最新重庆大学《生物医学传感器原理与应用》第二章--传感器基础
第二章 生物医学传感器
生物医学传感器的发展
发展方向： 1、传感器本身的研究和发展
a、传感器的基础研究，即研究发展传感器用的新技 术和新原理；
b、新的传感器产品的开发，即多功能精密陶瓷与传 感器，生物功能性物质与传感器，微细加工技术与超小 型传感器
2、与计算机技术相结合的传感系统的研究和开 发。
2.2生物电测量电极
2.2生物电测量电极
的体系称为电极 • 金属与溶液间电位差的大小和符号，取决于金属的种类和
溶液中金属离子的浓度 • 电极电位：金属与电解质溶液之间的界面的电位差
（a）电极—溶液界面；（b）界面的平衡电位
测量电极作为导体与连接导线和测量电路的输入端构成一个连通的 电子流通道。实现了把变化的细胞离子流向电子流转换和传递的作
测定生物电位时，前置放大器的偏置电流和皮肤电反应 的电压会使电极发生极化，产生超电压，使被测的生物 电产生失真。
为防止前级放大器饱和而引起失真：
减小前置放大器增益防止失真 降低电极极化产生的超电压
电极组织间采用饱和NaCl溶液及加一层导电膏， 以有利于测量。 导电膏
用电极引导生物电信号时，与电极直接接触的是 电解质溶液，如导电膏、人体汗液或组织液（针 电极插入皮下时）。因而电极的工作形成了一个 金属-电解质溶液界面
生物电是生物体最基本的生理现象
电极的基本概念
• 电极的作用 • 将生物体的离子电位转换为电子测量系统的电位，是一种换能器 • 电极是测量系统中放大器回路的一部分
• 电极的分类 • 按工作性质分
– 检测电极：用于检测生物电，传感器 – 刺激电极：用于施加电流，执行器
• 按电极大小分
– 微电极：尺寸小，用于检测细胞电活动 – 宏电极：尺寸相对较大，
生物医学传感器原理与应用
生物医学传感器原理与应用
生物医学传感器是一种能够检测生物体内生理参数的电子设备，它可以测量人体内的各种生理指标，如心率、血压、血糖、体温等。
这些传感器可以帮助医生更好地了解患者的身体状况，从而更好地制定治疗方案。
生物医学传感器的原理是基于生物体内的电信号。
人体内的各种生理指标都会产生电信号，这些信号可以通过传感器进行检测和测量。
传感器通常由两个部分组成：传感器本身和信号处理器。
传感器本身负责检测生物体内的电信号，而信号处理器则负责将这些信号转换成数字信号，以便于医生进行分析和诊断。
生物医学传感器的应用非常广泛。
它们可以用于监测患者的健康状况，帮助医生更好地了解患者的身体状况，从而更好地制定治疗方案。
例如，心脏病患者可以使用心率传感器来监测自己的心率，以便及时调整药物剂量。
糖尿病患者可以使用血糖传感器来监测自己的血糖水平，以便及时调整饮食和药物剂量。
除了用于医疗监测外，生物医学传感器还可以用于健康管理。
例如，智能手环可以监测用户的运动量、睡眠质量等健康指标，帮助用户更好地管理自己的健康。
生物医学传感器是一种非常有用的医疗设备，它可以帮助医生更好地了解患者的身体状况，从而更好地制定治疗方案。
随着技术的不
断发展，生物医学传感器的应用范围将会越来越广泛，为人类的健康事业做出更大的贡献。
生物传感器的原理及其应用
生物传感器的原理及其应用1. 引言生物传感器是一种能够检测和测量生物体中特定化学或生物活性物质的装置。
它通过与生物体内的靶分子相互作用，产生电信号或光信号来测量目标分子的浓度或活性。
生物传感器的原理基于生物分子的高度选择性和灵敏性，使其成为医学诊断、食品安全、环境监测等领域中不可或缺的技术。
2. 生物传感器的原理生物传感器的工作原理主要基于两个关键部分：生物分子识别元件和信号转换元件。
2.1 生物分子识别元件生物分子识别元件是生物传感器的核心部分，它能够与目标生物分子特异性地相互作用。
常见的生物分子识别元件包括抗体、酶、核酸、受体等，其选择主要根据目标分子的性质和应用需求。
2.2 信号转换元件信号转换元件将生物分子的相互作用转化为可测量的信号，一般分为电化学传感器和光学传感器两种类型。
•电化学传感器：利用电化学反应产生的电流或电势变化来测量目标分子的浓度或活性。
常用的电化学传感器包括离子选择电极、电导传感器、电化学发光传感器等。
•光学传感器：利用生物分子与光信号的相互作用产生的吸收、散射、荧光等变化来测量目标分子的浓度或活性。
常见的光学传感器包括表面等离子体共振传感器、荧光传感器等。
3. 生物传感器的应用3.1 医学诊断生物传感器在医学诊断中发挥着重要作用。
例如，血糖监测仪利用葡萄糖酶作为生物分子识别元件，通过测量血液中的葡萄糖浓度来监测糖尿病患者的血糖水平。
此外，生物传感器还可以用于检测肿瘤标志物、感染性病原体等，为医生提供重要的诊断依据。
