医用传感器_重点

**习题
1.已知：平板电容传感器极板间介质为空气，极板面积 S a a (2 2)cm2 ，间 隙 d0 0.1mm 。试求传感器初始电容值；若由于装配关系，两极板间不平行，一 侧间隙为 d0 ，而另一侧间隙为 d0 b(b 0.01mm) 。求此时传感器电容值。
b d0
x dx a
医用传感器 第一章 ***PPT 重点： 1.传感器的定义和组成 ⑴定义： 传感器：能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置 ——《传感器通用术语》 生物医学传感器：能将各种被观测的生物医学中的非电量转换为易观测的电学量的一类特殊 的电子器件 ⑵组成：
2.传感器的作用 ①提供信息 ②监护 ③生化检验 ④自动控制 ⑤参与治疗 3.医用传感器的特性和要求 ⑴特性： ①足够高的灵敏度 ②尽可能高的信噪比 ③良好的精确性 ④良好的稳定性 ⑤足够快的响应速度
⑵ UAB 波形图如图 3-5(b）所示。由波形图可知
C1 C2, U AB 0 C1 C2, U AB 0 C1 C2, U AB 0 ⑶ I1 jC1UP , I2 jC2UP (C3阻抗可忽略， C3 C1, C2 ) ，则
U AB (I1 I2 )ZAB
=
j (C1
C2 )U P
2. 为什么说检测类仪器的整体结构中，传感器起着关键性的作用？ 答：由于生物医学信号所具有的特点，使得仅仅依靠放大电路的模拟滤波和计算 机的数字滤波很难达到检测的要求，而传感器是将非电量转换为电学量的器件， 决定着检测的可能性和检测仪器的精确性、可靠性和应用范围。
3. 医用传感器有那些用途和分类方法？ 答： ⑴用途：①提供信息②监护③生化检验④自动控制⑤参与治疗；
⑵分类方法： ㈠按工作原理分类：①物理传感器②化学传感器③生物传感器 ㈡按被测量的种类分类：①位移传感器②流量传感器③温度传感器④速度传感器⑤压力传感 器 ㈢按与人体感官相对应的传感器的功能分类：①视觉传感器②听觉传感器③嗅觉传感器
4. 医用传感器主要是用于人体的，与一般传感器相比，还必须满足那些条件 答：生物相容性；物理适形性；电的安全性；使用方便性。（此处应简要说明这 4 种特性）
3.掌握静态特性指标 ⑴测量范围 ①传感元件测量范围有限制 ②变换电路工作范围有限制 ⑵灵敏度 传感器达到稳定后输出变化量△y 对输入变化量△x 的比值，通常用 k 表示：
灵敏度与测量范围有关！ ⑶线性度
传感器特性曲线与你和直线间最大偏差（△Y_max）与传感器满量程（FS）输出值（Y_fs） 的百分比，用 L 代表线性度
R Fra Baidu bibliotek00
根据单臂变化的等臂电桥的输出电压公式：
Uo
0.25U
R R
0.25 3 1.2 103
9 104
9、
10、
这个做的不对！ 第四章 **重点 一、电容式传感器基本工作原理、结构和特点 二、电容式传感器测量电路 交流电桥 变压器电容电桥 差动脉宽调制电路 运算放大器测试电路 三、电容式传感器的应用 **例题 置于某储存罐的电容式液位传感器由半径为 20mm 和 4mm 的两个同心圆柱体组成，并于存 储罐等高。存储罐也是圆柱体，半径为 25cm，高为 1.2m，被储存液体的介电常数为 2.1.试 计算传感器的最大电容和最小电容以及传感器用在该存储器内时的灵敏度。
图 3-1
解： 初始电容值
C0
S d
0 r S d0
22 3.6 0.01
35.37 pF
式中
0
1 3.6
pF / cm;
r
1.
