《生物信息與仿生材料測(cè)試技術(shù)》 課件 第5章 第一節(jié)生物信息采集中的物理量測(cè)試方法

第五章生物信息采集與生物識(shí)別測(cè)試方法生物信息測(cè)試技術(shù)第一節(jié)生物信息采集中的物理量測(cè)試方法一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器物理重量指示表數(shù)值思考：

如何設(shè)計(jì)一個(gè)電子稱？力電信號(hào)應(yīng)變一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器指示表數(shù)值思考：

如何設(shè)計(jì)一個(gè)電子稱？一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器指示表數(shù)值電阻應(yīng)變片的基本原理電阻應(yīng)變片的分類與結(jié)構(gòu)基本測(cè)量電路電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用舉例4一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器指示表數(shù)值5將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，通過測(cè)量電阻值變化達(dá)到測(cè)量非電量的目的。被測(cè)非電量一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器指示表數(shù)值6利用電阻應(yīng)變效應(yīng)做成的傳感器。由電阻應(yīng)變片和測(cè)量電路兩部分組成。核心元件是電阻應(yīng)變片。應(yīng)變式電阻傳感器作為測(cè)力的主要傳感器，測(cè)力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到

0.01—0.1%。彈性元件電阻應(yīng)變片信號(hào)調(diào)節(jié)電路特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、測(cè)量范圍廣、體積小、特性好。是目前測(cè)量力、力矩、壓力、加速度等物理量應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。6一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器指示表數(shù)值對(duì)于一長為L、橫截面積為S、電阻率為ρ的金屬絲，SR

LL2r其電阻值R為：工作原理：金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬絲受到軸向拉力作用時(shí)，金屬絲幾何尺寸變化，引起電阻的相對(duì)變化。這一現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器指示表數(shù)值8取一根細(xì)電阻絲，兩端接上一臺(tái)數(shù)字式歐姆表（分辨率為1/2000）

記下其初始阻值（圖中為10.01

）。當(dāng)我們用力將該電阻絲拉長時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其阻值略有增加（圖中增加到為10.05

）。測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、力的傳感器就是利用類似的原理制作的。應(yīng)變效應(yīng)實(shí)驗(yàn)演示一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器SR

L電阻應(yīng)變片的基本原理當(dāng)電阻絲受到軸向拉力F作用時(shí)，金屬絲幾何尺寸變化引起電阻的相對(duì)變化.全式微分，電阻值相對(duì)變化為:定義應(yīng)變：應(yīng)變是表征物體受外力作用時(shí)產(chǎn)生相對(duì)變形大、小的無量綱物理量。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器SR

L電阻應(yīng)變片的基本原理當(dāng)電阻絲受到軸向拉力F作用時(shí)，金屬絲幾何尺寸變化引起電阻的相對(duì)變化.全式微分，電阻值相對(duì)變化為:定義應(yīng)變：

y

-

xμ

為金屬材料的泊松比,負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。在彈性范圍內(nèi)一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器電阻應(yīng)變片的基本原理一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器彈性敏感元件應(yīng)變片測(cè)量電路被測(cè)非電量電阻應(yīng)變式傳感器的組成一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器電阻應(yīng)變片的分類與結(jié)構(gòu)應(yīng)變片金屬式半導(dǎo)體式金屬絲式金屬箔式薄膜式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器金屬絲式由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。2341bl柵長柵寬一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器34211-敏感柵由金屬細(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)變片的電阻值為60?、120?、200?等多種規(guī)格，以120?最為常用。應(yīng)變片柵長大小關(guān)系到所測(cè)應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。17bl柵長柵寬金屬絲式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器341-敏感柵21對(duì)敏感柵的材料的要求：①應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應(yīng)變片；③電阻溫度系數(shù)要小；④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；⑤在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對(duì)引線材料的熱電勢(shì)小。對(duì)應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇。18金屬絲式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器2341bl柵長柵寬基底2和蓋片3基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵。基底的全長稱為基底長，其寬度稱為基底寬。金屬絲式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器2341引線4是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。對(duì)引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。20金屬絲式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器3421粘結(jié)劑用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂、聚酰亞胺等。無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。21金屬絲式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器打磨清潔表面點(diǎn)膠按壓熱風(fēng)快速固化焊接導(dǎo)線金屬絲式應(yīng)變片的安裝：?jiǎn)畏肿庸枘z或石蠟密封固化后測(cè)試22/v_show/id_XMjkyMzgxMDY4.html?spm=a2h0c.8166622.PhoneSokuUgc_2.dtitle/v_show/id_XNzcyMDI5MzQ4.html?spm=a2h0c.8166622.PhoneSokuUgc_5.dtitle一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器金屬絲式優(yōu)點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：橫向效應(yīng)較大圓弧兩端采用直角鍍銀銅線焊接，減小橫向效應(yīng)，但制作工藝復(fù)雜。金屬絲式逐漸被橫向效應(yīng)小、其他方面性能更優(yōu)越的金屬箔式應(yīng)變片所代替。金屬絲式應(yīng)變片(a)(b)金屬絲式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器橫向效應(yīng)金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變?chǔ)攀姑舾袞烹娮璋l(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變?chǔ)舝也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。應(yīng)變片由于圓弧處感受橫向應(yīng)變而使電阻變化率減小、并使應(yīng)變片靈敏系數(shù)降低的現(xiàn)象，成為橫向效應(yīng)。24金屬絲式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器金屬箔式利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.003~0.010

mm，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器金屬箔式應(yīng)變片和絲式應(yīng)變片相比較，優(yōu)點(diǎn)：①金屬箔柵的端部較寬，橫向效應(yīng)較小，因而提高了應(yīng)變測(cè)量的精度。②箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過較大電流，因而可以輸出較大信號(hào)，提高了測(cè)量靈敏度。③箔柵的尺寸準(zhǔn)確、均勻，且能制成任意形狀，特別是為制造應(yīng)變花和小標(biāo)距應(yīng)變片提供了條件，

從而擴(kuò)大了應(yīng)變片的使用范圍。④便于成批生產(chǎn)。金屬箔式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器電阻應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化很微小。常用電橋電路來精確地測(cè)量微小的電阻變化。直流電橋E為電源，R1、R2、R3、R4為橋臂電阻，Rg為負(fù)載電阻R2R4R1R3RgDE電橋線路原理圖BAC檢流計(jì)應(yīng)變片U0金屬箔式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器當(dāng)Rg→∞時(shí)，可求出檢流計(jì)中電壓U0為：R2R4R1R3RgDE電橋線路原理圖U0BACU0=0時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，平衡條件為：直流電橋

??0

=

????1??

1+

??

2???3??

3+

??

4??1

??4

=??2??3金屬箔式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器R2R4R1R3RgDE電橋線路原理圖U0BAC直流電橋

??0

=

????1??

1+

??

2???3??

3+

??

