生物医学传感器复习资料
生物医学传感器 简答题汇总
生物医学传感器与一般传感器相比，还必须满足1.材料无毒，且与生物体组织有良好的相容性；2.检测时，长期接触不会影响或尽可能少影响正常生理活动；3.有良好的电气安全性4.在结构和性能上便于清洁和消毒，防止交叉感染。
生物信号有哪些特点对医学传感器有哪些要求特点：1.非电量信号；2.生物信号十分微弱；3.信噪比低；4.变化频率低；5.无创伤的检测； 要求：1.灵敏度高；2.信噪比高；3.良好的精确性；4.响应速度快；5.稳定性；6.互换性； 什么是应变效应什么是压阻效应两者有何异同应变效应：金属电阻受力后尺寸变化引起阻值变化；压阻效应：半导体电阻受力后电阻率变化引起电阻值变化；同：都受到作用力，其结果都会导致电阻值的变化。
异：导致阻值变化的原因不同，前者因尺寸变化引起，后者主要因电阻率变化引起。
直流单臂电桥的非线性误差如何产生如何解决产生条件：△R1<<R1; 解决：采样差动结构或恒流源供电；用传感器静态方程说明差动测量方法的优点（加图）两个传感器的差动输出消除了单个传感器输出的零位误差和偶次非线性项，得到了对称于原点的输出曲线并扩大了测量的线性范围，而且使灵敏度提高了一倍。
分析哪些因素引起应变片的温度误差，写出相对误差表达式。
因素：由于金属敏感栅电阻本身随温度变化，试件材料和敏感栅材料线膨胀系数不同而引起； 公式：t -k t )/(g s ）△β（βα△△+=t R Rα：电阻丝的电阻温度系数 k ：应变片灵敏系数 βs ：试件材料线膨胀系数 βg ：敏感栅..... 简述变级距型和变面积型电容传感器采用差动结构的好处。
变级距型电容传感器:灵敏度提高一倍，非线性误差减小；变面积型电容传感器：提高灵敏度，减小边缘效应，改善非线性；采用运算放大器作变级距电容传感器测量电路，其输出特性是否为线性（加图）是线性的。
如图，因：C U C U i /00&&-= 所以：s U d C U i ε/00&&-= ，即 输出与距离的变化呈线性关系。
生物传感器复习小提纲(共43页)
1.1生物医学测量基本(jīběn)特点1. 生物医学测量仪器(yíqì)部分：传感器和电极：解决(jiějué)信息获取。
放大器和测量电路：实现(shíxiàn)信息的电子化。
数据处理和显示：解决临床实际使用。
2. 从测量技术看，生物医学测量属于强噪声背景下低频微弱信号测量，被测信号是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。
从信号本身到测量方式，都有它自己的特殊性3. 人体测量的特点：（1）人体测量是以医学、生理学为基础的。
（2）生物医学测量的生理参数，有心电、脑电、肌电等各种生物电的电量参数，（3）还有体温、血压、呼吸、血流量、脉搏、心音等非电量参数，（4）生物医学被测量信号是生命系统的信息，与工程测量具有本质的不同。
4. 人体的运动与内环境稳态，依靠反馈对控制信息的纠正和调整而达到调节。
5.ECG:心电图，5uv-5mv，0.01-100hzEEG:脑电图，2-200uv，0.5-100hzEMG:肌电图，20uv-1mv，10hz-2khz6. 安全方面的三点基本考虑（1）测量中施加于人体的各种能量（2）测量的精确度和可靠性。
（3）测量中电防护7. 电流的生理效应（低频电流<1khz）：（1）产生焦耳热（2）刺激神经肌肉等细胞（3）使离子、大分子等振动、运动、取向8. 引起纤颤的最小电流计算公式为：I-为引起心室纤颤的最小电流，K-为动物（或人）的体重系数，t-为电击时间。
9.宏电击与微电击宏点击:在整体下,由感知电流造成的电击称为宏电击,超过0.7～1.1mA的感知电流阈值,可能造成严重电击事故。
微电击:由感觉阈以下电流所造成的电击,称为微电击。
例如, 20μA的电流自起搏导管流入心脏就会产生危险。