3.2 食品安全检测生物传感器在食品安全领域中广泛应用。
酶传感器可用于检测食品中的残留农药，抗体传感器可用于检测食品中的致病菌和毒素。
这些传感器可以快速、准确地检测食品的安全性，帮助保障公众的健康。
3.3 环境监测生物传感器可用于环境监测，例如检测水中的重金属离子、土壤中的农药残留等。
光学传感器和电化学传感器都可以用于此类应用，通过监测环境中的污染物，保护生态环境和人类健康。
生物医学中的传感器技术
生物医学中的传感器技术随着生物医学领域的不断发展，传感器技术已经成为了一个重要的研究领域。
生物医学传感器的基本原理是将生物信号转换为电信号，从而实现对生物体的监测和分析。
传感器通过对生物体信息的灵敏反应能够提供非常精确和实时的数据。
传感器技术在生物医学领域中的应用具有非常广泛的前景，包括医疗器械、药物筛选、疾病预测和治疗等方面。
生物医学传感器可以分为多种类型，如光学传感器、化学传感器、电化学传感器、生物传感器和机械传感器等。
这些传感器的基本工作原理都是通过感受生物体的信号来进行数据采集和分析。
在这些传感器中，其中一种比较常见的是电化学传感器。
电化学传感器是利用电化学反应转化生物体信号为电信号的一种传感器。
它通常包括三个部分：工作电极、参比电极和计量电极。
这些部件协同工作，完成从生物体的化学信号转化为电信号的过程。
电化学传感器被广泛应用于生物体中的离子、分子和细胞等诸多领域中。
在生物医学传感器的应用领域中，最广泛的是医疗器械领域。
在目前医疗器械中，许多仪器都需要生物体内生化、物理和生理等方面的信号数据。
安装生物医学传感器可以实现对这些信号的实时和高效监测。
比如，在负责调节人体内分泌系统的胰岛素泵中，生物医学传感器可以确保适量的胰岛素注射，减少并发症的风险。
又比如，在心脏起搏器中，生物医学传感器可以实时监测心脏的跳动情况，减少心脏机械损伤以及心血管并发症的风险。
通过生物医学传感器可以筛选出合适的药物，达到更加精准的治疗效果。
目前，生物医学传感器可以获得更精确的生物信号数据，这有助于对药物的筛选和治疗方案的定制化。
这些传感器可以轻松地检测体内不同的生物化学标记物，如蛋白质、酶、DNA和细胞表面标记物等。
这些数据可用于药物筛选、预测药物作用及评估药物副作用等领域。
除此之外，生物医学传感器还可以应用于疾病预测和治疗。
例如，糖尿病患者需要监测自身的血糖水平，并及时调整胰岛素注射用量。
生物医学传感器可以检测出患者血糖水平，提供更精确的数据。
生物传感器的原理与应用
生物传感器的原理与应用生物传感器是一种能够依靠生物分子与物理信号进行相互作用，实现生物信息转化和检测的装置。
它借鉴了生物学，化学和电子学的理论和技术，广泛应用于医疗、环境、食品安全等领域。
本文将介绍生物传感器的原理和一些常见的应用。
一、生物传感器的原理生物传感器通常由三个组成部分构成：生物识别元件、信号转换元件和信号处理元件。
1. 生物识别元件：生物传感器通过生物识别元件与待测物相互作用，实现检测和分析。
生物识别元件通常是具有特定选择性的生物分子，如酶、抗体、核酸等。
通过与待测物相互作用，生物识别元件可以产生特异性的信号响应。
2. 信号转换元件：信号转换元件将生物识别元件产生的生物分子信号转化为物理或化学信号。
常见的信号转换元件包括光电二极管、电化学电极和晶体振荡器等。
不同的生物传感器采用不同的信号转换元件来实现信号的转换和放大。
3. 信号处理元件：信号处理元件将信号转换元件转换得到的物理或化学信号进行放大、滤波和解码等处理。
信号处理元件通常由微处理器或电子电路组成，能够对信号进行实时监测和分析，并输出相应的结果。
二、生物传感器的应用生物传感器在医疗、环境监测和食品安全等领域有广泛的应用。
1. 医疗领域：生物传感器在医疗诊断中起到了重要的作用。
例如，血糖传感器可以测量血液中的葡萄糖浓度，用于糖尿病患者的自我监测。
基因传感器可以检测DNA序列，用于遗传疾病的早期筛查。
此外，生物传感器还可以用于药物筛选和监测药物浓度等方面。
2. 环境监测：生物传感器被广泛应用于环境监测，尤其是水质和空气质量监测。
水质传感器可以检测水中的氨氮、重金属等物质，用于水质评估和污染监测。
生物传感器还可以用于检测空气中的有害气体和微生物，提供实时的环境监测数据。
3. 食品安全：生物传感器在食品安全领域也有重要的应用。
例如，食品中的农药残留可以通过生物传感器进行快速检测。
利用生物传感器还可以检测食品中的重金属和微生物等有害物质，确保食品的安全性。
第2章 生物医学传感器基础课件
• E 0 是金属浸在含有该金属离子有效浓度 为lmol/L的溶液中达到平衡时的电极电位, 称为这种金属的标准电极电位（表3.2 ）