4當(dāng)應(yīng)變片R1工作時(shí)，其電阻值發(fā)生變化

???1

，其它橋臂阻值不變，電橋不平衡，輸出電壓為：0?? =

?????1+???1 ??3??1+???1+??2 ??3+??4金屬箔式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器R2R4R1R3RgDE電橋線路原理圖U0BAC0?? =

?????1+???1 ??3??1+???1+??2 ??3+??4=????4

???1??3

??1(1+???1+??2)(1+??4)

??1

??1

??3設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于???1?R1，分母中???1/R1可忽略，并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3，上式可寫為：0??

=

????

???1(1+

??)2

??1金屬箔式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器R2R4R1R3RgDE電橋線路原理圖U0BAC電壓靈敏度為：????

=??0???1??1=

E

n

n

1+??2兩點(diǎn)結(jié)論：1、靈敏度正比于電橋供電電壓，電壓越高，靈敏度越高2、靈敏度是橋臂阻值比n的函數(shù)，求導(dǎo)數(shù)，當(dāng)n=1時(shí)，即R1=R2=R3=R4時(shí)（等臂電橋），靈敏度最高，??????

=4金屬箔式一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（一）應(yīng)變式電阻傳感器電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用舉例一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上，利用線圈的自感上或互感的變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置。測(cè)量時(shí)被測(cè)的物理量引起線圈的自感或互感變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化量輸出，它可以用來測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、流量、應(yīng)變等多種物理量。電感式傳感器種類：利用自感原理的自感式傳感器，利用互感原理的差動(dòng)變壓器式傳感器，利用電渦流原理的電渦流式傳感器等。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器1.自感式傳感器----結(jié)構(gòu)和工作原理由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵都由導(dǎo)磁材料制成，在鐵芯和活動(dòng)銜鐵之間有氣隙，氣隙寬度為δ，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙寬度δ發(fā)生變化，導(dǎo)致電感線圈的電感值改變，通過測(cè)量電路測(cè)出其變化量，由此判別被測(cè)位移量的大小自感式傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖匝數(shù)為W的電感線圈的電感量L為：當(dāng)線圈匝數(shù)確定后，只要改變氣隙寬度為δ和氣隙橫截面積A均可導(dǎo)致電感的變化。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器1.自感式傳感器----差動(dòng)E型自感傳感器為了減小非線性，利用兩只完全對(duì)稱的單個(gè)自感傳感器共用一個(gè)活動(dòng)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)自感傳感器。結(jié)構(gòu)特點(diǎn):上下兩個(gè)磁體的幾何尺寸、材料、電氣參數(shù)均完全一致，傳感器的兩只電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂，另外兩個(gè)橋臂由電阻組成，構(gòu)成交流電橋的四個(gè)臂，電橋激勵(lì)電源為,橋路輸出為交流電壓差動(dòng)E型自感傳感器結(jié)構(gòu)原理圖差動(dòng)式自感傳感器的靈敏度，在忽略高次項(xiàng)后得到:一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器1.自感式傳感器----螺線管電感傳感器螺線管電感傳感器由一空心螺線管和位于螺線管內(nèi)的圓柱形鐵芯組成，當(dāng)鐵芯伸入螺線管內(nèi)的長度x發(fā)生變化時(shí)，就引起螺線管自感量L的變化。螺線管電感傳感器原理圖由于螺線管(spiralpipe)的實(shí)際長度是有限的，而且螺線管內(nèi)的磁介質(zhì)又是不均勻的，所以要精確計(jì)算其自感量是困難的，因而一般的工程計(jì)算大都是近似的，其電感量可表示為：螺線管電感傳感器自感量L與鐵芯伸人螺線管內(nèi)長度x間的線形系是作了若干近似后得出的。用于小位移測(cè)量時(shí)，鐵芯可以工作在螺線管的端部，也可工作在中間部分。在大位移檢測(cè)時(shí)，鐵芯通常工作在螺線管的中間部分。增加線圈的匝數(shù)增大鐵芯的直徑，可以提高螺線管電感傳感器的靈敏度。螺線管電感傳感器的線性工作范圍通常比氣隙型電感傳感器的線性工作范圍大。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器2.互感式傳感器----變隙式差動(dòng)變壓器螺線管電感傳感器由一空心螺線管和位于螺線管內(nèi)的圓柱形鐵芯組成，當(dāng)鐵芯伸入螺線管內(nèi)的長度x發(fā)生變化時(shí)，就引起螺線管自感量L的變化。差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)原理Ⅱ型變隙式差動(dòng)變壓器，它由兩個(gè)Ⅱ型鐵芯、一個(gè)活動(dòng)銜鐵及多個(gè)鐵芯線圈組成。動(dòng)變壓器由于存在鐵芯氣隙，是開磁路，且初次級(jí)的互感隨銜鐵位移而變化，差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈的同名端反相串聯(lián)，因此它按差動(dòng)方式工作，輸出電壓為一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器差動(dòng)變壓器的等效電路2.互感式傳感器----變隙式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響）1）當(dāng)銜鐵位于中間位置時(shí)，2）當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，

3）當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，輸出阻抗及模為:一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器2.互感式傳感器----螺線管式差動(dòng)變壓器螺線管式差動(dòng)變壓器由兩個(gè)次級(jí)至圈、一個(gè)初級(jí)線圈、活動(dòng)銜鐵及殼體組成。兩個(gè)次級(jí)線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下，當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓時(shí)，根據(jù)變壓器的工作原理，在兩個(gè)次級(jí)繞組和中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)應(yīng)和。理論上當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始中間平衡位置時(shí)，必然會(huì)使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將有應(yīng)=，。由于變壓器兩次級(jí)繞組反相串聯(lián)，因而，即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，當(dāng)活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)

螺線管式差動(dòng)變壓器等效電路一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零，存在零點(diǎn)殘余電壓，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等引起的。減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)可采取以下方法：①盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)的對(duì)稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。②選用合適的測(cè)量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動(dòng)方向又可改善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。③采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。2.互感式傳感器----螺線管式差動(dòng)變壓器一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器3.電渦流式變換原理--電渦流效應(yīng)

一塊金屬導(dǎo)體放置于一個(gè)扁平線圈附近，相互不接觸.當(dāng)線圈中通有高頻交變電流時(shí)，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng);交變磁場(chǎng)將通過附近的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生電渦流，同時(shí)產(chǎn)生交變磁場(chǎng),

的方向相反,對(duì)