可使病人遭微电击而致死10. 人体的阻抗及自然保护机理人体的皮肤电阻,主要取决于上皮角质层。
不同部位的皮肤,其电阻差别很大11. 生物医学测量与模型肌肉(jīròu)模型：用一个弹簧和一个阻尼器类比(lèibǐ)一束肌肉，其中弹簧类比肌肉的弹性特征，而阻尼器类比肌肉的摩擦现象。
生物医用传感
√14.相对误差、绝对误差的计算（考试：计算题，5分）
--------------------------------------------------------
*题型：简答+计算+综合
√3.传感器的静态特性指标。P6（考试：简答题10分）
线性度p8、灵敏度p7、迟滞p8、重复性、稳定性p9、测量范围p7、环境特性p9
√4.电阻应变片、变极距电容传感器、磁电式传感器、金属热电阻、光学传感器工作原理 画图和列公式说明原理。（PPT也有）
电阻应变片p20
（1）改善传感器性能：①合理选择传感器； ②稳定化技术； ③线性化技术;④平均技术
（2）抗干扰：①电磁干扰的屏蔽抑制； ②隔离技术（光电隔离、变压器隔离、继电器 隔离、布线隔离）； ③接地技术
√9.心电波形模式图，及各段波形含义。（考试：简答题10分）
10.动脉波形图，各段波形含义。
√变极距电容传感器p43（考试：工作原理，列公式，画图，简答题10分）
磁电式传感器p84
金属热电阻p106
光学传感器p128
5.传感器分类。P3
√6.举例说明一种医学仪器结构，功能，原理，应用。*（20分）
7.传感器基本概念。P1
√8.改善传感器检测系统性能的方法。（考试：简答题10分）
物理量：①速度：血流速度、呼吸气流速度、流泪速度……。
②振动（加速度）：心音、呼吸音、肠鸣音……。
③压力（力）：血压、眼压、心内压、……。
④流量：血流量、呼吸流量、尿流量、心输出量……。
⑤温度：口腔温、皮肤温、体表温度……。
生物医学传感器 -复习-3.0
（页数是新书的）
3.3 生物医学物理传感器及其基本特性
传感器静态特性
线性传感器: 线性传感器:
输出量 和输入量 具有线性比例关系 输出量y和输入量 和输入量x具有线性比例x, 则对应的输出变化量为 则对应的输出变化量为y
– y = a1 x
– 具有上述特性的传感器的数学描述是一直线方 这种传感器叫线性传感器.其中常系数a 程,这种传感器叫线性传感器.其中常系数 1 = y/x = y/x ,叫做传感器的灵敏度 叫做传感器的灵敏度 (sensitivity). .
2.静态特性指标
(1).测量范围和灵敏度 测量范围和灵敏度(sensitivity) 测量范围和灵敏度
– 任何一种传感器都很难做到完全理想的线性化. 任何一种传感器都很难做到完全理想的线性化. 但是随着测量范围缩小其线性度大大增加. 但是随着测量范围缩小其线性度大大增加.所 以传感元件的测量范围必须有一定的限度. 以传感元件的测量范围必须有一定的限度. – 对于线性传感器,其灵敏度是指传感器达到稳 对于线性传感器, 定后输出量变化y 对输入量变化 对输入量变化x 的比值 的比值, 定后输出量变化 通常用k表示 表示: 通常用 表示:k= y/x – 传感器灵敏度和测量范围有关 多数传感器的灵 传感器灵敏度和测量范围有关,多数传感器的灵 敏度越高,测量范围越窄 测量范围越窄. 敏度越高 测量范围越窄.
(2)多功能化 多功能化
– 传感器的多功能化是指传感器不仅具有检测 功能,而且兼有信号处理等其他的功能 而且兼有信号处理等其他的功能. 功能 而且兼有信号处理等其他的功能.这样 传感器得到的不仅是信号, 传感器得到的不仅是信号,而且产生出新的 直接可用的物理量.利用多种物理化学, 直接可用的物理量.利用多种物理化学,生 物效应和集成电路组成的生物传感器,直接提 物效应和集成电路组成的生物传感器 直接提 供的是可处理的生命信息, 供的是可处理的生命信息,这是目前传感器 的一种趋势. 的一种趋势.