• 可看出 E 0 值远远大于所有生物电位信号 的大小。
• E 0 与金属以离子形态转入溶液的能力K 以及温度T有关系。
第2章 生物医学传感器基础
第2章 生物医学传感器基础
• 图 电极－溶液界面的平衡电位
锌电极放入含Zn2＋的溶液 中，锌电极中Zn2＋进入溶 液中，在金属上留下电子
带负电，溶液带正电。
进入水中的正离子和带负 电的金属彼此吸引,使大多 数离子分布在靠近金属片 的液层中,形成的电场,阻 碍Zn2＋进一步迁移最终达 到平衡。
此时金属与溶液之间形成电荷 分第2布章 产生物生医学一传感定器的基础电位差。
第2章 生物医学传感器基础
一、电极的基本概念
• 生物电是生物体最基本的生理现象，各种生物 电位的测量都要用电极；给生物组织施加电剌 激也要用电极
• 电极实际上是把生物体电化学活动而产生的离 子电位转换成测量系统的电位
• 电极起换能器作用，是一种传感器
• 电流在生物体内是靠离子传导的,在电极和导
线中是靠电子传导的,在电极和溶液界面上则
＋
-
-
-
＋
-
生物电检测电极示意图 第2章 生物医学传感器基础
生物电测量的等效电路
第2章 生物医学传感器基础
• 医用电极按工作性质可分为检测电极和 刺激电极两大类：
• 检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。 需用电极把这个部位的电位引导到电位测量 仪器上进行测量,这种电极称为检测电极。
• 剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的 电极。剌激电极是个执行元件。
生物医学传感传感器基本知识
7:21 AM
22
3) 迟滞
迟滞是描述传感器的正向和反向特性不一致的程度.
传感器在全量程范围内最大的迟滞差值ΔHmax与满量 程输出值YFS之比称为迟滞误差，用δH表示，即
数量关系的线性程度。
y
YFS 实 际 特性 曲 线
理 想 特性 曲 线
o
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x
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2）线性度(非线性误差)
定义：在规定条件下,传感器校准曲线与某一选定的拟 合直线间的最大偏差与满量程(F.S)输出平均值的百分 比,称为线性度L 。
Ｌ＝
Lmax YF .S
100％
Lmax — 校准曲线与拟合直线 的最大偏差；
YFS — 传感器满量程输出， YFS Ymax Y0
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16
注意：
采用拟合直线的方法不同，则其拟合后所得到的基准直 线不同，计算出的线性度也会不一样。
所以要特别注意：说明某传感器的线性度是多少时，不 能笼统的说线性度或非线性误差，必须同时说明所依据 的基准直线，即采用什么样的拟合方法。
9
(3) 非线性项仅有偶次项（图c）
Y a1X a2 X 2 a4 X 4 L L
注意，在图 (c)中, 相对线 性范围中心偏离原点。
另外，输出－输入特性曲 线无对称性。
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(4)奇偶次项都有的非线性(图d)
Y a1X a2 X 2 a3 X 3 L L an X n
第2章 传感器的基本知识
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内容回顾
传感器的定义 传感器的组成 生物医学传感器的用途和分类
生物医学传感器原理与应用
生物医学传感器原理与应用
生物医学传感器原理与应用
一、定义
生物医学传感器是指以生物、化学或物理反应为基础，利用传感器原理和检测技术测量生物医学信号（如生物电、血液成分等）的设备。
二、传感原理
储存在生物体内的信息包括激活的物质和信号物质，以及具有不同电子极性的物质。
这些物质在外部因素的作用下，会形成电子信号，从而被传感器检测。
1、光电检测
光电检测可以通过分析光信号来检测生物医学信号，其原理是通过精密的光学技术观测生物体内反射回来的光谱信号，根据其特定频谱来推断出检测物的浓度，从而反应相应信号物的化学变化情况，可用于检测血液中的蛋白质含量、血糖浓度等生物医学信号。
2、电化学检测
电化学检测是一种以电解质反应为基础的检测方法，通过电解剂对电解质反应产生的电流和电压变化来表征物质浓度的变化，从而进行检测。
电化学检测可用于检测血液中的钠、钙和氯离子、血氧分压、血清谷丙转氨酶等生物医学信号。