有反作用，從而使線圈中的電流的大小和相位均發(fā)生變化，即線圈中的等效阻抗發(fā)生了變化，這就是電渦流效應(yīng)。電渦流傳感器的等效電路線圈阻抗的變化與電渦流效應(yīng)密切相關(guān)，即與的半徑、激磁電流幅值、頻率、金屬導(dǎo)體的電阻率、導(dǎo)磁率以及線圈到導(dǎo)體的距離x有關(guān)?？刂粕鲜鲞@些可變參數(shù)，只改變其中的一個(gè)參數(shù)，則線圈阻抗的變化就成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)，這就是利用電渦流效應(yīng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的主要原理。利用電渦流效應(yīng)制成的變換元件的優(yōu)點(diǎn)有：靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，不受油污等介質(zhì)的影響，可進(jìn)行非接觸測(cè)量等。測(cè)量位移、振幅、厚度、工件表面粗糙度、導(dǎo)體的溫度、金屬表面裂紋以及材質(zhì)的鑒別等。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器3.電渦流式變換原理--等效電路分析電渦流效應(yīng)等效電路可知由于渦流效應(yīng)的作用，線圈的阻抗由

變成了Z。比較Z0與Z可知：電渦流影響的結(jié)果使等效阻抗z的實(shí)部增大，虛部減少，即等效的品質(zhì)因數(shù)Q值減小了。這樣電渦流將消耗電能，在導(dǎo)體上產(chǎn)生熱量。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器4.測(cè)量電路（1）交流電橋式測(cè)量電路差動(dòng)電感式傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)相鄰橋臂Z1和22，另兩個(gè)相鄰橋臂用純電阻Z3=Z4=R0代替.由交流電源供電，在電橋的另一對(duì)角端即為輸出的交流電壓。初始位置時(shí)，銜鐵處于中間位置，兩邊的氣隙相等，即

，兩只電感線圈的電感量在理論上相等：交流電橋式測(cè)量電路電橋輸出為：由式可知，電橋輸出電壓的幅值大小與銜鐵的相對(duì)移動(dòng)量的大小成正比，當(dāng)

，與相同，反之亦然。該測(cè)量電路可以測(cè)量位移的大小和方向。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器（2）差動(dòng)整流電路變壓器式交流電橋相鄰兩工作臂Z1和Z2是差動(dòng)自感傳感器的兩個(gè)線圈的阻抗，另兩個(gè)臂為交流變壓器次線線圈的1/2阻抗，其每半電壓為

，輸出電壓取自A、B兩點(diǎn)，D點(diǎn)為零電位。設(shè)傳感器線圈為高Q值，即線圈電阻遠(yuǎn)小于其感抗，則：4.測(cè)量電路在初始位置，銜鐵位于中間時(shí)，Z1=Z2=Z，,電橋平衡。當(dāng)銜鐵上移時(shí)，上線圈阻抗增加，下線圈阻抗減小，則有同理，當(dāng)銜鐵下移時(shí)因此，銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓大小相等，極性相反，但由于

是交流電壓，輸出指示無法判斷出位移方向，必須采用相敏檢波器鑒別出輸出電壓極性隨位移方向變化而產(chǎn)生的變化。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器（3）相敏檢波電路

Z1和Z2是差動(dòng)自感傳感器兩個(gè)線圈的電感，作為交流電橋的相鄰工作臂，C1和C2為另兩個(gè)橋臂。D1、D2、D3、D4構(gòu)成相敏整流器，R1、R2、R3和R4為四個(gè)線繞電阻，用于減小溫度誤差，左邊的RW1是調(diào)節(jié)電橋平衡的，右邊的RW2是保護(hù)測(cè)量范圍較小的表頭，輸出信號(hào)由

電壓表指示，C3為濾波電容，供橋電壓由提供，加在A、B點(diǎn)，輸出電壓自C、D取出。4.測(cè)量電路（1）當(dāng)銜鐵位于中間位置時(shí)，Z1=Z2，電橋平衡，UC=UD，輸出為零，電壓表無指示。（2）當(dāng)銜鐵上移，上線圈L1電感增大，下線圈L2電感減小，無論輸入交流電壓為正半周還是負(fù)半周，D點(diǎn)電位總是高于C點(diǎn)，指針正向偏轉(zhuǎn)。（3）當(dāng)銜鐵下移，上線圈L1電感減小，下線圈L2電感增大，無論輸入交流電壓為正半周還是負(fù)半周，D點(diǎn)電位總是低于C點(diǎn)，指針反向偏轉(zhuǎn)。相敏檢波電路既能反映出位移的大小，也能判斷出位移的方向。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器4.測(cè)量電路（4）差動(dòng)整流電路差動(dòng)變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。采用差動(dòng)整流電路進(jìn)行測(cè)量不僅可以得到位移大小，也可以獲知移動(dòng)方向。該電路是根據(jù)半導(dǎo)體二極管單向?qū)щ娫磉M(jìn)行解調(diào)。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，當(dāng)銜鐵處于中間時(shí)，

；當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)

，

；當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，因此可根據(jù)輸出電壓判別銜鐵移動(dòng)方向。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（二）電感式微傳感器5.電感式傳感器的應(yīng)用掌上型電渦流探傷儀

接近開關(guān)轉(zhuǎn)速傳感器電感測(cè)微頭渦流式傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測(cè)量，靈敏度較高，適用性強(qiáng)。①利用位移x作為變換量，可以做成測(cè)量位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開關(guān)、計(jì)數(shù)器等；②利用材料電阻率

作為變換量，可以做成測(cè)量溫度，材質(zhì)判別等傳感器；③利用導(dǎo)磁率

作為變換量，可以做成測(cè)量應(yīng)力，硬度等傳感器；④利用變換量x、

、

等的綜臺(tái)影響，可以做成探傷裝置。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器1.基本工作原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)平行板電容器把兩塊金屬極板用介質(zhì)隔開就構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的電容器。兩金屬極板間具有的電容為：d、S、ε三個(gè)參數(shù)任意一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，電容C都會(huì)隨之變化根據(jù)決定電容C變化的三個(gè)參數(shù)，電容式傳感器可分為變間距型、變面積型、變介電常數(shù)型三種類型。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器1.基本工作原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（1）變間距型電容式傳感器下極板A固定，上極板B為可動(dòng)極板，兩極板間的介電常數(shù)ε和相互遮蓋面積S不變，初始間距為d，則初始電容為：當(dāng)可動(dòng)極板B移動(dòng)△d時(shí)，電容量變化量為：靈敏度為：當(dāng)

，近似呈線性關(guān)系，即傳感器的輸出特性近似為線性，在此條件下，其靈敏度：

①變間距型電容式傳感器的非線性與極板間距d成反比，只有在△d/d很小時(shí)，才有近似的線性輸出，因此，這種傳感器適用于小范圍（微米級(jí)）的位移測(cè)量；②由式（3-40）可知，采用減小初始極板間距d可大幅度提高靈敏度，但d的減小，一是將增大非線性，二是也會(huì)受到電容器擊穿電壓的影響。變間距型電容式傳感器結(jié)構(gòu)一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器1.基本工作原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（1）變間距型電容式傳感器個(gè)極板構(gòu)成了兩個(gè)電容器，上下兩極板固定，中間的極板可以移動(dòng)。設(shè)在初始位置時(shí)，d1=2=d，所構(gòu)成的兩個(gè)電容相等，則動(dòng)極板向下移動(dòng)△d時(shí)差動(dòng)式結(jié)構(gòu)