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。
博士生生物工程生物传感器知识点归纳总结
博士生生物工程生物传感器知识点归纳总结生物工程领域的发展为生命科学研究提供了更多工具和技术。
生物传感器作为其中的一种重要工具，被广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全和农业生产等领域。
本文将对博士生需要了解的生物工程生物传感器知识点进行归纳总结。
一、生物传感器概述生物传感器是一种能够将生物分子与传感器相结合的装置，通过检测生物分子的特异性反应来实现对目标物质的定性和定量分析。
它的基本组成部分包括生物识别分子、转换元件和信号读取器。
生物传感器的核心原理是生物分子的识别与信号转换。
二、生物识别分子生物识别分子是生物传感器中用于与目标物质特异性相互作用的分子。
常用的生物识别分子包括抗体、酶、受体和核酸等。
抗体是一种可以识别特定抗原的蛋白质分子，通过与抗原结合形成免疫复合物进行检测。
酶是一种具有催化作用的蛋白质，通过催化底物的反应产生可测量的信号。
受体可以结合特定的配体，实现对目标物质的识别和检测。
核酸分子可以通过互补配对与目标DNA或RNA序列特异性结合。
三、转换元件转换元件是将生物识别分子与目标物质的相互作用转化为可测量信号的部分。
常用的转换元件包括电化学传感器、光学传感器和压电传感器。
电化学传感器通过测量电流或电压的变化来检测目标物质的存在。
光学传感器利用光的特性来测量物质浓度或反应速率。
压电传感器则通过物质的压电效应来转换信号。
四、信号读取器信号读取器是生物传感器中的关键部分，用于接收、放大和解码传感器产生的信号。
常见的信号读取器包括电子测量仪器、光谱仪和计算机等。
电子测量仪器可以实时地测量电化学传感器产生的电流或电压信号。
光谱仪则可以测量光学传感器产生的光强度与波长等信号。
计算机则可以对传感器产生的信号进行数据处理和分析。
五、生物传感器的应用生物传感器在生物医学、环境监测、食品安全和农业生产等领域有着广泛的应用。
在生物医学领域，生物传感器可以用于药物检测、疾病诊断和基因分析等方面。
在环境监测领域，生物传感器可以实时监测水质、大气污染和土壤污染等指标。
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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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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1
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
生物医学传感器复习资料
第一章 传感器与生物医学测量（1）国家标准(GB7665—87)关于传感器的定义，传感器的组成部分及其作用。
定义：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器的组成：敏感元件，转换元件，信号调节转换电路，辅助电源传感器的作用：将一种能力转化为另一种能量形式。
（2）生物医学测量仪器的三个主要部分及其所起作用。
⏹ 传感器和电极 ⏹ 放大器和测量电路⏹ 数据处理和显示装置(现代生物医学测量仪器已包括治疗仪器组成完整的生物医学仪器，也包括基于网络的数据传输部分。
)（3）常见生理参数的测量范围（心电，脑电，肌电） 心电图ECG :（所用传感器）体表电极 (幅值)50uv —5mv (频率)0.05—100Hz脑电图EEG :头皮电极 2—200uv 0.5—100Hz 肌电图EMG:针电极 20uv —1mv 10Hz —20kHz（4）通过人体的低频电流（直流～1KHz ）对人体的作用有三个方面。
⏹ 产生焦耳热；⏹ 刺激神经、肌肉等细胞；⏹ 使离子、大分子等振动、运动、取向。
第二章 生物电信号的特征（1）什么是膜电位？静息时细胞膜内外常见离子浓度情况如何？膜电位（membrane potential ）：在可兴奋组织（如神经，肌肉或腺组织）的细胞膜内外，存在着不同的带电离子。
膜外呈正电，膜内呈负电，存在着一定的电位差。
平时呈现静息电位,细胞膜内介质的静息电位约为-50mV ～-100mV ，细胞内带负电,细胞外带正电。
（静息电位（resting potential ）：是指细胞未受刺激时的膜电位，即处于静息状态下，细胞膜两侧存在的电位差。
） 静息时:⏹ K +的膜内浓度比膜外高30倍; ⏹ Na +的膜外浓度比膜内高10-15倍; ⏹ CL -的膜外浓度比膜内高4～7倍; ⏹ Ca 2+的膜外浓度比膜内高104倍; ⏹ 蛋白质阴离子的膜内浓度比膜外高等由此可知,膜内外的K +、Na +、CL -、Ca 2+等离子之间各有一定的浓度差形成浓度梯度。
生物医学传感生物传感器
载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、纤维素、离子交换体等。
*