如图 3-1 所示两极板不平行时求电容值
C
a 0
0 r adx
d0
b a
x
a 0
0 r d0
a b bx a
d
(
b a
x
d0 )
0 r a 2 b
ln(
得：EBD(t1)=EAC(t1)+ECD(t1)+EAB(t1) (2)
因为 EAB(t1)=ECD(t1)，故(2)式等于零。此时将(2)式代人(1)式有： EABCD(t,t1,t0)=EAB(t)+ECD(t0)+EAB(t)+EAB(t0)+EAB(t,t0) 由以上结果可知与接线盒处的温度 t1 无关，只要保持补偿热电偶 处 t0 恒定即可正常测温。
根据热电特性，可以画出如图 1.120(b)等效图。因此回路总电势 EABCD(t，tl，t0)主要是由四部分接触电势组成。则有:
EABCD(t,t1,t0)=EAB(t)+ECD(t0)+EBD(t1)+EAC(t1) (1) 根据热电势特性，当回路内各点温度相等时，回路电势为零。 即 当 t=t0=t1 时，EABCD=0
b d0
1)
2 2 ln( 0.01 1) 33.7 pF 3.6 0.001 0.1
6. 二极管环形检波测量 电路。C1 和 C2 为差动式电容传感器，C3 为滤波电容，RL 为负载电阻。R0 为限流电 阻。UP 是正弦波信号源。设 RL 很大，并且 C3>>C1,C3>>C2。
⑴ 试分析此电路工作原理；
**习题 用补偿热电偶可以使热电偶不受接线盒所处温度 t1 变化的影响如图所示接法。试用回路电 势的公式证明
解：如图 1.118(a)所示，AB 为测温热电偶，CD 为补偿热电偶，要 求补偿热电偶 CD 热电性质与测温热电偶 AB 在 0-100℃范围内热电性 质相近，即有 EAB(t)=ECD(t)。1.118 电路图
例题：
第三章 ***PPT 重点 电阻式传感器 1.应力和应变 参考课本 p20 2.应变片式传感器： ⑴金属应变效应 金属导体的电阻值随其机械变形而发生变化的现象。
⑵性能指标： ㈠ 灵敏系数
应变片的灵敏系数 K 恒小于线材的灵敏系数 K0 。原因主要是胶层传递变形失真及横向效应。 金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。 ㈡ 横向效应 因弯折处应变的变化使灵敏系数减小的现象称之为应变片的横向效应
第八章 **例题 例 1.热端为 100℃、冷端为 0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为 2.95mV， 而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生 的热电动势？
例 2. 用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为 2.436mV。再用温度计 测出环境温度为 30℃(且恒定)，求池水的真实温度。
㈢ 温度特性 应变片电阻随温度变化，产生原因有二 ① 应变感栅的金属电阻本身随温度发生变化 ②试件材料与应变材料的线膨胀系数不同引起应变片附加形变
△R t /R 0 =α·△t +κ·(βs - βg)·△t 令αt=α+κ·(βs - βg) 则△R t =R0·αt·△t R t：温度为 t 时的电阻值； R0：温度为 t0 时的电阻值；
这样写就太简单了！应写出理想与实际情况下输入电压的表达式！ 二、如图所示电荷前置放大器电路，已知 Ca = 100pF ，Ra =∞，CF =10pF。若考虑引线 Cc 的影响，当 A0 =104 时，要求输出信号衰减小于 1%。求使用 90pF/m 的电缆其最大允许长度 为多少？
同上一题！
第七章 **例题 已知某霍尔元件尺寸为长 l= 10mm，宽 b = 3.5mm，厚 d = 1mm。沿 l 方向通以电流 I= 1.0mA， 在垂直于 b×l 面方向上加均匀磁场 B = 0.3T，输出霍尔电势 UH = 6.55mV。求该霍尔元件的 灵敏度系数 KH 和载流子浓度 n 是多少？
第二章
PPT 重点 1.传感器的静态特性 当输入量处于稳定状态或发生较为缓慢的变化时的输入量与输出量之间的关系。 通常由传感器的物理、化学和生物的性质来决定。
2.掌握静态特性方程
⑴y在不a考0虑迟a滞1x、蠕变a2和x不2 稳定性等因a素n x：n
y 是输出信号
