第1章緒論-醫(yī)用傳感器

學(xué)習(xí)本門課程的意義

傳感器是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，它處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，是自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都是通過傳感器轉(zhuǎn)換。與其它課程的聯(lián)系與分工學(xué)習(xí)本課程之前，要求學(xué)生先修《高等數(shù)學(xué)》、《大學(xué)物理》、《電路分析》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》；本課程也是《檢驗(yàn)分析儀器》的先修課程。本教學(xué)大綱要求：第一頁，共38頁。課程的學(xué)習(xí)目的合理選擇和使用傳感器。對(duì)傳感器技術(shù)問題有一定的分析和處理能力。知曉傳感器的工程設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法。了解傳感器的發(fā)展動(dòng)向。本課程的性質(zhì)及適應(yīng)對(duì)象

本課程為自動(dòng)化類專業(yè)的選修課，或考查課。對(duì)于本專業(yè)作為考查課。第二頁，共38頁。章次內(nèi)容課時(shí)章次內(nèi)容課時(shí)一緒論2七磁傳感器6二傳感器的基本特征4八熱電式傳感器4三電阻式傳感器4九光學(xué)傳感器4四電容式傳感器4十化學(xué)傳感器及醫(yī)用電極2五電感式傳感器2十一生物傳感器2六壓電式傳感器4考核2共40學(xué)時(shí)第三頁，共38頁。第四頁，共38頁。機(jī)油感應(yīng)塞第五頁，共38頁?？諝饬髁坑?jì)：測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，用以控制噴油量；機(jī)油油位傳感器：可以測(cè)油溫和機(jī)油量；氧傳感器：檢查廢氣中的含氧量，修正空燃比；溫控開關(guān)：控制風(fēng)扇的起停；節(jié)氣門位置傳感器：進(jìn)行空燃比信號(hào)采集，以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量。第六頁，共38頁。第一節(jié)傳感器的定義和組成1.定義：傳感器

是能感受或響應(yīng)規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置。醫(yī)用傳感器

是能感知多數(shù)為非電量的生物信息，并將其轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件或裝置。第七頁，共38頁。2.傳感器的特點(diǎn)：傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；它的輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。第八頁，共38頁。3.組成：傳感器通常由直接響應(yīng)于被測(cè)量的敏感元件、產(chǎn)生可用信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換元件以及轉(zhuǎn)換電路組成。被測(cè)量電量敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路電學(xué)量非電量第九頁，共38頁。敏感元件

直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的物理量。轉(zhuǎn)換元件

敏感元件的輸出就是它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量。轉(zhuǎn)換電路

上述電路參量接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出第十頁，共38頁。第二節(jié)傳感器的作用醫(yī)用傳感器是拾取生命體征信息的“感官”。傳感器放大電路A/D計(jì)算機(jī)顯示打印檢測(cè)類儀器結(jié)構(gòu)框圖第十一頁，共38頁。人體動(dòng)作過程人通過感官感覺外界對(duì)象的刺激，通過大腦對(duì)感受的信息進(jìn)行判斷、處理，肢體作出相應(yīng)的反映。檢測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行過程傳感器相當(dāng)于人的感官，稱“電五官”，外界信息由它提取，并轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)易于處理的電信號(hào)，微機(jī)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，發(fā)出控制信號(hào)給執(zhí)行器，執(zhí)行器對(duì)外界對(duì)象進(jìn)行控制。第十二頁，共38頁。人與機(jī)器的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)系圖外界對(duì)象感官傳感器人腦微機(jī)肢體執(zhí)行器第十三頁，共38頁。醫(yī)用傳感器的作用是將微弱的生物信號(hào)轉(zhuǎn)化成微弱的電信號(hào)，是醫(yī)用儀器、設(shè)備的關(guān)鍵器件。第十四頁，共38頁。4.傳感器起著關(guān)鍵性作用的原因生物信號(hào)很多是非電量信號(hào)生物信號(hào)十分微弱生物信號(hào)信噪比很低，微弱的有用信號(hào)往往淹沒在強(qiáng)大的干擾和噪聲之中。生物信號(hào)多數(shù)變化頻率都很低，容易受到50HZ電源和其它生物活動(dòng)的干擾。無創(chuàng)傷檢測(cè)（夾式光電容積血流脈搏傳感器）第十五頁，共38頁。第十六頁，共38頁。第十七頁，共38頁。袖帶壓力傳感器充氣泵放氣閥MSP430F427液晶顯示、按鍵控制ADC第十八頁，共38頁。第十九頁，共38頁。第三節(jié)醫(yī)用傳感器的用途和分類一、醫(yī)用傳感器的用途1.提供信息如心音、血壓、脈搏、體溫、血流等，作為重要的生理參數(shù)供臨床診斷和基礎(chǔ)研究用。2.監(jiān)護(hù)長時(shí)間連續(xù)檢測(cè)某些生理參數(shù)，監(jiān)視其是否超出正常范圍，以便隨時(shí)掌握患者的狀況，出現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警。第二十頁，共38頁。3.生化檢驗(yàn)利用傳感器的分子識(shí)別能力，檢測(cè)各種體液，溶液中的成分和含量。4.自動(dòng)控制根據(jù)傳感器提供的生理信息，調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。5.參與治療醫(yī)用電極經(jīng)常是用于檢測(cè)信號(hào)，又用于實(shí)施治療。第二十一頁，共38頁。二、醫(yī)用傳感器的分類1.按工作原理分類：物理傳感器化學(xué)傳感器

