传感器的基本特性.ppt

生 物 医 学 传 感 器,阮 萍,生物医学工程系 E-mail: 326737727,1,1、自动门，利用人体的红外微波来开关门。 2、烟雾报警器，利用烟敏电阻来测量烟雾浓度，从而达到报警目的。 3、手机，数码相机的照相机，利用光学传感器来捕获图象。 4、电子称，利用力学传感器。 5、水位报警，温度报警，湿度报警，光学报警等是智能传感器。 在工业生产中，利用传统的传感器无法对某些产品质量指标（例如，黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等）进行快速直接测量并在线控制。而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量（如温度、压力、流量等）。 6、医疗器械应用中的传感器，呼吸器械：麻醉机、睡眠呼吸机、制氧机和 呼吸机。输液泵：触力传感器、霍尔效应磁位置传感器、红外传感器。 诊断用器械：血液分析仪、血细胞分析仪、免疫测定分析仪、临床化学分析仪、质谱仪、色谱仪（气相、液相、高效液相）和实验室的自动系统等。,传感器的应用,2,生物医学传感器是生物医学工程专业主要 专业课程。通过该课程的学习，掌握生物医学传感 器工作原理，为传感器的选择、使用、设计以及进 一步深入研究具备良好的基础。,课程简介,生物医学传感器是构成各种医疗设备和检测仪 器的关键设备。医学传感技术是获取人体乃至生物 信息的关键技术，它综合了生物、医学、电子、信 息等技术，是生物医学领域最重要的学科之一。,3,重点： 各类生物医学传感器的工作原理、 典型应用。,4,学习资料：,教科书：医用传感器- 普通高等教育 “十一五”国家级规划教材，陈安宇主编， 第二版， 2008年5月 2. 参考书： 现代生物医学传感技术- 浙大 王平主编， 第二版， 2005年版 生物医学传感器原理及应用-彭承琳 主编 九五国家级重点教材，2000年版,5,6,相关期刊 中国医疗器械 世界医疗器械 中国生物医学工程学报 中国医学物理学杂志 医疗卫生装备 传感器技术 传感技术学报 仪表技术与传感器 Biosensors and Bioelectronics BioMedical Engineering OnLine Journal Sensors and Actuators Nature Science,7,网上资源,8,9,3.网上资源,10,11,总学时：72学时，其中理论54学时，实验18学时。 学 分： 4学分 课程性质：专业必修课 理论课: 每周1次，每次3节，周一下午6-8节 实验课: 6次，每次3节；时间第 4 16周，周一3-5节 单周: 生物医学电子仪器方向 双周: 医学影像技术方向 （地点：生物医学工程实验室 四楼）,教学安排,12,考核形式：理论考试占60-70%，实验成绩占20%。 平时成绩占10-20% 。 理论考试：期终考试。 实验成绩：实验报告和平时实验操作。 平时成绩：学习态度，平时作业、表现 专题展示等。,13,关于实验报告,要求: 每次实验前预习，撰写实验报告。 实验报告内容包括：实验名称、实验目的、 实验内容、实验步骤和实验结果。 认真、独立、按时完成并提交实验报告 实验报告使用学校印刷的实验报告本,14,学习方法： 1上课认真听课，关注教学知识。 2课后及时复习，注意教师课件。 3多种方式查阅资料，拓展学习内容。 4完成课后老师布置的练习。 5每章必须自行小结。,15,二、传感器的作用,一、传感器的定义,三、传感器的分类,四、传感技术的发展趋势,16,一、传感器的定义,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，称为传感器。 传感器通常由敏感元件、转换元件和电子线路组成。,国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：,17,敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被 测量的部分；,转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或 响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。,电子线路，由于传感器输出信号一般都很微 弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运 算、调制等。,18,例：应变式力传感器,弹性膜片敏感元件，将力转换为弹性膜片的变形 应变片 转换元件，将弹性膜片的变形转换成电 阻值的变化,19,传感器的物理定义:,传感器是指能将各种非电量转换成电信号 的部件，这是因为电信号是最适合于处理、传 输、转换和定量运算。,传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息， 并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为 电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息 的处理、传输、存储、显示、记录和控制等要求。 