x 是输入信号 a0 是无输入时的输出，零位输出（即传感器的零偏） a1：传感器的线性灵敏度 a2、a3、…an：传感器的非线性项系数 ⑵不考虑零位输出： ㈠理想线性特性，如图 2-1（a） ㈡非线性项次数为偶数，如图 2-1（b） ㈢非线性项次数为奇数，如图 2-1（c） ㈣一般情况，如图 2-1（d）
6. 差动电桥
⑴单臂 U0=0.25U*△R/R ⑵双臂 U0=0.5U*△R/R ⑶四臂（全桥电路）U0=U*△R/R
注意：全臂电桥的通用表达式 习题： P41 5、
8. 解：根据灵敏系数的概念可知： R k R
R Rk 200 2.0 6104 0.24 所以， R 0.24 1.2 103
⑥较好的互换性
⑵要求： ①生物相容性 ②物理适形性 ③电的安全性 ④使用方便性
***课后习题：
1. 生物医学信号有那些特点？由此对医用传感器有那些要求？ 答：生物医学信号的特点：非电量、信号微弱、信噪比低、频率低； 对医用传感器的要求：高灵敏度、高信噪比、良好的精确性、足够快的响应速度、 良好的稳定性和较好的互换性。
漂移包括零点漂移和灵敏度漂移 。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移 时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化 温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移 习题： 1、 传感器的静态特性是什么？有哪些性能指标？如何计算和处理？
参考上面总结归纳的第二章重点 1.2.3. 2、 用传感器静态方程说明差动测量方法的优点。
UAB C1 < C2
U AB 0
t
U AB 0
t
U AB 0
t
(a)
(b)
图 3-5
正半周
F
点
C1 C2
D1 A点 C3 // RL B点(I1) D3 E点 R0 B点
负半周
B
点
CR30//RLE点
A点 D2 C2 D4 C1 F点
F点(I2
)
由以上分析可知：在一个周期内，流经负载电流 RL 的电流 I1 与 C1 有关， I2 与 C2 有关。因此每个周期内流过负载对流 I1+I2 的平均值，并随 C1 和 C2 而变化。 输出电压 UAB 可以反映 C1 和 C2 的大小。
α：电阻温度系数 βg :应变片线膨胀系数 βs :试件线膨胀系数 ㈣ 最高工作频率 ①机械应变以相同于声波速度的应变波形式在材料中传播。 *垂直方向传播：可忽略。 *在敏感栅长度方向传播：应变片反映应变片长度内应变量的平均值。 ②应变片的最高工作频率与应变片线栅的长度（或称基长）有关。 金属应变效应与半导体压阻效应的异同 3.固态压阻式传感器 半导体的压阻效应： 半导体材料在机械应力的作用下，材料本身的电阻率会发生较大的变化 4.电阻式传感器测量电路 5.直流电桥
⑵ 画出输出端电压 UAB 在 C1=C2、C1>C2、C1<C2 三种情况下波形图； ⑶ 推导U AB f (C1, C2 ) 的数学表达式。 解：⑴工作原理：UP 是交流波信号源，在正、负半周内电流的流程如下。
D1
A
C1
D4
UP
C2 ～
FE D3
C3 D2
RL
R0 B
UAB C1 = C2
UAB C1 > C2
RL RL
1 jc3
1 jC3
（RL 很大故可化简，
1 jC3
可忽略）
=
j
C1 C2 ) jC3
UP
C1 C2 C3
UP
输出电压平均值U
AB
K
C1 C2 C3
UP
，式中
K
为滤波系数。
第五章
**重点 一、电涡流式电感传感器原理 二、相敏检波电路工作原理
第六章 **例题 一、已知某压电式传感器测量低信号频率 f =1Hz，现要求在 1Hz 信号频率时其灵敏度下降不 超过 5%，若采用电压前置放大器输入回路总电容 C1 = 500pF。求该前置放大器输入总电阻 Ri 是多少？
⑷迟滞 对应于统一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不等，这种现象称为迟滞。大 小用正向和反向行程的输出信号间的最大偏差（△H_max）与满量程输出值（Y_fs）的百分 比来表示
各种传感元件材料的物理性质是产生迟滞现象的原因 ⑸稳定性 传感器输入端加进同样大小的输入时，最理想的情况是不管什么时候输出值的大小保持不 变。 漂移：传感器在连续使用过程中，即使输入保持一定，有时也会出现输出朝一个方向偏移的 现象。输入值是零也会发生漂移。