三、应用
1、临床医学
生物医学传感器的应用非常广泛，如血氧仪、血液分析仪、脑电图仪、心电图仪等都是利用生物医学传感器原理和技术的应用，可用于检测心肺功能、血氧分压、血液成分等，对临床医学大有帮助。
2、环境监测
生物医学传感器也可用于环境监测，如可以用来检测大气污染物的浓度，检测地下水污染等，为环境保护和环境污染防治提供有力的支持。
四、总结
生物医学传感器是一种利用传感器原理来检测生物医学信号的设备，包括光电检测、电化学检测等原理，具有广泛的应用，如用于临床医学、环境监测等领域，为人类的医疗和环境保护提供了有力的支持。
重庆大学《生物医学传感器原理与应用》第二章--传感器基础
第二章 传感器基础§2-1 传感器的静态特性医用传感器的输入量可以分为静态量与动态量两大类。
静态量：是指固定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态量）。
动态量：通常是指周期信号、瞬变信号或随机信号。
无论对动态量或静态量，传感器输出量都应不失真地复现输入生理量的变化，其关健决定于传感器的静态特性与动态特性。
一．传感器的静态特性传感器的静特性—表示传感器在被测量处于稳定状态，输入量为恒定值而不随时间变化时，其相应输出量亦不随时间变化，这时输出量与输入量之间的关系称为静态特性。
这种关系一般根据物理、化学、生物学的“效应”和“反应定律”得到，具有各种函数关系。
传感器的输出输入关系或多或少的存在非线性问题。
在不考虑迟滞蠕变不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：n n x a x a x a x a a y +++++=Λ332210 (2-1)式中 y — 输出量；x — 输入量；0a — 零位输出（零偏）；1a — 传感器的灵敏度，常用K 表示；na a a ,,,32Λ — 非线性项系数各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。
由式（2—1）可知，如果0a ＝0，表示静态特性通过原点，这时静态特性是由线性项和非线性的高次项迭加而成。
这种多项式代数方程可能有四种情况，表现了传感器的四种静态特性，如图2－1所示。
1．线性特性在理想情况下，式（2—1）中的零偏0a 被校准（0a ＝0）．且x 的高次项为零。
,,,32=n a a a Λ 线性方程为: x a y 1= 如图2—1（a ）所示。
此时， K x y a ==/1 K 称为传感器的灵敏度。
2．非线性项仅有奇次项的特性当式（2—1）中只有x 的奇次项，即：Λ+++=55331x a x a x a y 时，特性如图2—1（b ）所示。
在这种情况下，在原点附近相当范围内输出、输入特性基本成线性，对应的曲线有如下特性：y （x ）＝－y(－x ） 3．非线性项仅有偶次项的特性当式（2—1）中只有x 的偶次非线性项时．所得曲线不对称，如图2－1（c ）所示。
《生物医学传感器原理与应用》(精)
《生物医学传感器原理与应用》Principles and Applications of Biomedical Sensors
课程简介
一、课程编号：060206
二、课程类型：必修
课程学时/学分：48学时/3学分
适用专业：生物医学工程专业本科生
先修课程：人体解剖生理学、信号与系统、电子电路基础
三、课程简介：
生物医学传感器技术是一门多学科交叉的应用技术，是生物医学工程的重要学习内容，是获取人体生理、病理信息的关键技术。
医用传感器接口技术则是研究为使传感器能快速、准确地感测和获取各种生理信息，而设计相关电路与设备所必须的有关技术。
本课程在介绍了常用的传感器原理、特性，并结合生物医学实际的脉搏波检测、血压、心电、检测等医学智能电子仪器，详细介绍了各类传感器应用的接口技术。
另外，还专门对光电式传感器、光纤传感器、压电传感器、图像传感器、电化学和生物传感器的原理及应用做了详细的介绍。
本课程作为生物医学工程专业必修课程可以为后续专业课程（医学仪器、医学成像技术、医学电子学等）打下医学电子仪器处理医学信号的基础。
四、选用教材：
1、生物医学传感器原理及应用彭承琳主编高等教育出版社
2、传感器原理及工程应用郁有文、常健等主编西安电子科技大学出版社。
生物医学传感器原理
生物医学传感器原理引言：生物医学传感器是一种用于检测和监测生物体内生理参数的设备，它在医学诊断、疾病监测和治疗等领域具有广泛的应用。
本文将介绍生物医学传感器的原理及其在医学领域中的应用。
一、生物医学传感器的原理生物医学传感器的原理基于生物体内的生理参数与传感器之间的相互作用。
