生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用

生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用第一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三第一章緒論第二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三第一節(jié)、傳感器作用、定義一、傳感器的作用控制系統(tǒng)信息獲?。▊鞲衅鳎┪锢砹浚z測或控制對象）信息處理（電子、計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通訊）執(zhí)行器（電動、機(jī)械）人體動作五官大腦對象四肢第三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三

傳感器就是對被測（被控）對象提取有用信息，以供運算、識別、顯示、控制等。它已是各應(yīng)用領(lǐng)域特別是自動檢測、自動控制系統(tǒng)不可缺少的重要技術(shù)工具，是首要環(huán)節(jié)。

如果沒有傳感器對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行精確可靠測量，那么，無論是信號轉(zhuǎn)換或信息處理，或最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制，都將成為一句空話。沒有傳感器，信息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)就成為無水之源。傳感器是整個信息產(chǎn)業(yè)的源頭，是信息社會賴以存在和發(fā)展的物資基礎(chǔ)。

無論是計算機(jī)軟、硬件，還是網(wǎng)絡(luò)、通訊技術(shù)發(fā)展日新月異，傳感器技術(shù)卻大為滯后，日益成為信息技術(shù)發(fā)展的瓶頸。究其原因，一是傳感器的應(yīng)用不盡如意，更重要的是傳感器自身的發(fā)展滯后。這是由傳感器本身特點所決定的。

學(xué)習(xí)這門課的主要目的就是掌握傳感器的基本原理、特點及應(yīng)用，為傳感器設(shè)計、選型，系統(tǒng)組建打下基礎(chǔ)。

第四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三二、傳感器定義

傳感器：能感受規(guī)定的被測量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為有一定精度、便于處理的有用信號的器件或裝置。規(guī)定：被測對象具有很多物理特征，而通常僅測單一物理量。不僅由于傳感器本身不宜感受多種物理量，而且對于測量某一具體物理量的傳感器，其它物理量會產(chǎn)生影響（傳感器輸出），從而造成誤差，即干擾。傳感器性能的一個重要技術(shù)指標(biāo)就是抗干擾能力。對于不同傳感器，其主要干擾源不盡相同，通常干擾有溫度、濕度、加速度、振動、光、電磁等等。第五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三一定規(guī)律：傳感器的輸入是被測量（機(jī)械量、化學(xué)量等），輸出則是電參量（電阻、電感、電容、頻率、相位、電壓、電流）。要通過傳感器的輸出推算出輸入，則必須兩者間有確定的函數(shù)關(guān)系，即確定的規(guī)律。

通常希望成簡單的線性關(guān)系，即：Y=kX。大多數(shù)遵從這一線性關(guān)系。但也有例外，如傾角的測量。

第六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三便于處理的有用信號：傳感器的輸出送至計算機(jī)、顯示器或執(zhí)行器中，這些設(shè)備信號通常是電信號，故傳感器的輸出一般為電信號。當(dāng)然，從長遠(yuǎn)觀點來看，輸出為光信號也許更為有利。

傳感器的輸入（被測物理量）通常是非電量，故傳感器測量又稱為非電量檢測。當(dāng)然被測物理量也可以是電量，如電量傳感器（強(qiáng)電流、電壓頻率、相位、功率的測量）。第七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三三、傳感器的應(yīng)用傳感器是現(xiàn)代信息社會的基礎(chǔ)，可以說是無處不在。日常生活：冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)、電子血壓計……工業(yè)生產(chǎn)：壓力、成份、力、溫度、流量、位移……信息技術(shù)：光驅(qū)、鼠標(biāo)、解碼、譯碼……醫(yī)療衛(wèi)生：B超、CT、溫度儀……軍事技術(shù)：陀螺儀、速度、加速度、定位……科學(xué)研究：磁場強(qiáng)度、高度、頻率……第八頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三四、傳感器組成將一種非電量轉(zhuǎn)換成另一種便于轉(zhuǎn)換的物理量非電量轉(zhuǎn)換成電量敏感元件轉(zhuǎn)換元件調(diào)理電路各種物理效應(yīng)電源第九頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三

