【正文】 彈性敏感元件對材料的基本要求是 ： 2:03 PM 113 6 彈性敏感元件的形式及其應用范圍 在傳感器中，輸入到彈性元件的信號通常是力或壓力，其它信號必須變換為力或壓力后在輸入到彈性敏感元件，而彈性敏感元件的輸出是位移或應變，亦即 彈性敏感元件將力、壓力變換成為位移或應變 ，因此彈性敏感元件可分為： 力 —— 應變 的變換； 力 —— 位移 的變換； 壓力 —— 應變 的變換； 壓力 —— 位移 的變換； 力矩 —— 角度 的變換等。 – 固有振動頻率很大程度上 決定彈性元件動態(tài)特性的好壞 。 – 一般計算時，只計算其最低固有振動頻率，可用下式進行估算 : 振動質量。一般總希望它具有較高的固有振動頻率。 ???????niniiiKKKdFdxK11K11彈性元件串聯(lián)時彈性元件并聯(lián)時2:03 PM 105 ? 關于剛度和靈敏度的理解 – 剛度和靈敏度都是描述彈性特性的指標，兩者互為倒數(shù) – 剛度與靈敏度是從不同的側面對同一特性的描述 ? 剛度描述的是抵抗變形的能力 ? 靈敏度描述的是變形的能力 – 在傳感器應用中，彈性元件的不同聯(lián)結方法對總的靈敏度影響不同 2:03 PM 106 3 彈性滯后 彈性元件在彈性形變范圍內，彈性特性曲線的加載曲線與去載曲線不重合的現(xiàn)象 彈性滯后現(xiàn)象 彈性變形之差 Δ x叫做彈性敏感元件的 滯后誤差 曲線 1和曲線 2所包圍的范圍稱為 滯環(huán) 2:03 PM 107 ? 關于彈性滯后的理解 – 彈性滯后與 傳感器的遲滯特性 有關 – 彈性敏感元件的滯后誤差體現(xiàn)的是在加載與去載過程中同一個作用力下 不同的彈性變形 的情況 – 作為敏感元件形變的不同將導致轉換元件轉換結果的不同，最終將體現(xiàn)在傳感器的遲滯特性上 – 引起彈性滯后的原因 ：主要是由于彈性敏感元件在工作時其材料分子間存在內摩擦 2:03 PM 108 ? 彈性敏感元件所加載荷改變后，不是立即完成相應的變形，而是在一定時間間隔中逐漸完成變形的現(xiàn)象 — 彈性后效現(xiàn)象 ? 彈性后效體現(xiàn)的是 時間因素的影響，對傳感器的 動態(tài)特性 影響尤其明顯 4 彈性后效 2:03 PM 109 ? 彈性滯后和后效在本質上是 同一類型的缺點 ，它們與 材料的結構 、載荷特性以及 溫度 等一系列的因素有關，在應用中，應該合理的選擇材料，設計最優(yōu)的結構和加工方法，從而最大程度地減小由彈性滯后和彈性后效現(xiàn)象產生的誤差。－彈性元件產生的變形外力；－作用在彈性元件上的式中：xFlim0 dxdFxFkx????????????2:03 PM 103 ? 從彈性特性曲線求得剛度的方法 : – 做切線 – 找夾角 – 求正切 ? 如果彈性元件的彈性特性是線性的，則其剛度為常數(shù) dxdFk ?? ?t a nA 2:03 PM 104 2. 靈敏度 – 靈敏度就是單位力產生形變的大小。彈性特性可用 剛度 或 靈敏度 來表示。 要求：摩擦力小、間隙小 彈性元件作用 ： 把力、力矩或壓力等各種形式非電量變換成相應的應變或位移，再由轉換元件變換成電量 。 一、彈性敏感元件的作用 2:03 PM 100 按在傳感器中的作用分為兩類 ： – 彈性敏感元件 ? 感受力、力矩、壓力等被測參數(shù)，并通過它將被測量變換為應變、位移等，它直接起到測量的作用。 167。 ? 彈性變形 ： 當外力去掉后能完全恢復原來的尺寸和形狀的變形。 b、在人體效應方面的要求 ： 無毒性（即化學惰性）、無熱源反應、不致癌（特別是金屬材料）、不致畸、不引起過敏反應和不干擾機體的免疫機制、不發(fā)生材料表面的鈣化沉著、對于與血液接觸的材料，必須有良好的血液相容性。 微電擊 ， 又稱體內電擊 ，是指由直接流入心臟組織內的電流引起的，故其電流遠低于宏電擊電流值就會引起室顫。 電擊分為宏電擊和微電擊 宏電擊 ， 又稱體外電擊 ，是指電流經過皮膚進入及流出人體所產生的觸電現(xiàn)象。 隨著醫(yī)學儀器的不斷發(fā)展 ,儀器的數(shù)量、種類和復雜程度不斷增加 ,醫(yī)學儀器在醫(yī)療中發(fā)揮的作用也越來越大。 7．在結構上要便于消毒。 5．傳感器不能給生理活動帶來負擔，也不應干擾正常的生理功能。 3．