生物傳感器第二十二頁，共38頁。物理傳感器利用物理性質(zhì)和物理效應(yīng)制成的傳感器。如壓電式傳感器、半導(dǎo)體壓阻式傳感器、光電式傳感器等?；瘜W(xué)傳感器利用化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)效應(yīng)制成的傳感器。生物傳感器

采用具有生物活性物質(zhì)作為分子識(shí)別系統(tǒng)的傳感器。第二十三頁，共38頁。2.按被測(cè)量的種類分類位移傳感器流量傳感器溫度傳感器速度傳感器壓力傳感器第二十四頁，共38頁。位移傳感器（電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器）流量傳感器（插入式磁電流量傳感器、葉片式空氣流量傳感器）溫度傳感器（熱敏電阻、熱電偶、pn結(jié)溫度傳感器）速度傳感器（線速度傳感器、角速度傳感器） 壓力傳感器（金屬應(yīng)變片壓力傳感器、壓電傳感器、半導(dǎo)體壓力傳感器、電容壓力傳感器）第二十五頁，共38頁。3.按與人體感官相對(duì)應(yīng)的傳感器的功能分類視覺傳感器（各種光學(xué)傳感器）聽覺傳感器（拾音器、壓電傳感器、電容傳感器）嗅覺傳感器（各種氣體傳感器）第二十六頁，共38頁。第四節(jié)醫(yī)用傳感器的特性和要求一、傳感器應(yīng)具有以下特性：1.足夠高的靈敏度，能檢測(cè)出微弱的生物信號(hào)2.盡可能高的信噪比，以便在干擾和噪聲背景中提取有用的信息。3.良好的精確性，以保證檢測(cè)出的信息準(zhǔn)確、可靠。第二十七頁，共38頁。4.足夠快的響應(yīng)速度，能夠跟隨生物體信息量的變化。5.良好的穩(wěn)定性，保持長時(shí)間檢測(cè)漂移很小，輸出穩(wěn)定。6.較好的互換性，調(diào)試、維修方便。第二十八頁，共38頁。二、醫(yī)用傳感器的要求：1.與人體接觸、特別是植入人體內(nèi)的傳感器材料必須是無毒的，并且與生物體組織具有良好的相容性，長期接觸不會(huì)引起排異、炎癥等不良反應(yīng)。2.傳感器在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，不能影響或者盡可能少影響正常的生理活動(dòng)，否則檢測(cè)的信息將是不準(zhǔn)確的。第二十九頁，共38頁。3.傳感器應(yīng)具有良好的電氣安全性，特別是與體內(nèi)接觸的傳感器應(yīng)按照防止微電擊的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)(36V)并具有良好的絕緣性能。4.傳感器在結(jié)構(gòu)上和性能上要便于清潔和消毒，防止有害物質(zhì)交叉感染第三十頁，共38頁。第五節(jié)醫(yī)用傳感器的發(fā)展一、智能化傳感器二、微型化傳感器三、多參數(shù)傳感器四、遙控傳感器（電子藥丸）五、無創(chuàng)傷檢測(cè)傳感器第三十一頁，共38頁。1、開發(fā)新的敏感、傳感器材料在基礎(chǔ)研究中尋找發(fā)現(xiàn)具有新原理、新效應(yīng)的敏感元件和傳感元件。沒有深入細(xì)致的研究，就沒有新傳感元件的問世，也就沒有新型傳感器，組成不了新型測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)于半導(dǎo)體硅材料，發(fā)現(xiàn)力、熱、光、磁、氣體等物理量都會(huì)使其性能改變。制成力敏、熱敏、光敏、磁敏氣敏等敏感元件。第三十二頁，共38頁。2、開發(fā)研制新型傳感器及組成新型測(cè)試系統(tǒng)（1）MEMS技術(shù)要求研制微型傳感器。（微機(jī)電系統(tǒng)）如用于微型偵察機(jī)的CCD傳感器、用于管道爬壁機(jī)器人的力敏、視覺傳感器。（2）研制仿生傳感器（3）研制海洋探測(cè)用傳感器（4）研制成分分析用傳感器（5）研制微弱信號(hào)檢測(cè)傳感器第三十三頁，共38頁。3、研究新一代的智能化傳感器及測(cè)試系統(tǒng)智能傳感器一般具有以下功能：能夠根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行判斷和決策；可以根據(jù)軟件控制執(zhí)行相應(yīng)的操作；具有輸入、輸出接口，能夠與外界進(jìn)行信息交流；具有自我檢測(cè)、自我校正和自我保護(hù)功能。如電子血壓計(jì)，智能水、電、煤氣、熱量表。它們的特點(diǎn)是傳感器與微型計(jì)算機(jī)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成智能傳感器。系統(tǒng)功能最大程度地用軟件實(shí)現(xiàn)。第三十四頁，共38頁。4、多功能于多參數(shù)傳感器的研究如同時(shí)檢測(cè)壓力、溫度和液位的傳感器一逐步走向市場(chǎng)。優(yōu)點(diǎn)：多參數(shù)傳感器要比采用多個(gè)傳感器穩(wěn)定性好、精度高、體積小、重量輕、成本低。目前正在研制的仿生傳感器“電子鼻”就是一種能夠識(shí)別多