它是实现自动检测和自动控制的首要环节。,20,生物医学传感器的定义：,传感器通常是将其它形式的能量转换成电能， 所以又把传感器叫做换能器。,21,1信息的收集,二、传感器的作用,2信息数据的转换,3控制信息的采集 检测控制系统处于某种状态的信息，并由此 控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。,22,Airflow Sensor,Water Temperature,Oil Pressure,Accelerometer,CO Sensor,汽车中的传感器,23,Airflow Sensor,Water Temperature,Oil Pressure,Accelerometer,CO Sensor,24,Strain gauge,25,电动机转速测量,26,CCD图像传感器用于图像记录,27,“电五官”,人体与自动化测控系统的对应关系,28,传感器在医学中的作用,医学研究和进行疾病诊断都要求获得人体各方面的 信息。如心脏疾病的诊断，它要求来自从系统到器官、 组织、细胞、分子等各层次的信息，即心音、血压、心 电、心肌组织信息等。实现这些生物信息的检测手段就 是依靠各种各样的医用传感器（medical sensor ） 。,医用传感器就是感知生物体内各种生理的、生化的和病理的信息，把它们传递出来并转化为易处理的电信号装置。,29,随着科学技术的发展，医学科学已进入崭新 的阶段，从定性医学走向定量医学，从宏观的人 体组织到微观的细胞和分子，生物医学传感器起 了重要作用，它延伸了医生的感觉器官，可帮助 医生进行客观正确的定量分析。,如用压电传感器测手的微振动，测心室内部 压力，测心内瓣膜振动等； 用固态压阻传感器测指尖、桡骨和手腕等部 位的脉压； 用电阻应变片测呼吸气流、脉象和肌肉力等。,30,医用传感器的用途有：,（1）提供诊断用信息：检测正常或异常生理参数。 如心音、血压、脉搏、 血流、呼吸、体温等 信息，供临床诊断和医学研究用。,如：先心病病人手术前须用血压传感器测 量心内压力，估计缺陷程度。,31,（2）监护：长时间连续测定某些参量，监视这些参 量是否处于规定的范围内，以便了解病人的恢 复过程，出现异常时及时报警。在ICU病房， 对危重病人的体温、脉搏、血压、呼吸、心电 等进行连续监护的监护仪。,32,（3）疾病治疗和控制：利用检测到的生理参数控制 人体的生理过程。 例如：自动呼吸器就是用传感器检测病人 的呼吸信号来控制呼吸器的动作，使之与人体 呼吸同步。 电子假肢就是用测得的肌电信号控制人工 肢体的运动。 体外循环中的血流、血压控制等。,33,（4）临床检验：除直接从人体收集信息外，临床上 常从各种体液（血、尿、唾液等）样品获得诊 断信息，即生化检验信息。它是利用化学传感 器和生物传感器来获取，是诊断各种疾病必不 可少的依据。,34,三、传感器的分类,传感器种类繁多, 功能各异。由于同一被测 量可用不同转换原理实现探测, 利用同一种物理 法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不 同被测量的传感器, 而功能大同小异的同一类传 感器可用于不同的技术领域, 故传感器有不同的 分类法。,35,按大类分,传感器,物理传感器: 利用物理性质和物理效应 制成的传感器。,化学传感器: 把人体内某些化学成分、 浓度等转换成与之有确切 关系的电学量的器件。 生物传感器：利用生物活性物质具有的 选择识别待测生物化学物 质的能力而制成传感器。,36,37,四、传感技术的发展趋势,1. 原理、新材料、新工艺的新开发利用,新原理的新型物性型传感器件，是发展高性能 多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。,材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。,38,2. 微型化、智能化、多功能传感器,同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。,多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。,多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。,同时测量几种不同被测参数，将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。,39,2. 微型化、智能化、多功能传感器,智能传感器指具有判断能力、学习能力的传感 器。事实上是一种带微处理器的传感器，它具有检 测、判断和信息处理功能。,智能微尘传感器：智能微尘（是一种具有电脑功能的超微型传感器。从肉眼看来，它和一颗沙粒没有多大区别。但内部却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。,40,3. 无线网络化传感器,智能传感器的另一发展方向就是网络传感器。