可以看出差動(dòng)式結(jié)構(gòu)比單電容式傳感器靈敏度提高了一倍，而非線性誤差卻大為減小。與此同時(shí)，采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，還可以減小靜電引力給測(cè)量帶來的影響，并有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器1.基本工作原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（2）變面積型電容式傳感器a)當(dāng)動(dòng)片有一角位移θ時(shí)，兩極板間覆蓋面積就改變，因而改變了兩極板間的電容量變面積型電容式傳感器原理圖角位移式

直線位移式差動(dòng)式角位移式電容式傳感器電容Cθ與角位移θ呈線性關(guān)系b）為直線位移式電容式傳感器的原理圖，兩極板間相互遮蓋面積S=L×b，忽略邊緣效應(yīng)的條件下，設(shè)下板固定，上極板向右平移△L時(shí):

△C與△L呈線性關(guān)系，靈敏度k為一常數(shù)c)差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，注意保證可動(dòng)極板在初始位置與兩個(gè)固定極板構(gòu)成的初始電容C1和C2為相同值。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器1.基本工作原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（3）變介電常數(shù)型電容式傳感器變介電常數(shù)型電容式傳感器是通過改變極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。a)平板形線位移傳感器:當(dāng)電容器內(nèi)無介電常數(shù)為εi的電介質(zhì)時(shí)，電容器的電容為：變介電常數(shù)型電容式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖插入介電常數(shù)為εi的電介質(zhì)后，電容變?yōu)椋弘娙軨與介電常數(shù)為占ε1的電介質(zhì)的位移x呈線性關(guān)系一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器1.基本工作原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)常見物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)物質(zhì)名稱相對(duì)介電常數(shù)εr

物質(zhì)名稱相對(duì)介電常數(shù)εr水80

玻璃3.7甘油47

硫磺3.4甲醇37

瀝青2.7乙二醇35～40

苯2.3乙醇20～25

松節(jié)油3.2白云石8

聚四氟乙烯塑料1.8～2.2鹽6

液氮2醋酸纖維素3.7～7.5

紙2瓷器5～7

液態(tài)二氧化碳1.59米及谷類3～5

液態(tài)空氣1.5纖維素3.9

空氣及其他氣體1～1.2砂3～5

真空1砂糖3

云母6～8一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器2.電容式傳感器的測(cè)量電路（1）調(diào)幅測(cè)量電路：用被測(cè)量調(diào)制測(cè)量電路中輸出量幅度的電路，稱為調(diào)幅測(cè)量電路。配有這種電路的系統(tǒng)，在其電路輸出端取得的是具有調(diào)幅波的電壓信號(hào)，其幅值近似地正比于被測(cè)信號(hào)。最基本且具有代表性的就是交流電橋測(cè)量電路。

設(shè)電橋初始處于平衡狀態(tài)，有當(dāng)被測(cè)量量變化時(shí)，將引起電容式傳感器阻抗Z1變化△Z，電橋失去平衡，根據(jù)分壓原理，可得輸出電壓為：

設(shè)橋臂比并考慮

橋臂系數(shù)傳感器阻抗相對(duì)變化率---實(shí)數(shù)，與△C近似線性交流電橋一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器2.電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器常用的交流電橋電橋設(shè)計(jì)、橋臂元件和參數(shù)值選擇及橋臂的連接方式等方面應(yīng)有如下要求與特點(diǎn)：①為了使橋路平衡，在四個(gè)橋臂中必須接入兩個(gè)電容（一個(gè)單電容式傳感器和一個(gè)固定電容，或接入差動(dòng)型電容式傳感器），另外兩個(gè)橋臂接入其他類阻抗元件，如：兩個(gè)電阻、兩個(gè)電感或兩個(gè)電容；②電容電橋同樣有兩種對(duì)稱形式，即Z1=Z2對(duì)稱（二者同是電容）和Z1=Z3對(duì)稱。交流不平衡電橋不宜作為單電容式傳感器的測(cè)量電路。③對(duì)于Z1、Z2為電容，另外兩臂（Z3、Z4）由任意阻抗元件組成的電橋，輸出相移為零時(shí)，其橋臂系數(shù)的最大值為0.25；當(dāng)電橋的兩臂Z1、Z2為電容式傳感器與電阻時(shí)，其橋臂系數(shù)的最大值為0.5，此時(shí)輸出的信號(hào)有90°的相移；當(dāng)電橋的兩臂Z1、Z2為電容式傳感器與電感時(shí)，橋臂比的相角θ=±180°時(shí)，橋臂系數(shù)達(dá)到最大值，成為諧振電橋，不可用作測(cè)量電路。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器2.電容式傳感器的測(cè)量電路變壓器式交流電橋，使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小。變壓器式交流電橋測(cè)量電路運(yùn)算放大器測(cè)量電路一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器2.電容式傳感器的測(cè)量電路（2）調(diào)頻測(cè)量電路:

用被測(cè)量調(diào)制測(cè)量電路中輸出量頻率的電路，稱為調(diào)頻測(cè)量電路，當(dāng)被測(cè)量沒有變化時(shí)，△C=0，則C=C0+CP+Cg為一常數(shù)，此時(shí)振蕩器的頻率為其固有頻率:電容式傳感器測(cè)量電路在被測(cè)量改變時(shí)，△C≠0，振蕩器頻率隨之有個(gè)相應(yīng)的改變量△f，稱為頻偏。此時(shí)振蕩器的頻率為：當(dāng)輸入量導(dǎo)致傳感器電容發(fā)生改變時(shí)，振蕩器的振蕩頻率f也隨之發(fā)生相應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)了由電容到頻率的轉(zhuǎn)換，由于振蕩器的頻率受到電容式傳感器電容的調(diào)制，故稱為調(diào)頻電路。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器2.電容式傳感器的測(cè)量電路（3）脈沖調(diào)制測(cè)量電路

用被測(cè)量調(diào)制測(cè)量電路中輸出脈沖高度或?qū)挾鹊碾娐?，稱為脈沖調(diào)制測(cè)量電路。基本工作原理是傳感器的電容器充放電時(shí)，電容量的變化使電路輸出的脈沖高度或?qū)挾入S之變化，然后通過低通濾波器，最終得到與被測(cè)量變化相應(yīng)的直流信號(hào)。

二極管T形網(wǎng)絡(luò)

二極管T形網(wǎng)絡(luò)及其等效電路一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器2.電容式傳感器的測(cè)量電路（3）脈沖調(diào)制測(cè)量電路脈沖寬度調(diào)制電路原理圖