傳感器要有 足夠的牢固性 ，在引入被測部位時，傳感器不能損壞。對 安全性的主要要求有： 1．傳感器的 材料 必須有很好的生物相容性，要求它既不會被腐蝕，也不會受生無排異反應的影響 ?？梢姡?診療儀器的可靠性直接和安全性問題相關 。所以在研制和使用醫(yī)學電子儀器時， 既要考慮儀器在診斷或治療中的有效性，又要考慮考慮到對人體的安全性 。 2:03 PM 93 167。nisiPPPP 該系數(shù)并不是越大越好，它的值越大，說明在傳輸過程中摻入的噪聲也就越大，反應了器件或者信道特性的不理想。 傳感器的噪聲系數(shù)定義為 傳感器輸入端的信噪比與輸出端的信噪比之比： nosonisiPPPPF//?噪聲功率。 1/f噪聲發(fā)生在兩種不同材料的導體相接觸的部位，其大小與直流電流成正比，振幅為高斯分布，噪聲電流均方值為： fBKII s /2? K由導體形狀及材料決定 對于頻率較低的生物醫(yī)學信號的測量，此類噪聲所產生的噪聲是不可忽略的，必須加以抑制，這 只能從改進器件的制造工藝方面著手 。ee2nHBIIBI ? 由于 I由光電管、半導體的物理特性決定，故 實際傳感器設計中應盡量選低噪聲管。 ）。為電阻值（）；為頻帶寬度（）；為熱力學溫度（波爾茲曼常數(shù)；式中：??????RHBKTKJk T B RVTz41232:03 PM 90 (2) 散粒噪聲 : 是由電子（或空穴）隨機地發(fā)射而引起的，存在于電子管和半導體兩種元件上。 2:03 PM 89 二、 噪聲 (1) 電阻熱噪聲 : 任何電阻的兩端即使沒有外加電勢，也會有一定的交變電壓，這就是材料內的自由電子不規(guī)則的熱運動所產生的 熱噪聲電壓 ，其均方根值為： 采取 降低元件溫度 、 限制電路帶寬 以及 使用低阻值元件 的方法。 (9) 射線輻射干擾 :射線會使氣體電離、半導體激發(fā)出電子 —空穴時 ,金屬逸出電子等 ,從而使傳感器系統(tǒng)的正常工作受到影響。 (8) 化學干擾 :化學物品中的酸、堿及腐蝕性氣體等通過腐蝕作用損壞元器件 ,造成傳感器電路不能正常工作。 2:03 PM 88 (7) 塵埃干擾 :環(huán)境灰塵的加重 ,也會造成漏電流增加 ,電路的參數(shù)發(fā)生改變。 (6) 濕度的干擾 :環(huán)境濕度的增大會使絕緣電阻下降、漏電流增加 ,這樣電路的參數(shù)就會發(fā)生變化。 (5) 光干擾 :半導體元器件在光線的作用下會激發(fā)出電子 — 空穴對 ,使半導體元器件產生電勢或引起電阻值的變化。 濾波： 它是一種只允許某一頻帶信號通過或阻止某一頻帶信號通過的一種抑制干擾措施。 2:03 PM 87 接地技術 ：一類接地稱為保護接地 ,可以保證人員和設備的安全 。屏蔽的目的是隔斷場的耦合 ,既抑制各種場的干擾。 (4) 電和磁干擾 : a、靜電干擾：靜電感應 b、電磁干擾：電磁波污染 屏蔽技術 ：用低電阻材料或高磁導率材料制成容器 ,將需要防護的部分包起來。易受此影響的傳感器有：電容式、電感式、金屬熱電阻式、熱電偶式傳感器等。可采用 隔音材料 做傳感器的殼體，或將其放在 真空容器 中使用。 主要是采取 減振措施來解決 。 干擾和噪聲的區(qū)別，目前還沒有統(tǒng)一的定義，本書定義為： 干擾：外部原因對傳感器造成的不良影響； 噪聲：傳感器內部元件所引起的。 23 傳感器的干擾與噪聲 在實際檢測系統(tǒng)中 ,生物醫(yī)學信號大都是 很微弱的低頻信號 ，傳感器的 工作環(huán)境也是比較復雜的 ,并且其與電路之間的連接具有一定的距離 ,這時需要傳送信號的電纜電阻和傳感器的內阻以及放大電路等產生的噪聲 ,再加上環(huán)境噪聲都會對放大電路造成干擾 ,影響傳感器的正常工作。它與 ?有關， ?愈大， ?P愈小。若YBYA,則 ?≈1 ，表示衰減很快，該系統(tǒng)穩(wěn)定，震蕩很快停止。 衰減度 ?： 瞬態(tài)過程中振蕩幅值衰減的速度。 tr和 ts都是反映系統(tǒng)響應速度的參數(shù)。 2:03 PM 80 二階傳感器階躍響應的典型性能指標： 2:03 PM 81 上升時間 tr：輸出由穩(wěn)態(tài)值的 l0％變化到穩(wěn)態(tài)值的 90％所用的時間。故 時間常數(shù)值是決定響應速度的重要參數(shù) 。隨時