网络传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。,被测模拟量数字传感器数字量微处理器测量结果网络。 可实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享，在更换传感器时无须进行标定和校准，可做到“即插即用”。,41,第二章 传 感 器 的 基本特性,第一节 传感器的静态特性 第二节 传感器动态特性 本章小结,42,传感器的特性是它转换信息的能力和性质。这种能 力和性质常用传感器的输入和输出的对应关系来描述。,一个高质量的传感器，必需不失真地完成信号的 转换。在选择合适而有效的传感器组建测量系统时， 除了需要了解被测信号的特点外，还需了解传感器的 基本特性。,传感器的输入量可分为静态和动态两大类，所以 传感器的特性由静态特性和动态特性决定。,43,传感器特性主要是指输出与输入间的关系 静态特性：输入量为常量，或变化极慢 动态特性：输入量随时间较快地变化时,传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。,44,第一节 传感器的静态特性,一、传感器的静态特性,定义：人体被测信息处于稳定状态时，传感器的输入 量在较长时间维持不变或发生极其缓慢的变化， 这时传感器的输出量与输入量间的关系就是传 感器的静态特性。,通常希望传感器输出和输入之间具有一一对应 的关系，这样的传感器才能如实反映待测的信息。,45,1理想情况下，传感器的输出量 y 与输入量 x 之间 为线性关系，其静态特性可表示为,y = a1 x ( 2 1 ),若输入分别为x , x +x ，则对应于两者的输出差 y 为, y = a1 x ( 2 2 ),46,由( 2 1 )、( 2 2 )式，,传感器的灵敏度,a1 线性静态特性的斜率,具有这种特性的传感器的数学 模型是一线性方程，这种传感 器称为线性传感器。如图所示,47,2实际传感器由于原理上和制作工艺上的原因，都 有一定程度的非线性特性，这时的静态特性表达 式常在线性项a1x 上迭加非线性项（x 的高次项）。,48,若极板在工作点 d0 附近产生位移d 时，电容的 变化量c为,( 2 3 ),第1项表示电容式位移传感器的输出量c与位移d 成正比，是这种传感器的线性项，常数 是灵敏度。 第2项以下是一些非线性项。,49,3传感器静态特性的数学模型 传感器的静态特性: 传感器输入量 x 与输出量 y 之间的关系通常可 用一个多项式表示：,y = a0 + a1x + a2x2 + + anxn,( 2 4 ), 传感器静态特性的数学模型,式中：a0 输入量x 为零时的输出量； a1 线性项系数，表示传感器的灵敏度； a2、 a3、 、an 非线性项系数。,50,讨论：,（1）当 a0 = a2 = a3 = 0 ，该式就是理想情况；,（2）当 a 00 ， a 10 ， a2 = a3 = a4 = 0 ，该式仍 表示线性，这时直线不经过原点，有一非零偏；,y = a0 + a1x + a2x2 + + anxn,y = a1 x,y = a0 + a1x,51,（3）如果非线性项只有x 的奇次项，输出输入关系 曲线如图所示，在原点附近有 y ( x ) = - y ( -x ) 的对称关系，且有足够长的线性段。,在实际应用中，差动式 传感器就是将电器元件对称 排列，以消除电器元件的偶 次分量，使线性得到改善， 同时灵敏度提高一倍。,52,（4）如果只有x 的偶次项，输出输入关系曲线不对称， 如图2-1（a）所示，且线性范围较窄，传感器设计时 少采用这种特性。,53,y = a0 + a1x + a2x2 + + anxn,54,1测量范围 2灵敏度 3线性度 4迟滞 5稳定性 6重复性 7环境特性,二、传感器的静态特性指标,衡量传感器 静态特性品质的指标,55,1 测量范围,传感器的测量范围是指按其标定的精确度可进行测量 的被测量的变化范围，而测量范围的上线值 ymax与下限值 ymin 之差就是传感器的量程 ym ，即,ym = ymax - ymin,例如某温度计的测量范围为-20 100C，则其量程 ym = 100 C - ( - 20 C ) = 120 C,有的传感器一旦过载（即被测量超出测量范围）就将损 坏，而有的传感器允许一定程度的过载，但过载部分不作为 测量范围，这一点在使用中注意。,56,灵敏度反映了传感器对被测参数变化的灵敏程度，灵敏 度 k 值越大，表示传感器越灵敏。线性传感器的灵敏度 就是静态特性曲线斜率。在整个测量范围它是个定值。 而非线性传感器的灵敏度则是其特性曲线某点切线的斜 率。,灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量 的变化y 与输入量的变化x 之比。