传感器通常由两个主要组成部分构成：生物识别元件和转换器。
1. 生物识别元件生物识别元件是生物医学传感器的核心部分，它能够与生物体内的目标分子或生理参数发生特异性的相互作用。
常见的生物识别元件包括抗体、酶、DNA探针等。
这些元件能够通过与目标分子的结合或催化反应，产生可测量的信号。
2. 转换器转换器是将生物识别元件与测量设备之间的信号转换的部分。
它将生物识别元件与电子设备相连接，将生物体内的生理参数转化为电信号或其他可测量的形式。
常见的转换器包括电化学传感器、光学传感器和压力传感器等。
二、生物医学传感器的应用生物医学传感器在医学领域中有着广泛的应用，以下将介绍其中几个重要的应用领域。
1. 医学诊断生物医学传感器可以用于医学诊断，通过检测生物体内的特定分子或生理参数来判断疾病的存在与程度。
例如，血糖传感器可以监测糖尿病患者的血糖水平，帮助医生进行诊断和治疗。
2. 疾病监测生物医学传感器可以实时监测患者的生理参数，帮助医生了解疾病的进展和治疗效果。
例如，心电图传感器可以监测心脏的电活动，帮助医生判断心脏病的严重程度和治疗效果。
3. 药物输送生物医学传感器可以用于药物输送系统，通过监测患者的生理参数来实现精确的药物输送。
例如，胰岛素泵可以根据血糖传感器的信号，自动调节胰岛素的输送量，帮助糖尿病患者控制血糖水平。
4. 生物体外监测生物医学传感器还可以用于生物体外的监测，例如环境污染监测和食品安全检测等。
通过检测环境中的有害物质或食品中的污染物，可以保障公众的健康和安全。
结论：生物医学传感器是一种重要的医疗设备，它通过与生物体内的生理参数相互作用，实现对生物体的监测和治疗。
生物医学传感器原理及应用
第二节 细胞的生物电现象
概述 恩格斯在100多年前就指出：“地球上 几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的变 化”。人体及生物体活细胞在安静和活动时都 存在电活动，这种电活动称为生物电现象 （bioelectricity）。细胞生物电现象是普遍 存在的，临床上广泛应用的心电图、脑电图、 肌电图及视网膜电图等就是这些不同器官和组 织活动时生物电变化的表现。
生
利用材料的物理变化
理
参
利用化学反应原理，数非电把化学成分、浓度转 换成电信号
学
量 参
利用生物活性物质选择 性识别来测定生化物质
数
生物电电极
物理传感器 化学传感器 生物传感器
物理传感器
电阻式传感器 电容式传感器
电感式传感器 压阻（效应）传感器 压电（效应）传感器 光电（效应）传感器 霍尔（效应）传感器
医用学传感器的分类
传感器的分类方法多种多样，有按传感器的工作 原理分的，有按输入信息的类型分的，也有按能 量关系或输出信号类型分的。医学测量中往往按 被测信号来分类，如脉搏传感器、呼吸波传感器 等。
医用传感器按工作原理分类，大致可分为：
电 学 机体的各种生物电（心 量 电、脑电、肌电、神经 参 元放电等） 数
生物医学传感器 原理及应用
内容提要
1、医用传感器基础 2、生物电检测电极 3、常用医用物理传感器 4、化学传感器和生物传感器 5、传感器技术的发展与展望
§1 医用传感器基础
对传感器的定义：
“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”。
生物医学传感器的原理与使用技巧
生物医学传感器的原理与使用技巧简介：生物医学传感器是一种能够检测和监测生物体内生理和生化变化的装置。
它在医学领域的应用非常广泛，可以用于病情的早期诊断、监测疾病治疗效果以及个体化健康管理等方面。
本文将介绍生物医学传感器的原理和使用技巧，以帮助读者更好地理解和应用这一技术。
一、生物医学传感器的原理生物医学传感器的原理基于生物化学和传感技术。
它通过与生物体产生相互作用，将生物体内的生理和生化信息转化为可测量的电信号。
其主要组成部分包括生物识别元件和传感电路。
1. 生物识别元件生物识别元件是生物医学传感器的核心。
它可以是生物酶、抗体、DNA或细胞等，用于识别特定的病理标记物或生物分子。
例如，抗体可以与肿瘤标记物结合，生物酶可以与葡萄糖结合。
2. 传感电路传感电路将生物识别元件与电子器件连接在一起，将生物体内的信息转化为电信号。
传感电路包括信号放大器、滤波器和数据处理单元等。
它们可将微弱的生物信号放大和处理，提高传感器的灵敏度和准确性。
二、生物医学传感器的使用技巧生物医学传感器的正确使用可以确保准确的测量结果和保护患者的安全。
以下是一些使用技巧：1. 选择适当的传感器不同的疾病和需要监测的生理参数需要不同类型的传感器。