脈沖寬度調(diào)制電路波形特點(diǎn)：①雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩輸出端輸出的方波寬度分別取決于Cx1、Cx2的充電時(shí)間。②在R1=R2的條件下：當(dāng)Cx1=Cx2時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的電壓uab只有交流成份，而無直流成份；當(dāng)Cx1≠Cx2時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的電壓uab既有交流成份也有直流成份。③可以適應(yīng)任何類型的差動(dòng)電容式傳感器，且具有很好的線性特性，但對(duì)單電容式傳感器不存在線性關(guān)系。④由于低通濾波器的作用，對(duì)輸出波形純度要求不高，但要求有一電壓穩(wěn)定度較高的直流電源，這比其他測(cè)量電路要求高穩(wěn)定的穩(wěn)頻、穩(wěn)幅交流電源易于做到。⑤該測(cè)量電路便于與傳感器做在一起，從而使傳輸誤差和導(dǎo)線分布電容的影響大為減小。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器3.電容式傳感器的誤差分析（1）等效電路

：C為傳感器的電容；Rp為損耗并聯(lián)電阻，它包含電容極板間的漏電和介質(zhì)損耗；Rs是由引線、極板和金屬支座等引起的串聯(lián)損耗電阻；Ls是傳感器接線端之間的電流回路的總電感；Cp為寄生電容，與傳感器電容并聯(lián)，在分析時(shí)可視為含于傳感器電容C之中。由于傳感器并聯(lián)電阻Rp一般都很大，而Rs又相對(duì)較小，則該等效電路的等效電容可表示為：則電容的實(shí)際相對(duì)變化量為：電容式傳感器的等效電路

①電容轉(zhuǎn)換元件的實(shí)際相對(duì)電容變化量與轉(zhuǎn)換元件的固有電感（包括引線、電纜等的電感）有關(guān)，因而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需保持電容式傳感器的標(biāo)定和測(cè)量在相同條件下進(jìn)行，即要求線路中導(dǎo)線實(shí)際長度等條件在測(cè)試和標(biāo)定時(shí)必須保持一定；②由于等效電路有一諧振頻率，在激勵(lì)信號(hào)頻率接近或等于諧振頻率時(shí)將破壞電容的正常作用，因此，只有在激勵(lì)信號(hào)頻率遠(yuǎn)離諧振頻率時(shí)，才能獲得電容式傳感元件的正常工作；③電容式傳感器的電容C和Ls一般都很小，因而其諧振頻率f0一般很大（幾十兆赫茲以上）,故在激勵(lì)信號(hào)頻率較低時(shí),電容傳感元件本身才可用純電容表示。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器3.電容式傳感器的誤差分析（2）邊緣效應(yīng)

在前述各種電容式傳感器的公式推導(dǎo)中，都略去了電容器邊緣效應(yīng)的影響，但在實(shí)際應(yīng)用中，邊緣效應(yīng)總是存在的。電容器兩極板間的電力線中間部分是均勻的，而到了邊緣會(huì)發(fā)生彎曲，這種彎曲程度與極板厚度、極板間距等有關(guān)?？紤]邊緣效應(yīng)影響時(shí)，其電容值為：加等位環(huán)消除邊緣效應(yīng)為克服邊緣效應(yīng)影響，應(yīng)盡量增大前項(xiàng)，減小后項(xiàng)。即增大極板面積、減小極板間距；極板的厚度要盡量小于極板間距。此外還可以在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器3.電容式傳感器的誤差分析（3）寄生和分布電容

電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)和尺寸的限制，其電容通常在1～102pF范圍內(nèi)變化，所以它極易受極板與周圍物體之間產(chǎn)生的寄生與分布電容（電纜寄生與分布電容、極板與元件乃至人體間的寄生與分布電容）的影響。改善：一是可從改善傳感器結(jié)構(gòu)和尺寸上人手，即采用增加初始電容值的方法可使寄生與分布電容相對(duì)傳感器的影響減小；或者將傳感器與測(cè)量電路的前置級(jí)或全部裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線，或進(jìn)一步利用集成工藝，把傳感器和測(cè)量電路集成于同一芯片，構(gòu)成集成電容式傳感器。二是使用各種屏蔽技術(shù)，目前常用的有驅(qū)動(dòng)電纜法和整體屏蔽法。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器3.電容式傳感器的誤差分析1）驅(qū)動(dòng)電纜法：種等電位屏蔽法。當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因（如環(huán)境、溫度等使用條件）必須使測(cè)量電路與傳感器分開時(shí)可采用。驅(qū)動(dòng)電纜法原理圖2）整體屏蔽法：將電容式傳感器和所采用的測(cè)量電路、傳輸電纜等用同一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來。正確選取接地點(diǎn)可減小和消除寄生與分布電容的影響，防止外界干擾。整體屏蔽法原理圖一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器3.電容式傳感器的誤差分析（4）環(huán)境溫度

電容式傳感器由于極板間距很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸變化特別敏感，因而在傳感器各部件材料線脹系數(shù)不匹配的情況下，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，傳感器的輸出相對(duì)被測(cè)輸入量的單值函數(shù)關(guān)系就會(huì)改變，從而產(chǎn)生較大的溫度誤差。電容式傳感器溫度誤差示意圖由于溫度變化而引起的電容量相對(duì)誤差為：在設(shè)計(jì)電容式傳感器時(shí)應(yīng)首先根據(jù)合理的初始電容決定極板間隙d，然后根據(jù)材料的線脹系數(shù)，適當(dāng)?shù)剡x擇絕緣件厚度b和固定極板厚度h，就可消除由環(huán)境溫度變化而引起的電容量相對(duì)誤差。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（三）電容式微傳感器4.電容式傳感器的應(yīng)用PT系列壓力變送器電容式觸摸屏電容式傳聲器電容式液位計(jì)一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器1.壓電效應(yīng)（1）壓電效應(yīng)

某些物質(zhì)沿一定方向受到外力作用而產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷；在撤掉外力時(shí)，這些物質(zhì)又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。（2）石英晶體的壓電效應(yīng)

把沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)；把沿機(jī)械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)；當(dāng)沿光軸方向?qū)κ⒕┘幼饔昧r(shí)，晶體表面沒有電荷出現(xiàn)。石英晶體切片石英晶體切片上電荷符號(hào)與受力方向的關(guān)系逆壓電效應(yīng)，石英晶體上施加電場(chǎng)，石英晶體將產(chǎn)生機(jī)械變形（伸長或縮短）。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器1.壓電效應(yīng)（3）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

