生物医学工程概论生医传感器及信号检测舒位光

• 若增加抵消零位电压的电路，如图2．3(b)所示，输出电 压由式(2．6)表示。
•
U O R x
Rx
R1
R2
R3
R3 E
在输入X=0时：由于RX=R0（ RX=kX+R0），要使零位电压UO=0；
只需取:R0＝R1＝R2＝R3, 就可使下式
R0
R3
R0 R1
R2 R3
成立，在X=0时零位电压被抵消。
2.生物医学传感器及信号检测 （测量）
• 2.1 传感器的认识
• 2.2 传感器的特性
• 2.3 信号检测
• 2.4 信号放大 • 2.5 生物医学传感器的特殊性 • 2.6 人体信息的检测与传感器 • 2.7 生物医学传感器的地位和用途 • 2.8 生物医学传感器的干扰和噪声 • 2.9 医用传感器的安全性 • 2.10 传感器的标定
•
Y ﹦f（X ，N）
(2．2)
• 由于环境是变动的，因此这种变化将影响传感器的输出。
•
变量N引起零位输出的变化，称为漂移（drift）。由于漂移与传感
器本身的输出无法区分，因此应尽量抑制。
•
传感器的灵敏度，也随环境而发生变化。
•
环境变量中的时间是重要参数，它影响传感器的稳定性(灵敏度的
变化或漂移)。评估传感器输出随时间变化的特性，可用小时稳定性
2.1传感wenku.baidu.com认识
传感器(Sensor)曾称为换能器或变送器(Transducer)。国家标准“传
感器通用术语”中的定义：“传感器是能感受规定的被测量并按一定规律将 其转换为有用信号的器件或装置”。又指出：“传感器通常由敏感器件、转 换器件和电子线路组成”。生物医学传感器（Biomedical Sensors）是获取 人体或生物体的生理和病理信息的工具，是生物医学工程学中的重要领域和 分支，对于化验、诊断、监护、控制、治疗和保健等都有重要作用。
或年稳定性表示；评估传感器接近理想传感器的特性，可用线性度表
示。此外，还有响应速度、重复、滞后、动态范围和准确度等的评估
指标。
•
应用或设计传感器时要尽量减小环境变量的影响。
2.3信号检测
• 传感器的输出有各种形式:如热电偶、pH电极等输 出为直流电压，光电二极管输出为直流电流，热敏 电阻或应变计(电阻型)、半导体气体传感器输出为 电阻值，电感式位移传感器输出为电感量,电容式位 移传感器输出为电容量。
性关系
• (2．4)
RX=kX+R0
• 式中，X为输入信号，k为比例系数（灵敏度）， RX为传感输出电阻；R0是当X为0时，Rx的初始 电阻；X可以是心音信号, 也可以是其它信号，如： 力、压力、加速度、温度等各种不同的被测信号。
• 需要注意的是对于各种各样的被测信号，采用电 阻式传感器时，必须根据被测信号的不同种类，
此处热敏电阻传感器的敏感器件和转换器件是合二为 一的 ，这是一种特例。在大多数狭义的传感器中，敏感 器件和转换器件通常是由两个器件构成的。
•
•
被测对象涉及的领域
• 最初的测量对象是长度、体积、质量和时间。 18世纪以来科学技术取得飞速发展．被测对象范 围迅速扩大，力学领域有速度、加速度、力、功 和能量等．电磁学领域中有电流、电压、电阻、 电容、磁场等，化学领域中有浓度、成分、pH值 等．工业领域中除上所述之外，还有流量、压力、 温度等被测量。
广义的传感器（测量仪器）所输出的信号形式一般为 直流电流、直流电压和数字信号等标准形式；信号处理部 分的作用就是将各种传感器的不同输出信号形式转换成所 希望的电信号形式。测量仪器也称为检测仪器，其输出可 用显示器显示或送至控制器用以调节控制，或送至计算机 作进一步的信息处理。所以从广义的角度来说，信号检出 器和信号处理部分总称为传感器。
• 另一方面，广义传感器的输出信号须转化成电压、 电流或数字量。信号处理(signal conditioning)就 是通过对信号进行转换、放大等调理方法，得到输 出是可识别的电信号。这是在测量中使用的共同技 术,称为信号检测。
•
用电阻式传感器为例来说明差动法的实现信号
检测的原理。电阻式传感器的输出假设为下列线
•
Y﹦KX
(2．1)
• 这是理想的线性关系，只能近似成立。因为有避免不了的非线性(Y与 X的关系为单调的递增或递减函数)和零位输出(当X=0时：Y≠0)；
•
传感器在响应被测信号的同时，还受到各环境因素的影响。设各种
环境因素以综合变量N（干扰信号）表示，环境变量有时间、温度、
湿度、振动、加速度、空气情况等。则传感器的输出可改写为
选用或设计制造与被测信号相对应结构的电阻式 传感器。
• 电阻（ RX=kX+R0）转换为电压的简单电路如图 2.3(a)所示，输出电压由式(2．5)表示。
•
UO=ERX/(R1+RX)
（2.5）
• 图2.3(a)所示的检测方法：在输入信号X=0时，
由于RX=R0，因此，输出就存在零位电压：
•
ER0／(R1+R0) ；
传感器的作用，就是替代人的五种感觉(视、听、触、嗅、味)器官的装置， 如图2.1所示。传感器像人的五官那样收集所需要的各种信息 ,这些信息输入 电脑或运算处理电路后,由电脑或运算处理电路进行判断运算,并输出各种控制 信号去控制执行机构或显示单元。
广义传感器的构成
广义的传感器（基本的测量仪器）一般如图2.2所 示。由信号检出器(敏感器件和转换器件)和信号处理(信 息的运算处理或称为信号的调理)两部分组成。信号检 出器件的任务是检测出测量环境下的被测信号。例如在 测量烘烤箱(测量环境)的温度(被测信号)时，将热敏电 阻(信号检出器件)插入烤箱中，热敏电阻的阻值便随着 温度的变化而变化。这种能感应被测量的变化并将其转 换为其它参数变化的器件，是狭义的传感器(Sensor)。 也就是说信号检出器就是传感器。
• 当KX＜＜R0时，结合RX=kX+R0式，就可 容易地证明(2．6)式可用下式替代。
• 在生物医学工程领域，被测对象广泛，有人
体的心电、脑电波等体表电位的测量，有心音声
波的测量，有各种生理和病理信息的测量，还有 生物体的断面图像的测量等等。
2.2传感器的特性
传感器的输入设为X（被测信号），传感器的输出设为Y ，传感器的 灵敏度（比例系数）记为K；则它的特性用函数Y=f（X）的表达为