在选择传感器时，需要考虑其灵敏度、准确性、稳定性以及与设备和系统的兼容性。
确保选用的传感器能够满足实际应用的需求。
2. 实施质量控制生成医学传感器应遵循严格的质量控制程序。
每个传感器在出厂前需要进行校准和测试，以确保其性能稳定可靠，并满足相关的监管标准。
在使用传感器之前，应检查其完整性和有效性，并进行必要的验证。
3. 适当的传感器安装位置传感器的安装位置对于测量结果的准确性至关重要。
应选择合适的部位，并遵循正确的安装方法。
对于皮肤传感器，清洁和消毒皮肤是必要的。
注意避免传感器与导联线和其他设备发生干扰，以避免误差的产生。
4. 定期维护和校准生物医学传感器的维护和校准对于保持其性能至关重要。
第2章传感器基特性生物医学传感器
超调量σ 传感器输出超过稳态值的最大值ΔA， 常用相对于稳态值的百分比σ表示。
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2.稳态响应
对正弦函数和余弦函数分别做拉式变换，得：
Xsin(s)s22
Xco(ss)s2
s
2
代入
得出的系统响应y(t)包括瞬态
Y(s)H(s)X(s) 响应成分和稳态响应成分。但 瞬态响应逐渐消失。
dmx
dm1x
dx
bm dtm bm1 dtm1 ... b1 dtb0x
对于一个复杂的系统或输入信号，求解其微分方程是很困难 的，因此可以采用足以反映系统动态特性的函数，将系统的输 入输出联系起来，工程中常用的函数有传递函数、频率响应、 脉冲响应函数和阶跃响应。
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医学仪器教研室
对上式进行拉氏变换，ຫໍສະໝຸດ ：Page 9医学仪器教研室
③ 非线性项次数为奇数 当a2=a4=…=0时，特性曲线
如图所示。
ya1xa3x3a5x5......
特点： a.特性曲线关于原点对称y( x
)=-y( -x )。 b.特性曲线在原点有较宽的线
性区
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④ 一般情况 当a0=0时特性曲线如图所示：
例：求二阶传感器的传递函数
a2d2 dy2 (tt)a1dd(ty )ta0y(t)b0x(t)
对其进行拉氏变换 对其进行拉氏变换
s2
(02
21)y(s)k 0
x(s)
H(s)Y X((ss)) （ s2 0 2k2 0s1)s22ks 0 200 2
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第二章 传感器基础§2-1 传感器的静态特性医用传感器的输入量可以分为静态量与动态量两大类。
静态量：是指固定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态量）。
动态量：通常是指周期信号、瞬变信号或随机信号。
无论对动态量或静态量，传感器输出量都应不失真地复现输入生理量的变化，其关健决定于传感器的静态特性与动态特性。
一．传感器的静态特性传感器的静特性—表示传感器在被测量处于稳定状态，输入量为恒定值而不随时间变化时，其相应输出量亦不随时间变化，这时输出量与输入量之间的关系称为静态特性。
这种关系一般根据物理、化学、生物学的“效应”和“反应定律”得到，具有各种函数关系。
传感器的输出输入关系或多或少的存在非线性问题。
在不考虑迟滞蠕变不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：n n x a x a x a x a a y +++++= 332210 (2-1)式中 y — 输出量；x — 输入量；0a — 零位输出（零偏）；1a — 传感器的灵敏度，常用K 表示；n a a a ,,,32 — 非线性项系数各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。
由式（2—1）可知，如果0a ＝0，表示静态特性通过原点，这时静态特性是由线性项和非线性的高次项迭加而成。
这种多项式代数方程可能有四种情况，表现了传感器的四种静态特性，如图2－1所示。
1．线性特性在理想情况下，式（2—1）中的零偏0a 被校准（0a ＝0）．且x 的高次项为零。
0,,,32=n a a a 线性方程为: x a y 1= 如图2—1（a ）所示。
此时， K x y a ==/1 K 称为传感器的灵敏度。
2．非线性项仅有奇次项的特性当式（2—1）中只有x 的奇次项，即： +++=55331x a x a x a y 时，特性如图2—1（b ）所示。
