医用传感器_重点&习题解答&例题解答_仅供参考

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

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。

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）

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

⑴在不考虑迟滞、蠕变和不稳定性等因素：

y 是输出信号

2012n n y a a x a x a x =++++

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）

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

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。

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。

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

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；

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

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