*
3）包埋法
把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。 特点是：一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。
介体生物传感器
换能器
半导体生物传感器
生物电极ห้องสมุดไป่ตู้
光生物传感器
热生物传感器
压电晶体生物传感器
*
*
3、 生物传感器特点
1） 根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的传感器，因而测定范围广泛。 2）一般不需进行样品的预处理，它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂，使测定过程简便迅速，容易实现自动分析。 3）体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在线检测。
主要有：电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振等。
*
*
将化学变化转变成电信号（间接型） 将热变化转换为电信号（间接型） 将光效应转变为电信号（间接型） 直按产生电信号方式（直接型）
转换器转化为电信号的方式：
*
*
酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应,从而使特定生成物的量有所增减，用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组成酶传感器。 常用转换装置有：氧电极、过氧化氢电极。
（a）将化学变化转变成电信号（间接型）
*
*
（b）将热变化转换成电信号
固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。
生物传感器与医学应用
生物传感器的类型
▪ 压电生物传感器
1.压电生物传感器是基于压电效应，将生物分子间的相互作用 转化为电信号，实现生物分子检测的传感器。 2.该类型传感器具有灵敏度高、稳定性好等优点，可用于检测 生物分子浓度和活性。 3.压电生物传感器在生物医学、环境监测等领域有广泛的应用 前景。
▪ 热学生物传感器
1.热学生物传感器是通过测量生物分子结合过程中释放的热能 ，实现生物分子检测的传感器。 2.该类型传感器具有无需标记、非破坏性等优点，可用于实时 监测生物分子间的相互作用。 3.热学生物传感器在药物筛选、疾病诊断等领域有重要的应用 价值。
康复医学中的应用
1.生物传感器能实时监测患者的生理指标，为康复治疗提供依 据。 2.通过监测患者的运动和功能恢复情况，评估康复治疗效果。 3.生物传感器技术有助于提高康复治疗的针对性和效率。
在医学中的应用
▪ 远程医疗与健康监测
1.生物传感器可实现远程实时监测，为远程医疗提供便利。 2.患者可在家中自测生理指标，将数据实时传输给医生，提高 医疗效率。 3.生物传感器技术有助于降低医疗成本，提高医疗资源的普及 率。
▪ 生物传感器与可穿戴设备
1.生物传感器可集成于可穿戴设备中，实时监测用户的生理指 标。 2.可穿戴设备结合生物传感器技术，可实现健康监测、运动跟 踪等功能。 3.随着技术的进步，生物传感器在可穿戴设备中的应用将更加 广泛，提高人们的健康水平。
生物传感器与医学应用
生物传感器的优势
生物传感器的优势
生物传感器概述
▪ 生物传感器的应用领域
1.生物传感器在医学、环境监测、食品安全等领域有广泛应用。 2.在医学领域，生物传感器可用于疾病诊断、药物筛选、生物分子相互作用研究等。
4.生物医学传感-电阻传感器汇总
8:56 PM
11
压力膜盒
圆形膜片
金属波纹膜片
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12
环行金属波 纹管
波纹管柔性联轴器
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弹簧管压力表
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电子秤
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15
电子地磅
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第四章
电阻式传感器
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工作原理
基本工作原理是将被测物理量的 变化转换成传感元件电阻值的变化， 再经转换电路变成电量输出。 包括电位器式、压阻式、热阻式、 应变式等。 学习要点: 1. 应变式传感器：应变效应、电桥测量电路 和温度补偿原理 2. 压阻式传感器：压阻效应、测量桥路及温 度补偿
– 弹性敏感元件 – 弹性支承
常用的弹性敏感元件有：波纹管、弹性梁、柱及 筒、膜片、膜盒、弹簧管等。
8:56 PM 3
二、基本特性
弹性特性： 弹性特性可用刚度或灵敏度来表征。 1. 刚度 弹性敏感元件在外力作用下变形大小的量度， 一般用k表示，它的数学表达式为：