在这种情况下，在原点附近相当范围内输出、输入特性基本成线性，对应的曲线有如下特性：y （x ）＝－y(－x ） 3．非线性项仅有偶次项的特性当式（2—1）中只有x 的偶次非线性项时．所得曲线不对称，如图2－1（c ）所示。
4．一般情况对应的曲线如2—1（d ）所示。
在实际应用中，如果非线性项的x 方次不高，则在输入量变化不大的范围内，可以用切线或割线来代替实际静态特性的某一段，使得传感器的静态特性近于线性，称之为传感器静态特性的线性化。
只要传感器非线性系数较小，测量范围又不大时，即可这样处理。
当没计传感器时，把测量范围选择在最接近直线的那一小段，可 使传感器的静态特性近于线性。
传感器的静态特性实际上是非线性的，所以它的输出不可能丝毫不差地反映被测量的变化，对动态特性也会有一定的影响。
传感器的静态特性是在静态标准条件下进行校准的。
静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击，环境温度一般在室温20℃±5 ℃，相对湿度不大于85％，大气压为101.3士8 kPa 。
在这种标准工作条件下，利用一定等级的校准设备，对传感器进行反复的测试，将得到的输出－输入数据列成表格或画成曲线。
把被测量值的正行程输出值和反行程输出值的平均值连接起来的曲线称为传感器的静态校准曲线。
二．传感器的静态特性指标 1．线性度传感器的线性度也叫作传感器特性曲线的非线性误差。
它是用传感器校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出平均值之比的百分数来表示的（如图2—2所示）：δL ＝士(ΔL max / Y FS )×100％ （2－2） 式中δL 为线性度；ΔL max 为校准曲线与拟合直线之间的最大偏差； Y FS 为传感器满量程输出（平均值），Y FS ＝Y max －Y 。
常用的拟合直线的方法：⑴．采用理论直线作为拟合直线来确定传感器的线性度。
所谓理论直线即式（2－1）静态方程式的第一种情况：Y ＝α1X ，由此式求得的线性度称为理论线性度。
拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。
该方法十分简单，但ΔL max 较大。
图2—3为理论线性度的示意图。
⑵．采用最小二乘法拟合采用最小二乘法拟合时 ,设拟合直线方程为y =kx+b (2-3)若实际校准测试点有 n 个,则第i 个校准数据与拟合直线上相应值之间的残差为)(b kx y i i i +-=∆ (2-4)最小二乘法拟合直线的原理就是使残差平方和∑∆2i为最小值 , 即min)]([122=+-=∆∑∑=ni i iib kx y(2-5)也就是使∑∆2i对k 和 b 一阶偏导数等于零 , 即0))((22=---=∆∂∂∑∑i i i i x b kx y k (2-6) 0)1)((22=---=∆∂∂∑∑b kx y b i i i (2-7)从而求出 k 和 b 的表达式为22)(∑∑∑∑∑--=i i i i i i x x n y x y x n k (2-8)222()iiii i iix y x x y b n x x -=-∑∑∑∑∑∑ (2-9)在获得k 和b 之值后代入式 (2-3) 即可得到拟合直线,然后按式 (2-4) 求出残差的最大值。
大多数传感器的输出曲线是通过零点的,或者使用“零点调节”使它通过零点。
某些量程下限不为零的传感器,也应将量程下限作为零点处理。
⑶．分段线性拟合为减少传感器的非线性误差，提高测量准确度，可进行分段线性拟合，采用软件分段插值进行误差修正。
在传感器测量范围进行多点标定，以便在测量时进行非线性误差修正。
采用软件进行非线性误差修正的原理如图所示。
图中标定了四个测量点，可确定四个点的灵敏度系数，以便分段插值进行修正。
对于任意一点的值Fi 可根据此时测得的传感器输出的电压值Vi,按下式计算。
即，当 1+≤<k i k V V Vk k k i i F tg V V F +⋅-=+1)(θ，k=0,1,2,32．迟滞传感器的正向(输入量增大)和反向(输入量减小)特性的不一致程度。
迟滞特性如图2-4所示，它一般是由实验方法测得。
迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示，即δH ＝士(ΔH max / Y FS )×100％ （2-10）式中 ΔH max —输出值在正反行程间的最大差值。
迟滞误差的另一名称叫回程误差。
回程误差常用绝对误差表示。
检测回程误差时,可选择几个测试点。
