传感器在运动生物力学中的应用

传感器：概述英文名称：transducer/sensor国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器汇总图片精选(6张)“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器－Transducer”来称谓“传感器－Sensor”。新型传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统(MEMS)技术基础上的，目前已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。传感器在运动生物力学中的应用一.力学传感器压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用1、应变片压力传感器原理与应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。1.金属电阻应变片的内部结构如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）S——导体的截面积（cm2）L——导体的长度（m）我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情2、陶瓷压力传感器原理及应用抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。3、扩散硅压力传感器原理及应用工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。原理图4、蓝宝石压力传感器原理与应用利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。5、压电压力传感器原理与应用压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。二、动力学传感器运动学方法人体运动学是研究人体各部分的空间位置随时间的变化规律的科学。目前普遍使用的数据获得方法为电学法和光学法。电学法常用设备有:①角度传感器:其优点是测试周期短;缺点是它对动作的完成有一定的影响。②加速度传感器:优点是测试周期短,可以实际测试和处理;缺点是只能测出相对运动的特征量。另外,由于加速度传感器必须与被测对象连接,因此它对被测对象的运动有干扰作用。若与器械连接,则给器械添加额外的重量;若与人连接,则容易造成运动失真。光学法所使用设备如下:①影片数字化处理:此方法可用于拍摄高速运动,而且拍摄时对人体不施加任何约束,是正式比赛中非常可行的方法。但此方法需要冲洗胶片,且技术含量和价钱高、费时,所以现在不常用。②录像解析系统:由于国内目前普遍使用爱捷录像解析系统,所以仅以此系统为例加以介绍。系统提供的工具:a)标准平面定点测量;b)标准三维DLT测量;c)爱捷单参考点平面扫描测量;d)爱捷多参考点平面扫描测量。1.加速度传感器ADXL203型双轴加速计及其在倾斜度测量中的应用一、概述美国模拟器件公司（简称ADI）凭借其独特的iMEMS(集成MEMS)工艺能使传感器单元和信号调理电路集成在一颗芯片上，不仅减小器件尺寸、降低功耗和节省成本，同时提高性能和定制生产能力。ADI推出的ADXL203是一种高精度、低功耗及单一的iMEMS型IC芯片双轴加速计，具有信号可调的电压输出。输出量为一个与加速度成比例的模拟电压信号，比例系数达到1000mV/g。该加速计既可测量动态加速度，又可以用来实现诸如重力加速度的静态测量，此时可以替代倾斜角传感器进行倾斜测量。本文在详细介绍了加速计ADXL203的结构及原理，给出它与ADuC847组成的倾斜度测量实现电路，并对其进行了分析。该电路具有实现简单、精度高的特点。二、性能特点ADXL203典型测量范围在±1.7g，该加速计既可测量静态的也可测量动态的加速度，可承受3500g极限加速度。其下拉电流小于700µA，灵敏度达到1000mV/g。该加速计在–40°C到125°C温度范围内，具有±0.3%的温度灵敏性；±25mg的零点偏移精度；在小于60Hz的带宽下具有解决小于1mg的解决方案(0.06°倾斜)以及优于0.1mg/°C的稳定性。采用5×5×2mm的LCC的封装。ADXL203的管脚封装及引脚功能如图1和表1所示。三、工作原理ADXL203内部电路框图如图2所示。传感器输出幅值与所测加速度成正比的方波信号，经过信号交流放大，相敏检波、低通滤波，得到与加速度成比例的电压信号。图2ADXL203内部电路框图传感器主要是由一个利用表面微机械加工的多晶硅机构和一个差动电容器组成。多晶硅结构由多晶硅弹簧支撑,处于晶片的顶部,并与差动电容的运动的中心极板相连。分别在差动电容的固定的上下极板上加两路幅度相等、相位差为180˚的方波。在加速度的作用下,多晶硅结构会产生偏移,拉动差动电容的中心极板滑动，使两个电容容值不同，便在中心极板产生电压，传感器输出方波。输出方波的幅值与测量的加速度成正比。四、ADXL203在倾斜度测量中的应用测量原理ADXL203最常见的应用是进行倾斜度测量。加速计以重力矢量作为基准来测定物体的空间方位。当加速计的感应轴与重力方向垂直（即感应轴水平）时，它对倾斜度的变化是最敏感的，倾斜度每变化1˚，输出g值变化17.5mg；当感应轴与水平成45˚角时，倾斜度每变化1˚，输出g值变化只有12.2mg；而当感应轴与重力方向接近平行时(所感应到的加速度接近+g或-g)，倾斜度每变化1˚，加速计输出几乎没有什么变化。随着测量倾斜角度的增大，测量精度下降。-AX-AYpitchro