F dF k lim x 0 dx x
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电阻丝电阻温度系数1 0
t温度变化量0 C
C
36
2) 电阻丝材料与受力件材料的线膨胀系数不同，使电 阻相对变化为：
m t c t
Rt K m c t R
式中 βm－受力件材料的线膨胀系数； βc－电阻丝材料的线膨胀系数； K－应变片
l
与n有关，n越大， 越小
l n 10 20 则 1.6 0.4%
l
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生物传感器复习知识点
化学与生物传感器复习知识点笔记★光化学换能器的换能原理是基于传统的光化学定律（光吸收，光反射，荧光，荧光猝灭）CCD:电荷耦合器件图像传感器。
CME:化学修饰电极。
CNTs:碳纳米管。
ECL:电化学发光。
FET:场效应晶体管。
PMT:光电倍增管。
ISE:离子选择性电极。
SA膜:自组装膜。
★电化学DNA传感器的响应原理图：课本P122①SSDNA的固定，制成ssDNA探针；②分子杂交反应的完成，在最佳条件下形成dsDNA杂交分子，③选择合适的电化学指示剂完成dsDNA的表达，④杂交信号的电化学测量方法的优化，根据所选择的电化学指示剂的不同产生相应的电化学信号，可将电流，电势或电导作为测量的信号。
★单光纤化学发光免疫传感器的构造和传感原理示意图:抗体被固化在光纤的顶端，然后让定量的过氧化氢酶标记的抗原与抗体结合；当探头接触样品后，样品中的抗原会部分置换标记的抗原而与抗体结合；最后探头放入含有鲁米诺的溶液中，过氧化氢酶催化过氧化氢氧化鲁米诺发生发光反应，光信号强度与样品中抗原浓度成反比。
★鲁米诺-过氧化氢电化学发光原理图在碱性介质中的鲁米诺阴离子在电极上氧化后生成重氮盐，继而被过氧化氢氧化成3-氨基邻苯二甲酸激发态离子，不稳定的激发态离子发射出425nm的光。
★全固态酒精气体传感器的结构及测试示意图。
在电池的阳极一边，由于催化剂铂的作用，乙醇被氧化成乙酸，并释放出4个电子:C2H5OH+H2O→CH3COOH+4H+ +4e- 在阴极一边，从阳极迁移来的氢离子与空气中的氧发生反应:O2+4H+ +4e-→2H2O. 总反应为C2H5OH+O2→CH3COOH+H2O. 这样，电子通过外部的导线从阳极到达阴极，氢离子则通过质子交换膜Nafion迁移至阴极，从而在阳极和阴极之间产生电流，且电流大小与乙醇含量成正比。
★射线光学的基本关系式是有关其反射和折射的菲涅耳定律。
由菲涅耳定律可知，入射角1＝反射角3，则sin入射角1／sin折射角2＝折射率n2／n1 。
生物医学传感器 简答题汇总
生物医学传感器与一般传感器相比，还必须满足？1.材料无毒，且与生物体组织有良好的相容性；2.检测时，长期接触不会影响或尽可能少影响正常生理活动；3.有良好的电气安全性4.在结构和性能上便于清洁和消毒，防止交叉感染。
生物信号有哪些特点？对医学传感器有哪些要求？特点：1.非电量信号；2.生物信号十分微弱；3.信噪比低；4.变化频率低；5.无创伤的检测； 要求：1.灵敏度高；2.信噪比高；3.良好的精确性；4.响应速度快；5.稳定性；6.互换性； 什么是应变效应？什么是压阻效应？两者有何异同？应变效应：金属电阻受力后尺寸变化引起阻值变化；压阻效应：半导体电阻受力后电阻率变化引起电阻值变化；同：都受到作用力，其结果都会导致电阻值的变化。
异：导致阻值变化的原因不同，前者因尺寸变化引起，后者主要因电阻率变化引起。
直流单臂电桥的非线性误差如何产生？如何解决？产生条件：△R1<<R1; 解决：采样差动结构或恒流源供电；用传感器静态方程说明差动测量方法的优点？（加图）两个传感器的差动输出消除了单个传感器输出的零位误差和偶次非线性项，得到了对称于原点的输出曲线并扩大了测量的线性范围，而且使灵敏度提高了一倍。
分析哪些因素引起应变片的温度误差，写出相对误差表达式。
因素：由于金属敏感栅电阻本身随温度变化，试件材料和敏感栅材料线膨胀系数不同而引起； 公式：t -k t )/(g s ）△β（βα△△+=t R Rα：电阻丝的电阻温度系数 k ：应变片灵敏系数 βs ：试件材料线膨胀系数 βg ：敏感栅..... 简述变级距型和变面积型电容传感器采用差动结构的好处。
变级距型电容传感器:灵敏度提高一倍，非线性误差减小；变面积型电容传感器：提高灵敏度，减小边缘效应，改善非线性；采用运算放大器作变级距电容传感器测量电路，其输出特性是否为线性？（加图）是线性的。
如图，因：C U C U i /00 -= 所以：s U d C U iε/00 -= ，即 输出与距离的变化呈线性关系。
生物医学工程概论 第六章 生物医学传感器
组织传感器
以动植物组织薄 片材料作为生物敏感 膜的生物传感器。 组织谷氨酰胺电极
谷氨酰胺谷氨酸 + H 2O →
谷氨酰胺水解酶
+ NH 3
微生物传感器
根据微生物在同化底物时消耗氧的
呼吸作用（好氧性微生物电极）或 不同微生物含有不同的酶或代谢产 物设计。 也可以通过微生物数量变化检测抗 生素或相关物质。