①它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場(chǎng)。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。②當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，卻無法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。所以電壓表不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)的極化程度。③如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。④若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）壓電陶瓷極化過程示意圖陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器1.壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)示意圖逆壓電效應(yīng)示意圖壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果外界的作用（如壓力或電場(chǎng)的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器2.壓電材料及主要性能參數(shù)（1）壓電材料及特點(diǎn)1）壓電單晶體：壓電單晶體包括石英(SiO2)、鈮酸鋰(LiNbO3)、硫酸鋰(LiSO4)、酒石酸鉀鈉(NaKC4H406·4H2O)等。石英是一種具有良好機(jī)械強(qiáng)度和壓電特性的壓電晶體。雖然其壓電系數(shù)較小，但其壓電系數(shù)的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性好。鈮酸鋰具有良好的壓電性，居里點(diǎn)為1210℃，因此適用于高溫環(huán)境。但是鈮酸鋰機(jī)械強(qiáng)度不如石英，抗沖擊性能差。酒石酸鉀鈉的壓電系數(shù)較大（d11=3×10-9C/N），但其機(jī)械強(qiáng)度、電阻率、居里點(diǎn)均較低，易受潮，性能不十分穩(wěn)定。2）壓電陶瓷：壓電陶瓷的壓電系數(shù)一般比石英高數(shù)百倍，因此現(xiàn)代壓電元件大多采用壓電陶瓷。壓電陶瓷包括鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(Pb(ZrX．Ti1-X)Q3，簡(jiǎn)稱PZT）等。鈦酸鋇是碳酸鋇和二氧化鈦按1:1的比例混合燒結(jié)而成：這種壓電陶瓷具有很高的介電常數(shù)(1200)和較大的壓電常數(shù)（約為石英的50倍），但是居里溫度較低（約為120℃），并且溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。鋯鈦酸鉛是由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固溶體，其性能和穩(wěn)定性均超過鈦酸鋇，其壓電系數(shù)為70～80×10-12C/N，居里溫度在300℃左右。鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電傳感器種應(yīng)用最為廣泛的壓電材料。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器2.壓電材料及主要性能參數(shù)（1）壓電材料及特點(diǎn)3）其他壓電材料：壓電半導(dǎo)體包括氧化鋅(ZnO)、硫化鎘（CdS）等，它具有壓電和半導(dǎo)體兩種特性，相對(duì)于其他壓電材料，其優(yōu)點(diǎn)是易于集成。壓電高分子聚合物包括聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)等，其優(yōu)點(diǎn)是具有很好的柔韌性，適于做大面積的傳感陣列器件。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器2.壓電材料及主要性能參數(shù)（2）主要性能參數(shù)1）壓電常數(shù)dij：表示電場(chǎng)與作用力之間的關(guān)系。2）彈性剛度系數(shù)Cij:

表示應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，反映壓電體的彈性性質(zhì)。3）介電常數(shù)εij：表示電位移矢量和電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。4）介質(zhì)損耗（介電損耗）tanδ：壓電元件在電場(chǎng)作用下，極化弛豫過程和介質(zhì)漏導(dǎo)等原因在電介質(zhì)內(nèi)所消耗的能量。5）機(jī)電耦合系數(shù)k：壓電振子在振動(dòng)過程中將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑驅(qū)㈦娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，表示能量相互轉(zhuǎn)變的程度用機(jī)電耦合系數(shù)表示。6）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm：表示壓電材料在諧振時(shí)的機(jī)械損耗的大小，是綜合評(píng)價(jià)壓電材料性能的重要參數(shù)。7）居里溫度（居里點(diǎn)）：代表壓電材料具有壓電性的上限溫度。8）頻率常數(shù)N：壓電振子的基本諧振頻率與沿振動(dòng)方向的振子長度的乘積為一常數(shù)。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器2.壓電材料及主要性能參數(shù)（2）主要性能參數(shù)一般在選擇材料時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)性能：轉(zhuǎn)換性能：要求具有較高的機(jī)電耦合系數(shù)和較大的壓電系數(shù)，以得到較高的靈敏度。機(jī)械性能：要求機(jī)械性能高，彈性剛度系數(shù)大，以得到較高的諧振頻率和較寬的頻響范圍。電性能：希望有較高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響，并得到良好的低頻特性。

穩(wěn)定性：要求濕度、溫度穩(wěn)定性好，且壓電特性不隨時(shí)問發(fā)生變化，以得到良好的穩(wěn)定性。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器3.壓電傳感器的等效電路和測(cè)量電路（1）等效電路可以把壓電傳感器看作是靜電荷發(fā)生器，其電量為Q。由于在壓電元件的兩個(gè)電極面上有電荷聚集，并且電極面間的物質(zhì)可以等效為電介質(zhì)，因此也可以把壓電傳感器看作是電容器，壓電傳感器的等效電路壓電晶片等效電荷源等效電壓源壓電傳感器可等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器C并聯(lián)的電路當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，兩極板間呈現(xiàn)出電壓因此壓電傳感器可以等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容C的串聯(lián)電路一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器3.壓電傳感器的等效電路和測(cè)量電路（2）測(cè)量電路

由于壓電傳感器本身產(chǎn)生的電荷量很小，且傳感器本身的內(nèi)阻很大，因此輸出信號(hào)十分微弱，給后續(xù)測(cè)量電路提出了很高的要求。由于傳感器的內(nèi)阻和后續(xù)測(cè)量電路的輸入電子Ri不能無限大，將導(dǎo)致壓電元件聚集的電荷按指數(shù)規(guī)律放電，從而造成測(cè)量誤差。為減小測(cè)量誤差，要求前置放大器的輸入阻抗盡可能高。壓電傳感器的前置放大器作用包括：一是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)，另一個(gè)是將壓電傳感器的高輸出阻抗變換成低輸出阻抗。壓電傳感器的前置放大器具有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。壓電傳感器與電壓前置放大器連接的等效電路1）電壓放大器（阻抗變換器）：等效電阻、等效電容和壓電傳感器開路電壓分別為：一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器3.壓電傳感器的等效電路和測(cè)量電路（2）測(cè)量電路---電壓放大器（阻抗變換器）：

壓電傳感器與電壓前置放大器連接的等效電路如果沿電軸方向?qū)弘娫┘幼饔昧=Fmsinωt，壓電元件的壓電系數(shù)為ds，則在力F作用下，產(chǎn)生電荷Qs=dsF，則其電壓為：前置放大器輸入電壓的幅值Uim為：如果希望前置放大器輸入電壓的幅值Uim與外力頻率無關(guān)，則需要回路時(shí)間常數(shù)