敏感元件：通過彈性敏感元件將一種物理量轉(zhuǎn)化為另一種物理量。如力轉(zhuǎn)換為位移、應(yīng)變，位移轉(zhuǎn)換為力。正是由于敏感元件的轉(zhuǎn)換，同一物理量可以由多種原理的傳感器檢測，不同的物理量可以由同一原理傳感器檢測。因此應(yīng)掌握各種原理傳感器的特點。

轉(zhuǎn)換元件：通過各種物理效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為電量。有時敏感元件和轉(zhuǎn)換元件是同一元件，如壓阻式壓力傳感器。

電源：用于轉(zhuǎn)換元件和調(diào)理電路所需的電源。

調(diào)理電路：傳感器輸出為電參量，而接收信號的計算機(jī)等輸入信號為數(shù)字信號或標(biāo)準(zhǔn)的電流、電壓信號。因此，需調(diào)理電路將電參量轉(zhuǎn)換為所需的標(biāo)準(zhǔn)電信號。

敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、調(diào)理電路轉(zhuǎn)換時，需有一定精度。第十頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三五、傳感器技術(shù)特點內(nèi)容廣且離散：由于傳感器直接與被測對象聯(lián)系，其量程、環(huán)境、所測物理量不盡相同，原理、安裝形式、適用范圍多種多樣。知識密集程度高、邊緣學(xué)科色彩濃技術(shù)、工藝復(fù)雜因此本課程特點是：內(nèi)容離散、整體邏輯性不強(qiáng)。但共同之處在于：掌握每種傳感器原理、特點及應(yīng)用，以及處理電路、抗干擾能力等。第十一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三六、發(fā)展現(xiàn)狀

傳感器面對的是千差萬別的具體對象，同一物理量可以用不同傳感器進(jìn)行檢測，由于干擾、環(huán)境、溫度、濕度等環(huán)境不同，以及安裝方式、體積大小、精度、可靠性的要求不同，故傳感器很難大規(guī)模生產(chǎn)，從業(yè)人員較少、種類繁多，日益成為現(xiàn)代信息技術(shù)瓶頸。第十二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三七、發(fā)展趨勢智能傳感器（intelligenttransducer,smartstructure)集成化（硅傳感器）微型化（MEMS）高精度、寬量程，多用途新效應(yīng)、新原理傳感器（Z效應(yīng)、化學(xué)、圖像、生物傳感器）多參數(shù)、面、空間量傳感器多傳感器融合第十三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三八、傳感器分類1、按被測對象2、按原理3、按原理+被測對象第十四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)、生物醫(yī)學(xué)傳感器概述一、生物醫(yī)學(xué)傳感器特殊性生物醫(yī)學(xué)傳感器同過程控制傳感器一樣，是利用各種物理、化學(xué)、生物效應(yīng)制成的。但由于應(yīng)用對象（人體）不同，需考慮可靠性、安全性、生物體相容性，以及對象（人體）對傳感器的干擾等因素。1、為了準(zhǔn)確測量、減小干擾，通常將物理量直接作用于傳感器上，即接觸測量。接觸測量會使a.人體產(chǎn)生不適；

b.人體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)急反應(yīng)，從而改變被測部位的狀態(tài)，影響被測量的真實性。

因而通常采用非接觸測量第十五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三非接觸測量：傳感器不與被測介質(zhì)直接接觸。

非接觸測量特點：不會破壞被測介質(zhì)的狀態(tài)，但易受環(huán)境的影響，信號中干擾成份多，需進(jìn)行信號處理以去除干擾。

2、為能檢測生物體局部信息，又使對生物體的侵?jǐn)_減小到足夠低的程度，發(fā)展了體內(nèi)（植入式、部份插入式）傳感器，這相應(yīng)需考慮體積、能量信號傳輸方式、材料的生物相容性、安全性等。

3、生物信號特點是微弱、低頻、背景噪聲大，要求傳感器有較強(qiáng)的抗干擾能力。

4、應(yīng)充分考慮生物體的特性

5、需適應(yīng)多和環(huán)境和使用對象。第十六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三二、生物醫(yī)學(xué)傳感器的應(yīng)用1、檢測生物體的信息，相當(dāng)于醫(yī)生的五官，使臨床診斷由定性發(fā)展到定量，如中醫(yī)的“四診”量化。監(jiān)護(hù)控制第十七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三三、分類普通傳感器分