3）压电传感器的工作原理
压电传感器是一种有源器件。它能在外加 机械激励下输出与激励成正比的电信号。 广泛用来设计测量心音的微音器、血压传 感器、压电听诊器、胎儿心音和子宫收缩 监视换能器、测微震颤的加速度计等。 压电效应的模式分为纵向和横向两种。
压电传感器等效电路
可以等效为电荷发生器（上） 也可等效为电压源发生器（下） 由于其结构特性很像电容，因此 常用电容来等效压电传感器： Ct＝εA/h A-电极面积 h-电极间距 ε-压电材料的介电常数
体表生物电检测中最常用的电极是Ag／ AgCl电极。它的结构是在金属银的表面 覆盖一层难溶解的银的盐类AgCl，再浸 入含有氯离子的溶液中。电极可以用下 列符号表示：Ag|AgCl| C1Ag +ClAgCl + e-
Ag/Agcl 圆盘电极的导电膏充填在空腔内，结构稳 定，并且对于生物组织具有非常小和稳定的半电 池电位，而且是一种不可极化电极，所以常被用 作体表生物电测量电极。
酶、抗体、核酸、细胞 等。
转换器：
电化学电极、光学检测 元件、场效应晶体管、 压电石英晶体、表面等 离子共振。
酶
DNA 抗体
酶传感器
酶传感器是由固定化酶与传感元件两部分 组成的，其中酶是与适当的载体结合形成的 不溶于水的固定化酶膜。
新疆维吾尔自治区考研生物医学工程复习资料生物传感器常用技术总结
新疆维吾尔自治区考研生物医学工程复习资料生物传感器常用技术总结生物传感器是生物医学工程领域中的一项重要技术，它可以通过检测生物体内的生理活动或分析生物分子等方式来实时监测和诊断疾病。
本文将对生物传感器常用的技术进行总结，并提供复习资料供新疆维吾尔自治区考研生物医学工程的同学们参考。
一、电化学传感技术电化学传感技术是一种常见的生物传感器技术，它通过测量电化学信号的变化来实现对生物体内分子的检测和分析。
常用的电化学传感技术包括电化学阻抗法、循环伏安法和恒电位法等。
1. 电化学阻抗法电化学阻抗法是一种基于电解质溶液中电流通过的阻力来检测分析物的技术。
它通过在电极表面附着生物分子的方式实现对分析物的检测，并可利用阻抗变化的测量来获得分析结果。
2. 循环伏安法循环伏安法是一种通过测量电极表面在一定电位区间内施加交流电压时电流的变化来检测分析物的技术。
它可以提供电流-电势曲线，用于分析物质的电化学反应过程，并可以通过分析峰电流和峰位来定量分析目标物质。
3. 恒电位法恒电位法是一种通过保持电极在特定电位上进行测量，以观察电极表面的电流变化来检测分析物的技术。
恒电位法具有快速、灵敏的特点，广泛应用于生物传感器中。
二、光学传感技术光学传感技术是一种基于光信号的变化来实现对生物分子检测的技术。
常用的光学传感技术包括表面等离子体共振法、荧光法和拉曼光谱法等。
1. 表面等离子体共振法表面等离子体共振法是一种基于金属表面等离子体振荡的原理来检测物质的技术。
它通过改变表面等离子体振荡的条件来检测生物分子的结合或解离过程，并以此得到目标物质的定量信息。
2. 荧光法荧光法是一种利用荧光分子的特性来检测物质的技术。
它可以通过激发和发射光的波长来判断目标物质的存在和浓度，并可根据荧光光谱的变化来实现定量分析。
3. 拉曼光谱法拉曼光谱法是一种通过测量样品中的拉曼散射光谱来检测分析物的技术。
它具有非破坏性、高灵敏度和高选择性的特点，广泛应用于生物传感器的研究。
3.3 生物医学物理传感器及其基本特性
0
• 如果将计算机比喻为人类第二脑 - 电脑,传感器就是电 脑的五官,拥有听觉、触觉、嗅觉等功能。 • 传感器技术、通讯技术和计算机技术,它们分别构成了 信息技术网络中的“感宫”、“神经”和“大脑”。 • 目前传感器在日本、美国、俄罗斯等发达国家及我国 都被列为重点发展技术。
医学测量仪器组成框图
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常用的标准输入信号
• 正弦信号：
x(t)
0
X (t ) A sin t
t
–输入正弦信号，分析动态特性的相位、振幅、频率， 称频率响应或频率特性。
常用的标准输入信号
• 阶跃信号
x(t)
0
t
A X (t ) 0
t0 t0
–输入阶跃信号分析传感器的过渡过程和输出随时间 变化情况，称阶跃响应或瞬态响应
a1 2 a0 a 2
无阻尼固有频率
阻尼比
静态灵敏度
二 传递函数
• 传感器是一信号转换元件，当外界有一激励施 加于系统时，系统对外界有一响应，系统本身 的传输、转换特性可由传递函数表示。
0
d nY (t ) d n 1Y (t ) dY (t ) an an 1 a1 a0Y (t ) n n 1 dt dt dt d m X (t ) d m 1 X (t ) dX (t ) bm bm 1 b1 b 0 X (t ) m m 1 dt dt dt
0
将微分运算编 程代数运算
( an D n an 1 D n 1 a1 D a0 )Y (t ) (bm D m bm 1 D m 1 b1 D b 0 ) X (t )
传感器微分方程
（1）零阶传感器
– 微分方程： a0Y (t ) b0 X (t )
