shù)隨溫度變化零 位 溫 漂 串、并聯(lián)電阻靈敏度溫漂 串聯(lián)二極管串聯(lián)電阻Rs起調零作用并聯(lián)電阻RP起補償作用 End the 2.2Page 33醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室第三節(jié)第三節(jié) 電阻傳感器測量及接口電路電阻傳感器測量及接口電路由于機械應變一般都很小，要把微小應變引起的微小電阻變化測量出來，同時要把電阻相對變化 轉換為電壓或電流的變化。因此需要有專用測量電路用于測量應變變化而引起電阻變化的測量電路，通常采用直流電橋和交流電橋兩種。電橋電路的主要指標是橋路靈敏度、非線性和負載特性，下面具體討論

18、相關原理。Page 34醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室一、直流電橋一、直流電橋311234()oRRUERRRR1直流電橋平衡條件直流電橋平衡條件 為電源，為電源， 為為橋臂電阻，橋臂電阻， 為負載電阻。輸為負載電阻。輸出電壓為：出電壓為：1234,RRRR及ELR311234()oRRUERRRRPage 35醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室43432121RRRRRRRRRLRR43432121RRRRRRRRR如果c,d之間的電阻為：Page 36醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n 若使電橋平衡必須使 n 即電橋的平衡條件是： 或n 這說明欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應相等，或相對兩臂電阻的

19、乘積相等。0I L1423R RR R3124RRRR)R(RRRR(RRRR)(RR(RRRR-RRURRUI214343214321L3241L0）L如果c,d之間有負載電阻 ，則負載電流 為：LILRPage 37醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室2. 直流電橋的靈敏度直流電橋的靈敏度n 設 為電阻應變片， 為電橋固定電阻，這就構成了單臂電橋。n 當產生應變時，若應變片電阻變化為 ，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓 ，則電橋不平衡輸出電壓為：1R234,RRRR0oU 311112344131124113()(1)(1)oRRRUERRRRRRRRRERRRRRRPage 38醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學

20、儀器教研室n 設橋臂比 ，由于 ，分母中 可忽略，并考慮到平衡條件 ，則上式可寫為： n 電橋電壓靈敏度定義為：21RnR11RR121(1)oRnUEnR11/RR3124RRRR0V211(1)UnKERnRPage 39醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n 分析上式可知： 電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應變片允許功耗的限制； 電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。n 當 值確定后，n值取何值時使 最高？由 求 的最大值，得：d/d0VKn VK2V310(1)dKndnnVKPage

21、 40醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n 求得 時， 為最大值。這就是說，在電橋電壓確定后，當 時，電橋電壓靈敏度最高，此時有：n 從上述可知，當電源電壓 和電阻相對變化量n 一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關。14oREURV4EKVK1n 1234RRRR11/RRPage 41醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室3非線性誤差及其補償方法 由式 求出的輸出電壓因略去分母中的 項而得出的是理想值，實際值計算為： 與 的關系非線性，非線性誤差為：121(1)oRnUEnR11/RR1111(1)(1)oRnRUERnnR oU11RR11111ooLoRUURRUnRPa

22、ge 42醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室如果是四等臂電橋，即 ，則對于一般應變片來說，所受應變 通常在 以下，若取應變片靈敏系數(shù) ，則 代入上式計算得非線性誤差為0.5%；若 時， ，則得到非線性誤差為6%，故當非線性誤差不能滿足測量要求時，必須予以消除。1234RRRR1111212LRRRR35 102k 110.01R Rk130k 31 10 110.130R RPage 43醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n 為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電橋 （a）半橋差動 （b）全橋差動n 在試件上安裝兩個工作應變片，一個受拉應變，一個受壓應變，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動電路。Page 44醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n 半橋差動電路輸出電壓為 n 若 ， ， ，則得：n 所以 與 呈線性關系，差動電橋無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度 ，比單臂工作時提高一倍，同時還具有溫度補償作用。112oREUR12RR 12RR34RR oU11R RV2KE311112234()oRRRUERRRRRRPage 45醫(yī)學儀器教研室醫(yī)學儀器教研室n 若將電橋四臂接入四片應變片，如圖(b)所示，即兩個受拉應變，兩個受壓應變，將兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，構成全橋差動電路，若 ，且 ，則：n 此時全橋差動電路不僅