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换能器 |
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在生物医学中传感器又称为换能器（transducer）。换能器是一种能将机械能、化学能、光能等非电量形式的能量转换为电能的器件或装置。 在生物医学上，换能器能将人体及动物机体各系统、器官、组织直至细胞水平及分子水平的生理功能或病理变化所产生的如体温、血压、血流量、呼吸流量、脉搏、生物电、渗透压、血气含量等非电量转换为电量，然后送至电子测量仪器进行测量、显示和记录。 （一）应变式换能器的工作原理 生理科学实验中使用的张力换能器和压力换能器属应变式换能器，这类换能器是根据导电材料在受力变形时，材料电阻率发生变化或其几何尺寸变化使电阻改变的原理制成的。用导电材料制成电阻丝或喷涂于弹性材料上制成电阻应变片（图1），应变片受水平拉力时，应变片的电阻丝长度（L）变长，截面（S）减小。根据2-9-1式，应变片的电阻（R）增大，同理，应变片受水平压力，其R减小。 |
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图1 电阻应变片 |
图2 张力换能器结构 |
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以张力换能器为例，应变片粘贴在弹性悬臂梁上（图2），贴在梁上面的应变片为R1、R4，贴在梁下面的应变片为R2、R3，用R1、R4、R2、R3构成惠斯登电桥的四臂（图3），悬臂梁无外力作用时，R1=R2，R3=R4。根据2-9-2式，输出电压Uout=0。
图3 换能器的电桥线路
悬臂梁受力（如向下），悬臂梁向下位移变形，贴在梁上面的应变片（R1、R4）受力被拉长，电阻增大，贴在梁下面的应变片（R2、R3）受力被缩短，电阻减小，电桥平衡被改变，电桥就输出一个电压，这个电压的值与电阻应变片所受力的大小成比例。力的变化转换成电桥输出电压的变化。测量血压、呼吸的换能器，基本的工作原理与张力换能器相似。 2．张力换能器（图4） 它能将各种张力转换成电信号。张力换能器有多种规格，根据被测张力的大小选用合适量程的换能器。常用的有5g、10g、50g和100g等。 3．压力换能器 它能将各种压力如血压、呼吸道气压转换成电信号。压力换能器根据测量对象的不同，可分为血压换能器（图5）和呼吸换能器，血压换能器用于测量高的压力（-50~360mmHg）,而呼吸换能器用于测量低的压力（-10~50cmH2O）。 |
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图4 张力换能器 |
图5 血压换能器 |
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4．流量传感器 它能将各种流体的流量转换成电信号，如呼吸气流量换能器（图6）。此类传感器多应用光电或磁电原理工作。 （三）换能器使用注意事项 1．在使用时不能用手牵拉弹性梁和超量加载。张力换能器的弹性悬臂梁其屈服极限为规定的量程 |
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图6 呼吸换能器 |
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2～3倍，如50g量程的张力换能器，在施加了150g力后，弹性悬臂梁将不能恢复其形变，即弹性悬臂梁失去弹性，换能器被损坏。 2．防止水进入换能器内部。张力换能器内部没有经过防水处理，水滴入或渗入换能器内部会造成电路短路，损坏换能器，累及测量的电子仪器。 3．压力换能器不能碰撞，应轻拿轻放。压力换能器的内部由应变丝构成电桥，应变丝盘绕在应变架上，应变架结构精密，应变丝和应变架在碰撞和震动时，会发生断丝或变形。 4．压力换能器施加的压力不能超过其量程规定的范围。换能器的弹性膜片在过载情况下将不能恢复其形变，过载会发生应变丝断丝或应变架变形。
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