必須足夠大，使得ωτ》1，則輸入電壓可以簡(jiǎn)化為：一般認(rèn)為ωτ》3，可近似看做輸入電壓和作用力頻率無關(guān)。根據(jù)電壓靈敏度Km定義，在ωτ》1時(shí)，傳感器靈敏度Ku為：一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器3.壓電傳感器的等效電路和測(cè)量電路（2）測(cè)量電路---電荷放大器電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路經(jīng)電荷放大器放大后的輸出電壓的幅值可近似為：電荷放大器的輸出電壓主要取決于反饋電容Cf和傳感器產(chǎn)生的電荷量Q，在一定范圍內(nèi)與分布電容Cc等無關(guān)，這就提供了增長傳輸電纜的可能性。也就是說，電纜分布電容的變化不會(huì)影響傳感器靈敏度和測(cè)量結(jié)果。在電荷放大器的實(shí)際電路中，反饋電容Cf通常在100～10000pF之間進(jìn)行選擇，這樣可以有效地防止因輸入信號(hào)過大而導(dǎo)致的后續(xù)電路放大器件的飽和。采用電容負(fù)反饋，電荷放大器對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開環(huán)，因此零點(diǎn)漂移較大。為了減小零點(diǎn)漂移，通常在反饋電容兩端并聯(lián)上大反饋電阻以提供直流反饋，上述反饋電阻的阻值通常在1010～1014

Ω之間。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器3.壓電傳感器的等效電路和測(cè)量電路（3）壓電元件的級(jí)聯(lián)方式

實(shí)際應(yīng)用中為了增大輸出值，壓電傳感器通常將兩個(gè)或兩個(gè)以上的壓電元件組合在一起，由于壓電元件是有極性的，因此組合形式有兩種：并聯(lián)和串聯(lián)。1）并聯(lián)接法：對(duì)縱向效應(yīng)壓電雙疊片要求同極性的兩個(gè)電極面互相膠合形成公共電極，外側(cè)非膠合的電極相并聯(lián)。橫向效應(yīng)壓電雙疊片要求反極性的兩個(gè)電極面相膠合組成公共電極，并使壓電長條片一端固定，一端自由，構(gòu)成懸臂梁彎曲振動(dòng)壓電雙疊片，外側(cè)的非膠合電極并聯(lián)，也可類似地兩端簡(jiǎn)支構(gòu)成簡(jiǎn)支梁。當(dāng)壓電傳感器兩片壓電材料采用并聯(lián)連接時(shí)，其輸出電荷和輸出電容變成原來的兩倍，輸出電壓保持不變。由此可見，當(dāng)采用并聯(lián)連接時(shí)，由于壓電傳感器具有較大的輸出電荷和時(shí)間常數(shù)，因此適于測(cè)量緩變信號(hào)和以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器3.壓電傳感器的等效電路和測(cè)量電路（3）壓電元件的級(jí)聯(lián)方式2）串聯(lián)接法：對(duì)縱向效應(yīng)壓電雙疊片要求飯極性的兩個(gè)電極面膠合，在外側(cè)兩邊的反極性電極上引出信號(hào)電壓。此時(shí)膠合面上的電荷相互抵消，如圖5.68（b）所示。對(duì)橫向效應(yīng)壓電雙疊片要求同極性的兩個(gè)電極面膠合，外側(cè)非膠合的同極性電極上引出信號(hào)電壓，并使壓電長條片一端固定，一端自由，構(gòu)成懸臂梁或兩端簡(jiǎn)支構(gòu)成簡(jiǎn)支梁。實(shí)際應(yīng)用中，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，常采用橫向效應(yīng)的這兩種形式。

當(dāng)壓電傳感器兩片壓電材料采用串聯(lián)連接時(shí)，其輸出電荷保持不變，輸出電壓變成原來的兩倍，輸出電容變成原來的1/2。采用串聯(lián)連接時(shí)，由于壓電傳感器具有較大的輸出電壓和較小的時(shí)間常數(shù)，因此適于測(cè)量高頻信號(hào)和以電壓作為輸出量的場(chǎng)合一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器4.壓電傳感器的應(yīng)用1.上蓋2.石英晶片3.電極4.電極引出5.絕緣套6.基座7.絕緣套壓電式測(cè)力傳感器1.電極2.質(zhì)量塊3.螺母4.壓電陶瓷4.基座壓電式加速度傳感器一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（四）壓電式微傳感器4.壓電傳感器的應(yīng)用BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器煤氣灶電子點(diǎn)火裝置一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（五）磁電式傳感器1.磁電式傳感器的基本原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)穿過W匝線圈的磁通量φ隨時(shí)間變化時(shí)，其感應(yīng)電勢(shì)e正比于磁通量φ對(duì)時(shí)間的變化率，即：線圈直線運(yùn)動(dòng)

線圈作轉(zhuǎn)動(dòng)磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e為：當(dāng)θ=90°時(shí)線圈做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的磁電式傳感器，它的工作方式類似于發(fā)電機(jī)。線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e為：當(dāng)，（k為自然數(shù)）時(shí)，可得感應(yīng)電勢(shì)的最大值Em，即一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（五）磁電式傳感器1.磁電式傳感器的基本原理可以看出，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)一定時(shí)，B、A、W、L均為常數(shù)。因此，感應(yīng)電勢(shì)e與線圈對(duì)磁場(chǎng)的相對(duì)速度v（或ω）成正比，所以這種換能器的基型是一種速度傳感器，能直接測(cè)量出線速度或角速度。由于速度與位移和加速度之間分別存在著積分和微分的關(guān)系，假如在感應(yīng)電勢(shì)的測(cè)量電路中接一積分電路，則其輸出電勢(shì)就與位移成正比；如果在測(cè)量電路中接一微分電路，則其輸出電勢(shì)就與加速度成正比。這樣，磁電式傳感器還可以用來測(cè)量運(yùn)動(dòng)的位移或者加速度。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（五）磁電式傳感器2.磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)與分類（1）恒定磁通磁電式傳感器

這種傳感器是工作磁場(chǎng)恒定，線圈和磁鐵兩者之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)（動(dòng)線圈或動(dòng)磁鐵），切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。恒定磁通磁電式傳感器，通常用于測(cè)量振動(dòng)速度。恒定磁通磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖動(dòng)線圈式動(dòng)磁鐵式因恒定磁通磁電式傳感器的工作頻率不高，傳感器能輸出較大的信號(hào)，所以對(duì)變換電路要求不高，采用一般交流放大器就能滿足要求。傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過直接放大或微積分電路可分別得到與速度、加速度或位移量相關(guān)的信號(hào)。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（五）磁電式傳感器2.磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)與分類（2）變磁阻磁電式傳感器