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第一章 传感器与生物医学测量（1）国家标准(GB7665—87)关于传感器的定义，传感器的组成部分及其作用。
定义：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器的组成：敏感元件，转换元件，信号调节转换电路，辅助电源传感器的作用：将一种能力转化为另一种能量形式。
（2）生物医学测量仪器的三个主要部分及其所起作用。
⏹ 传感器和电极 ⏹ 放大器和测量电路⏹ 数据处理和显示装置(现代生物医学测量仪器已包括治疗仪器组成完整的生物医学仪器，也包括基于网络的数据传输部分。
)（3）常见生理参数的测量范围（心电，脑电，肌电） 心电图ECG :（所用传感器）体表电极 (幅值)50uv —5mv (频率)0.05—100Hz脑电图EEG :头皮电极 2—200uv 0.5—100Hz 肌电图EMG:针电极 20uv —1mv 10Hz —20kHz（4）通过人体的低频电流（直流～1KHz ）对人体的作用有三个方面。
⏹ 产生焦耳热；⏹ 刺激神经、肌肉等细胞；⏹ 使离子、大分子等振动、运动、取向。
第二章 生物电信号的特征（1）什么是膜电位？静息时细胞膜内外常见离子浓度情况如何？膜电位（membrane potential ）：在可兴奋组织（如神经，肌肉或腺组织）的细胞膜内外，存在着不同的带电离子。
膜外呈正电，膜内呈负电，存在着一定的电位差。
平时呈现静息电位,细胞膜内介质的静息电位约为-50mV ～-100mV ，细胞内带负电,细胞外带正电。
（静息电位（resting potential ）：是指细胞未受刺激时的膜电位，即处于静息状态下，细胞膜两侧存在的电位差。
） 静息时:⏹ K +的膜内浓度比膜外高30倍; ⏹ Na +的膜外浓度比膜内高10-15倍; ⏹ CL -的膜外浓度比膜内高4～7倍; ⏹ Ca 2+的膜外浓度比膜内高104倍; ⏹ 蛋白质阴离子的膜内浓度比膜外高等由此可知,膜内外的K +、Na +、CL -、Ca 2+等离子之间各有一定的浓度差形成浓度梯度。
（2）能斯特(Nernst)方程以及利用能斯特方程求静息时K +的平衡电位εk 。
（式中ε为扩散电位差，生理学上为膜两边的跨膜电位）例子：已知人体神经细胞内、外K +的有效浓度分别为[K +I ]和[K +o ]（单位为mol/L ），则根据Nernst 方程式计算出 K +的平衡电位εk :k=1.38x10-23J·K -1)，T 为绝对温度(K)，Z=+1，e=1.60x10-19C 在人体体温(37℃)下，若将各项值代入，则Nernst 方程式可化为: 代入表2.1给出参数,得εk =-89mV,理论计算值与实测结果（－86mV ）很接近。
（3）细胞膜的模拟等效电路细胞膜等效电路为电容和电阻并联形式。
例子：若细胞膜面积S=5x10-6cm 2,厚度d=10-6cm,ε=3.26 膜的电容值：dS C πε4==1.3pF=1.3×10-12F(法拉) 若已知膜电位为V = - 86mV ，代入公式Q = CV,可求得应带的电量为Q=1.3×10-12× 0.086 = 1.1×10-13库仑(C)。
这些电量应是Q/e 个K +离子所有,已知e=1.6×10-19库仑（即K +离子的电量）,得参与扩散的K +离子数应为：Q/e = 6.9×105。
已知典型的细胞体积为10-9cm 3,K +离子的浓度约为0.14克分子/升,或每立方厘米约有0.14×6×1023/1000 ≈1020个离子。
照此计算,每一细胞内就有：1020×10-9=1011个K +离子,其中只有6.9×105个K +离子向膜外扩散（4）什么是动作电位，动作电位在去极化和复极化过程中各个时期的特点（包括时程，电位幅度，K +、Na +、Ca 2+离子运动情况）。
心肌细胞受到窦房结发来的电脉冲剌激时(阈剌激),受剌激部位膜电位将发生短暂的电位变动，最初膜电位升高,接着慢慢恢复到原来静息电位水平。
这个过程经历300ms 时程,膜电位的变动,生理学上称为“动作电位”。
1.去极化：去极化即除极,是动作电位的0期。
（当可兴奋的细胞受到外界剌激,如给它以电剌激,剌激电流从膜内流向膜外,因此膜的极化状态减弱,称之为去极化。
）⏹ 表现：去极化达到一定临界水平,即阈电位,便产生兴奋。
这时细胞膜的极化现象消除,出现膜内为正、膜外为负的反极化状态:在短时间内由-50mV —100mV 变到+20mV —+40mV ,构成动作电位上升支(去极相)。
快钠通道“开放”，Na +通过快钠通道,向膜内迅速扩散,使膜电位升高得很快,最快变化率可达800v/s,上升幅度大(-80mV 至＋30mV)。
⏹ 特点：对于心肌细胞,此期历时很短,仅1～2ms 。
2.复极化：是从去极化电位达到正峰值后开始,一直恢复到静息电位水平状态之间的过程。
（动作电位的产生,取决于细胞膜两边的电压和膜对于Na +、K +随时间变化的通透性。
）1期:亦称快速复极初期，Na +向内扩散减慢,而K +的向外扩散则缓慢地上升,两者达到动态平衡。
膜外CL -浓度高于膜内4～7倍,而且此时膜内电位为正,高于膜外,故CL -借助于浓度差和电位差两者的作用而大量向内扩散,使细胞内的电位逐渐降低。