用 k 表示灵敏度，即,（2 - 6）,2 灵敏度（ sensitivity ）,57,通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏 度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应 的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意 的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也 容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此， 要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界 引入的干扰信号。,58,传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系 的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。 从传感器的性能看，希望具有线性关系，即理想输入输出关 系。但实际遇到的传感器大多为非线性（如图2-3所示）。,图2-3 线性度,3. 线性度（linearity),59,传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与 拟合直线之间的最大偏差值Lmax与满量程输出值YFS之比。 线性度也称为非线性误差，用L表示，即,式中： Lmax最大非线性绝对误差； YFS 满量程输出值。,YFS = Ymax Y0,60,在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得 到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节。 如：采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理， 从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性， 但如果传感器非线性的方次不高， 输入量变化范围 较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实 际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采 用的直线称为拟合直线。,61,几种直线拟合方法: (a) 理论拟合 (b) 过零旋转拟合 (c) 端点连线拟合 (d) 端点平移拟合,62,迟滞 ( hysteresis ) 传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到 小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象 称为迟滞，又叫滞后，如图2-4所示。也就是说，对于同 一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不 相等，这个差值称为迟滞差值。,图2-4 迟滞特性,63,产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的 物理性质和机械部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹 性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。 迟滞误差又称为回差或变差。,传感器在全量程范围内最大的迟滞差值Hmax与满量 程输出值YFS之比称为迟滞误差，用H表示，即,（2 - 8）,64,5稳定性（steadiness）,不稳定性是指作用在传感器的输入不变时，输出随时 间的变化。不稳定性的同义词是传感器的漂移。,产生漂移的原因有两方面：一是传感器自身结构参数 的变化。如传感元件的特性随着时间的流逝而发生变化， 产生一种叫作经时变化的现象，即使是长期放置不用的传 感器也会产生经时变化现象。,在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。,65,二是外界工作环境参数（如温度、湿度等）的变化对 响应的影响。最常见的漂移问题是温漂，即由于外界工作 温度的变化而引起的输出的变化。例如溅射薄膜压力传感 器的温漂为0.01%（h ），即当温度变化1时，传感 器的输出每小时要变化0.01%。随着温度的变化，传感器 的灵敏度和零位也会发生漂移，并相应地称之为灵敏度漂 移和零点漂移。,有时在接通电源的前后传感器的工作会不稳定，因而有 较大漂移。这时传感器内部发热尚未达到正常值，因而工作 点变动。这样的漂移是暂时的，最终自行消失，达到正常状 态所需时间叫作升温时间。因此，在接通电源后在升温时间 内最好避免使用传感器。,66,6. 重复性 ( repeatability ) 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次 变化时，所得特性曲线不一致的程度，见图。重复性误差属于 随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差 值Rmax计算，即,或,67,7. 