对应于每一输入信号,传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。
3．重复性重复性是指传感器在同一工作条件下，输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。
如图2-5 所示，正行程的最大重复性偏差为Δ1max 时 , 反行程的最大重复性偏差为Δ2max 。
重复性偏差取这两个偏差之中较大者为ΔR max , 再以满量程Y FS 输出的百分数表示,即δR ＝士(ΔR max ,/ Y FS )×100％ （2-11）重复性误差属于随即误差，故应根据标准误差计算。
检测时可选取几个测试点,对应每一点多次从同一方向趋近,获得输出值系列in i i i y y y y ,,,,321 ，算出标准偏差σ，然后按以下公式计算重复性误差δRδR ＝士(2～3σ/ Y FS )×100％ （2-12）标准偏差σ可用贝塞尔公式计算：1)(12--=∑=n y yni iσ （2-13）式中 i y － 测量值； y —测量值的算术平均值；n — 测量次数。
4．正确度、精密度、准确度正确度：测量值有规律地偏离真值的程度，它反映了测量结果的系统误差的大小。
精密度：在同一条件下进行多次测量，测量值不一致的程度，它反映了测量结果的随机误差的大小。
精密度由两个因素确定，一是重复性，二是仪表能显示的有效位数。
准确度：输出测量值和它的真值之间的偏差值，是传感器系统误差和随机误差的综合。
即准确度是正确度和精密度的综合。
实际测量中．精密度高，不一定正确度高；反之，正确度高，精密度也不一定高。
但准确度高，则需要精密度和正确度都高。
在工程检测中，为简单地表示仪表或传感器测量结果地可靠程度，引入一个仪表精度等级A 地概念。
A 定义为，最大绝对允许误差值相对仪表测量范围的百分数，即 A ％=(ΔA/Y FS )×100％式中 ΔA －最大绝对允许误差值如压力传感器的精度等级分别为：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0 在传感器出厂检验时，其精度等级代表的误差是指传感器测量的最大误差，即极限误差。
例：欲测量10Pa 压力，现有两种量程的压力传感器，一个量程为100Pa ，精度为士1.5级，另一个量程为15Pa ，精度为士2.5级，问选用哪一个传感器合适？通过此例说明了什么？极限误差ΔA ＝Y FS ×A ％ ，ΔA1＝100×1.5％＝1.5 Pa ，ΔA2＝15×2.5％＝0.375 Pa 所以选量程为15Pa ，精度为士2.5级的传感器。
5．灵敏度灵敏度是指传感器在稳态下，输出的变化量ΔY 与引起该变化量的输入变化量ΔX的比值，用K 表示（图2－6），其表达式为K=ΔY/ΔX （1-14）由此可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。
对具有线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k 是一常数，与输入量大小无关。
非线性传感器的灵敏度可用dY/dX 表示，数值上等于最小二乘法拟合曲线的斜率。
6．灵敏限灵敏限是指输入量的变化不至于引起输出量有任何可见变化的量值范围。
例如，某血压传感器当压力小于0.1333 kPa 时无输出，则其灵敏限为0.1333kPa 。
分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。
有些传感器,当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。
所以灵敏限也可以理解为在传感器输入零点附近的分辨力。
7．零点漂移：传感器无输入（或在某一输入值不变时），每隔一段时间，其输出偏离零值（或原指示值）。
§2-2 传感器的动态特性动态特性——传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。
标准输入：正弦信号，阶跃信号。
动态特性好：Y 与X 随t 变化的曲线一致或相近。
一、动态特性的一般数学模型线性系统——能用普通线性常系数微分方程来描述的系统。
()()()()()()()()t X b dt t dX b dt t X d b dt t X d b t Y a dt t dY a dt t Y d a dt t Y d a m m m m m m n n n n n n 0111101111+++=++++------ 式（2-12）式中：Y(t) — 输出量，X(t) — 输入量，t — 时间，n a a 0— 常数。