1期占时平均约10ms 。
2期:缓慢复极期或平台期，胞外Ca 2+浓度比细胞内高得多，此期慢钙通道‘早已开放’,并且开得很大，Ca 2+在浓度梯度作用)(][][lg 3.2mV K K e TO I k ++Z -=κε)(][][lg 51.61mV K K O I k ++-=ε下经过慢通道而缓慢地向内扩散。
少量Na+缓慢内流，使膜电位复极受阻。
因而使复极过程停滞在0电位水平。
2期占时约100ms。
3期:“快速复极末期”，是复极化的主要过程。
主要是由K+的外流而造成的。
由于K+外流的增加和慢通道的失活,Ca2+和Na+内流减少,因而K+外流不再与Ca2+和Na+内流平衡,致使膜电位较快地下降而形成复极3期。
此期历时约100～150ms。
从0－3期,对应着心肌的收缩期。
不需消耗外部能量,故称为"被动传输"过程。
4期:“舒张期”或“静息期”，要依靠钾-钠泵的作用,将向外扩散的K+和向内扩散的Na+逆浓度梯度分别驱回膜内和膜外,恢复到静息期的极化状态。
对应心肌的舒张期,使膜复极化完毕和膜电位恢复到静息水平。
它需要外界供给能量才能维持,故称为“主动传输”过程。
（5）动作电位的主要特征参量:⏹动作电位幅度(APA)⏹静息膜电位(RP)⏹动作电位时程(APD):从去极化到复极化后静息电位的时间间隔。
常用APD90（达到峰电位百分之九十的时间）。
⏹有效不应期(ERP):细胞膜从去极化开始后,必须经过一定时间。
才能下一次去极化,产生可传播动作电位,该时间间隔称为有效不应期。
（6）相对不应期与绝对不应期：绝对不应期是指动作电位去极化进程中，无论用如何强的刺激都不会引起新的动作电位。
相对不应期是指绝对不应期以后的一段短时间，用很强阈上刺激可在该处引起动作电位，但其动作电位最大振幅变小，这个时期为相对不应期。
连续刺激产生兴奋的最小时间间隔是取决于不应期大小。
*（7）动作电位的特性：1.全反应或无反应；2.无衰减传导；3.兴奋响应的不应期。
第三章生物医学传感器基础（1）生物医学传感器根据主要特点分为哪几类。
（2）医用电极按工作性质可分为哪两类: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。
（3）什么是电极电位，电极的极化和极化电位又是什么。
电极电位:金属与溶液之间的界面电位差称为电极电位,又称半电池(half-cell)电势。
电极的极化:是指电极与电解质溶液的双电层界面在有电流通过时,电极-电解质溶液界面电位从原有平衡电位变化为新电极电位，该极化电位与通过电流密度有关。
极化电位:就是电极在通过电流后的电极电位，分阳极极化电位和阴极极化电位。
极化现象:将有电流通过的电极电位与无电流的平衡电极电位的偏离现象称为极化现象。
(4）制作Ag/AgCl电极的方法:电解法和烧结法1.电解法制作Ag/AgCl电极装置:由反应式可知，要镀AgC1层的银电极作为阳极:表面积较大的银板作为阴极，供给镀银:1.5V电池作为电源,串联电阻R用以限制峰值电流。
电流表I用来观察电流以便控制电极反应速度。
电流密度约以5mA/cm2为宜。
2.烧结法制作 Ag/AgCl电极：将净化的纯银丝放在模具内,再填满银和氯化银粉末的混合物,用扳压机加压,压成圆柱体,然后再从模具中取出,在400℃的温度下烘几个小时,便制成一个银导线四周包围着烧结的Ag和AgCl 圆柱体的Ag/AgCl电极。
这种方法制作的Ag/AgCl电极不怕磨损,便于保存,成本低。
Ag/AgCl电极称为可逆变电极（5）传感器静态特性表征的重要指标：静态特性——当传感器输入、输出不随时间而变化时，其输出-输入特性。
指标有：1.灵敏度：传感器输出量的变化和输入量的变化之比。
xyS∆∆=2.线性度（非线性误差）：测量系统的标定曲线对理论拟合直线的最大偏差与满量程之比。
3.回程误差（迟滞性）：回程误差表明的是在正反行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度4.重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度。
5.精度：指传感器输出结果的可靠程度。
此外，传感器的静态参数指标还有分辨力、零点漂移、温度漂移，测量范围等。
第四章物理传感器与检测技术（1）电阻应变效应。
拉伸金属导体产生应变,在拉伸比例极限内,金属导体电阻相对变化率与轴向应变成正比,即：其中，R：无应变电阻值;dR：产生应变时电阻变化量;ε:轴向应变(ε=dL/L);k0:金属材料的灵敏系数。
（2）电阻式传感器按材料不同分为两大类:金属电阻应变式传感器, 半导体压阻传感器。
金属材料和半导体材料的灵敏系数k0受哪两个因素影响，占主导地位的分别是哪个因素（尺寸效应，压阻效应）？金属材料和半导体材料的灵敏系数k0⏹它受两个因素影响：⏹ 1.是受力后材料几何尺寸变化所引起，即(1＋2μ)项；⏹ 2.是受力后材料电阻率变化所引起的，即(dρ/ρ)/ε项。
金属：电阻率变化是因材料发生变化时，其自由电子活动能力和数量均发生了变化的缘故，实际上也是因体积变化而造成的，即尺寸效应是占主导地位的因素。