环境特性,在保持周围环境绝对不变的条件下使用传感器是不现 实的。大多数情况是要求传感器在极其苛刻的环境条件下 都能正常使用，并在此前提下进行设计。在影响传感器特 性的环境因素中，最普遍又最重要的因素是温度的影响。,环境因素对传感器的影响除温度外还有气压、湿度、 振动、电源电压和频率等。,68,湿度变化对光学传感器或电容传感器的影响尤为明显， 这是因为湿度变化会使光学传感器改变折射率，使电 容传感器改变介电常数。,69,传感器的动态特性是指：输入量随时间变化时，输 出与输入的关系。对任何传感器只要输入量是时间的函 数，其输出量也将是时间的函数，此关系要用动态特性 来说明。,第二节 传感器动态特性,传感器不但要精确测量信号幅值大小，且需能测出 信号变化过程的波形，即传感器能迅速响应信号幅值变 化和无失真再现被测信号随时间变化的波形。,70,为了说明传感器的动态特性，下面简要介绍 动态测温的问题。当被测温度随时间变化或传感 器突然插入被测介质中，以及传感器以扫描方式 测量某温度场的温度分布等情况时，都存在动态 测温问题。,71,动态测温,例如：把一支热电偶从温度为t0环境中迅速插入一个温度 为t1的恒温水槽中（插入时间忽略不计），这时热电偶测 量的介质温度从t0突然上升到t1，而热电偶反映出来的温度从 t0变化到 t1需要经历一段时间，即有一段过渡过程，如 下图所示。热电偶反映出来的温度与其介质温度的差值就称 为动态误差。,72,为分析传感器的动态特性，须建立数学模型，用 数学中的逻辑推理和运算方法来研究系统的动态响应。,实际测量中，输入信号随时间的变化形式多种多 样，无法统一研究，所以通常只分析传感器在标准输 入信号作用下的输出。,标准输入信号：正弦输入信号 阶跃输入信号 线性输入信号 其中前两种最常用。,73,要精确的建立传感器的数学模型是很困难的。在工程 上总是采用一些近似方法，略去一些影响不大的因素。通 常把传感器看成线性系统。 对于线性系统的动态响应，广泛使用的数学模 型是线性常系数微分方程式。只要对微分方程求解， 就可以得到动态特征指标。,用线性常系数微分方程来描述其输出量 y 与 输入量 x 之间的关系。,74,传感器的种类和形式很多，但它们的动态特性一般都 可以用下述的微分方程来描述：,（2 - 9）,式中，x ( t ) 是输入量，y ( t )是输出量，a0、a1、, an , b0、b1、., bm是与传感器的结构特性有关的常系数。,1. 传感器的基本动态特性方程,75,传感器动态特性的研究可归纳为三种基本类型 ： 零阶传感器 一阶传感器 二阶传感器,这不仅因为绝大多数医用传感器的传递函数或数 学模型具有这三种典型的形式，而且更复杂、更高阶 的传感器的特性也能用这三种类型近似表示。,76,77,（1） 零阶系统 在方程式（2-9）中的系数除了a0、b0之外，其它 系数均为零，则微分方程就变成简单的代数方程， 即,a0 y( t ) = b0 x( t ),通常将该代数方程写成,y( t ) = k x( t ),式中，k=b0/a0为传感器的静态灵敏度或放大系数。 ( 2-10 ) 不含导数项，故称为零阶微分方程， 它代表的传感器称为零阶传感器。,( 2-10 ),78,零阶系统具有理想的动态特性，无论被测量x( t ) 如何随时间变化，零阶系统的输出都不会失真，其 输出在时间上也无任何滞后，所以零阶系统又称 为比例系统。,y( t ) = k x( t ),传感器的动态特性用方程式（2-10）来描述的就 称为零阶系统。,( 2-10 ),79,若在方程式（2-9）中的系数除了a0、a1与b0 之外， 其它的系数均为零，则微分方程为,上式通常改写成为,(2-11),( 2 ) 一阶系统,80,式中，：传感器的时间常数，=a1/a0 ； k ：传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0 。 时间常数具有时间的量纲，反映传感器惯性的 大小，静态灵敏度则说明其静态特性。用式（2-11） 描述动态特性的传感器称为一阶系统，一阶系统又 称为惯性系统。,(2-11),81,( 3 ) 二阶系统 二阶系统的微分方程为,二阶系统的微分方程通常改写为,式中：k 传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0； 传感器的阻尼系数， n 传感器的固有频率，,82,2传感器动态特性的数学模型,图2-7 零阶传感器,图2-7 表示一简单的传感器电位式传感器。如电阻 值沿长度L是线性分布的，则输出电压U和位移量x 的关系 为：,83,如图,是玻璃液体温度计的感温部，其质量为m ，比热为c ， 其表面积为 S，被测介质和温度计之间的热传导系数为h 。 根据热平衡原理有,图2-8 温度计感温部,式中T是温度计的温度，Ti是被测介质的 温度，t 是时间，上式可写成微分方程,或,这是一阶线性微分方程，它代表的传感器称为一阶传感器。,84,图2-9 充液导管压力测量系统,图2-9是测量心内压的液压耦合导管压力传感器。它由 经血管插入心内的充液导管和体外的膜片压力传感器组成。 设导管和压力室中液体的等效质量为Me，弹性元件的弹