這類傳感器的線圈和磁鐵都是靜止不動(dòng)的。利用磁性材料制成齒輪，在運(yùn)動(dòng)中它不斷地改變磁路的磁阻，因而改變了貫穿線圈的磁通量

，因此在線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。閉磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器1）開磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器：傳感器由永久磁鐵、感應(yīng)線圈、軟鐵組成。齒輪安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由齒輪的凹凸引起磁阻變化，而使磁通發(fā)生變化，因而在線圈中感應(yīng)出交變電勢(shì)，其頻率等于齒輪的齒數(shù)z和轉(zhuǎn)速n的乘積，即f=zn/60。當(dāng)齒輪的齒數(shù)z確定以后，若能測(cè)出f就可求出轉(zhuǎn)速n。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)小，轉(zhuǎn)速高時(shí)信號(hào)失真也大，在振動(dòng)強(qiáng)或轉(zhuǎn)速高的場(chǎng)合，往往采用閉磁路變磁阻式傳感器。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（五）磁電式傳感器2.磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)與分類閉磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器2）閉磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器：閉磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5.75所示。它是由安裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和永久磁鐵、外齒輪及線圈構(gòu)成。內(nèi)、外齒輪的齒數(shù)相等。測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)軸與被測(cè)軸相連，當(dāng)有旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)外齒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使磁路氣隙發(fā)生變化，因而磁阻發(fā)生變化并使貫穿于線圈的磁通量變化，在線圈中感應(yīng)出電勢(shì)。與開磁路相同，也可通過感應(yīng)電勢(shì)頻率測(cè)量轉(zhuǎn)速。變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出電勢(shì)取決于線圈中磁場(chǎng)變化速度，因而它是與被測(cè)速度成一定比例，當(dāng)轉(zhuǎn)速太低時(shí)，輸出電勢(shì)很小，以致無法測(cè)量。所以這種傳感器有一個(gè)下限工作頻率，一般為50Hz左右，閉磁路轉(zhuǎn)速傳感器下限頻率可低到30Hz左右。其上限工作頻率可達(dá)到100Hz。若將輸出電勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，則可方便求解出轉(zhuǎn)速的大小。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（五）磁電式傳感器2.磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)與分類變磁阻式傳感器的測(cè)量電路：變磁阻式傳感器需實(shí)現(xiàn)從轉(zhuǎn)速到電脈沖的變換。傳感器的感應(yīng)電勢(shì)由VD1管削去負(fù)半周，送到Vl進(jìn)行放大，再經(jīng)過V2組成的射極跟隨器，然后送入由V3和V4組成的射極耦合觸發(fā)器進(jìn)行整形，這樣就得到方波輸出信號(hào)。磁阻式轉(zhuǎn)速-脈沖變換電路一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（五）磁電式傳感器3.磁電式傳感器的誤差與補(bǔ)償磁電式傳感器后接測(cè)量電路的輸入電阻為Ri時(shí)，傳感器的輸出電流i0為：電流靈敏度ki為傳感器輸出電流同線圈運(yùn)動(dòng)速度的比值，表示為：輸出電壓為：電壓靈敏度ku為:當(dāng)傳感器的工作環(huán)境溫度發(fā)生變化、受到外磁場(chǎng)干擾、受到機(jī)械沖擊或振動(dòng)時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差。相對(duì)誤差公式可由下式表示：一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（五）磁電式傳感器3.磁電式傳感器的誤差與補(bǔ)償（1）溫度誤差

溫度會(huì)同時(shí)對(duì)式（5.88）右邊三項(xiàng)產(chǎn)生影響，在忽略了Ri影響的前提下，對(duì)于常規(guī)材料而言，這個(gè)數(shù)值可達(dá)-0.45%/℃，甚至更高。所以在實(shí)際使用中需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。磁電式傳感器溫度補(bǔ)償可從兩方面進(jìn)行，一方面在電路上，可以將負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻與線圈串聯(lián)，近似地從線圈電阻隨溫度變化方面進(jìn)行溫度補(bǔ)償，另一方面在磁路上可以采用熱磁分路的方法，以補(bǔ)償工作磁通密度隨溫度的變化。熱磁分路是由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特種磁性材料——熱磁合金制成，用其制成磁分路片搭裝在磁系統(tǒng)的兩極掌上，它對(duì)氣隙中的磁通起分流作用。在正常工作溫度下，它將氣隙中的磁通分流掉一部分；溫度升高時(shí)，熱磁分路的磁導(dǎo)率顯著下降，它分流掉的磁通急劇減少，從而保持空氣隙中的工作磁通不隨溫度變化或使空氣隙中的工作磁通隨溫度升高而增加，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（五）磁電式傳感器3.磁電式傳感器的誤差與補(bǔ)償（2）磁電式傳感器的非線性誤差

磁電式傳感器的非線性產(chǎn)生的原因是由于傳感器線圈內(nèi)有電流i流過時(shí)，將產(chǎn)生一定的磁通，疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上而減弱工作磁通。當(dāng)傳感器線圈相對(duì)于永久磁鐵磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢(shì)e和較大的電流i，因此減弱磁場(chǎng)的作用也將加強(qiáng)，從而使傳感器的靈敏度k隨被測(cè)速度υ的增加而降低或增加。其結(jié)果是使傳感器靈敏度在線圈運(yùn)動(dòng)的不同方向上具有不同的數(shù)值，因而傳感器輸出的基波能量降低而諧波能量增加，即這種非線性特性同時(shí)伴隨著傳感器輸出的諧波失真。顯然，換能器靈敏度越高，線圈中電流越大，則這種非線性將越嚴(yán)重。電流i的磁場(chǎng)效應(yīng)一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（五）磁電式傳感器3.磁電式傳感器的誤差與補(bǔ)償為了補(bǔ)償傳感器線圈中電流i的上述作用，可以在傳感器種加入“補(bǔ)償線圈”，如圖其中通以經(jīng)放大后的電流ik，若傳感器線圈中電流為i，放大倍數(shù)為A，則電流ik=Ai，且使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感器線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通相互抵消。

磁電式振動(dòng)速度傳感器種的補(bǔ)償線圈一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（五）磁電式傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器4.磁電式傳感器的應(yīng)用霍爾轉(zhuǎn)速表原理圖霍爾電流傳感器一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（五）磁電式傳感器4.磁電式傳感器的應(yīng)用霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)應(yīng)用霍爾式接近開關(guān)電動(dòng)自行車測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（六）光電式傳感器1.光電效應(yīng)（1）外光電效應(yīng)

在光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象,稱為外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射型器件，有光電管、光電倍增管、紫外光電管、光電攝像管等。紫外光電管：當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時(shí)，電子克服金屬表面對(duì)它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等。（2）內(nèi)光電效應(yīng)

受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。1）光電導(dǎo)效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。2）光生伏特效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。因此光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的，屬有源器件。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光電池常用的材料，也可以使用鍺。一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（六）光電式傳感器2.光電器件的主要特性參數(shù)（1）轉(zhuǎn)換特性

表示輸入物理量與輸出物理量之間的依從關(guān)系。1）量子效率，某一特定波長上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比：

一、生物信息采集中的物理量測(cè)試方法（六）光電式傳感器3.光電管和光電倍增管(1)光電管

光電管由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并密封在一支真空玻璃管內(nèi)，如右圖所示。光電管的陰極是接受光的照射，它決定了器件的光電特性。陽極由金屬絲做成，用于收集電子。工作原理：當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)，電子克服金屬表面對(duì)它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。電子被帶正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)就有了電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。光電管工作時(shí)，必須在其陰極與陽極