第1章绪论-医用传感器

1、授课教师：齐秋菊授课教师：齐秋菊授课期班：授课期班：07生工生工授课时间：授课时间：90分钟分钟Page 2医学仪器教研室医学仪器教研室学习本门课程的意义学习本门课程的意义传感器是感知、获取与检测信息的窗口，它处于研究传感器是感知、获取与检测信息的窗口，它处于研究对象与测控系统的接口位置，是自动测控系统的重要对象与测控系统的接口位置，是自动测控系统的重要环节，一切科学实验和生产过程要获取的信息，都是环节，一切科学实验和生产过程要获取的信息，都是通过传感器转换通过传感器转换。与其它课程的联系与分工与其它课程的联系与分工n学习本课程之前，要求学生先修学习本课程之前，要求学生先修高等数学高等数学、大

2、大学物理学物理、电路分析电路分析、模拟电子技术模拟电子技术、数字数字电子技术电子技术；n本课程也是本课程也是检验分析仪器检验分析仪器的先修课程。的先修课程。本教学大纲要求：本教学大纲要求：Page 3医学仪器教研室医学仪器教研室课程的学习目的课程的学习目的n 合理选择和使用传感器。 n 对传感器技术问题有一定的分析和处理能力。n 知晓传感器的工程设计方法和实验研究方法。 了解传感器的发展动向。本课程的性质及适应对象本课程的性质及适应对象本课程为自动化类专业的选修课，或考查课。对于本专业作为考查课。Page 4医学仪器教研室医学仪器教研室章次章次内内 容容课时课时章次章次内内 容容课时课时一一绪

3、论绪论2七七磁传感器磁传感器6二二传感器的基本特征传感器的基本特征4八八热电式传感器热电式传感器4三三电阻式传感器电阻式传感器4九九光学传感器光学传感器4四四电容式传感器电容式传感器4十十化学传感器及医用电化学传感器及医用电极极2五五电感式传感器电感式传感器2十一十一生物传感器生物传感器2六六压电式传感器压电式传感器4考核考核2共共 40 学时学时Page 5医学仪器教研室医学仪器教研室Page 6医学仪器教研室医学仪器教研室机油感应塞Page 7医学仪器教研室医学仪器教研室n空气流量计：测发动机的进气量，用以控制喷油量 ；n机油油位传感器：可以测油温和机油量 ；n氧传感器：检查废气中的含氧量

4、，修正空燃比；n温控开关：控制风扇的起停 ；n节气门位置传感器：进行空燃比信号采集，以调节发动机的喷油量 。Page 8医学仪器教研室医学仪器教研室第一节 传感器的定义和组成1.1.定义：定义：n传感器传感器 是能感受或响应规定的被测量，并是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按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。或装置。n医用传感器医用传感器Page 9医学仪器教研室医学仪器教研室2. 传感器的特点：传感器的特点：传感器是测量装置，能完成检测任务；传感器是测量装置，能完成检测任务；它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能它的输入量是某一被测量，可能是物理

5、量，也可能是化学量、生物量等；是化学量、生物量等；它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；但主要是电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。Page 10医学仪器教研室医学仪器教研室传感器通常由直接响应于被测量的传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件、产生可用信号输出的转换元件敏感元件、产生可用信号输出的转换元件以及转换电路组成。以及转换电路组成。被测量电量敏感元件转换元件转换电路电学量电学量非

6、电量非电量Page 11医学仪器教研室医学仪器教研室n敏感元件敏感元件 直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量。物理量。n转换元件转换元件 敏感元件的输出就是它的输入，转换成电路参量。敏感元件的输出就是它的输入，转换成电路参量。n转换电路转换电路 上述电路参量接入基本转换电路，便可转换成电上述电路参量接入基本转换电路，便可转换成电量输出量输出Page 12医学仪器教研室医学仪器教研室第二节 传感器的作用n医用传感器是拾取生命体征信息的医用传感器是拾取生命体征信息的“感感官官”。传感器放大电路A/D A/D 计算机显示打印检测类仪器结构框图检测

7、类仪器结构框图Page 13医学仪器教研室医学仪器教研室人体动作过程人体动作过程人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。反映。检测系统执行过程检测系统执行过程传感器相当于人的感官，称传感器相当于人的感官，称“电五官电五官”，外界，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制。执行器，执行器对外界对象进行控制。Page 1

8、4医学仪器教研室医学仪器教研室人与机器的机能对应关系图人与机器的机能对应关系图外界对象感官传感器人脑微机肢体执行器Page 15医学仪器教研室医学仪器教研室Page 16医学仪器教研室医学仪器教研室4.4.传感器起着关键性作用的原因传感器起着关键性作用的原因n 生物信号很多是非电量信号生物信号很多是非电量信号n 生物信号十分微弱生物信号十分微弱n 生物信号信噪比很低，微弱的有用信号往往淹没生物信号信噪比很低，微弱的有用信号往往淹没在强大的干扰和噪声之中。在强大的干扰和噪声之中。n 生物信号多数变化频率都很低，容易受到生物信号多数变化频率都很低，容易受到50HZ50HZ电电源和其它生物活动的干扰

9、。源和其它生物活动的干扰。 无创伤检测（夹式光电容积血流脉搏传感器）无创伤检测（夹式光电容积血流脉搏传感器）Page 17医学仪器教研室医学仪器教研室Page 18医学仪器教研室医学仪器教研室Page 19医学仪器教研室医学仪器教研室袖带压力传感器充气泵放气阀MSP430F427液晶显示、按键控制ADCPage 20医学仪器教研室医学仪器教研室Page 21医学仪器教研室医学仪器教研室第三节 医用传感器的用途和分类一、医用传感器的用途一、医用传感器的用途1.1.提供信息提供信息 如心音、血压、脉搏、体温、血流如心音、血压、脉搏、体温、血流等，作为重要的生理参数供临床诊断和基础研等，作为重要的生

10、理参数供临床诊断和基础研究用。究用。2.2.监护监护 长时间连续检测某些生理参数，监视其长时间连续检测某些生理参数，监视其是否超出正常范围，以便随时掌握患者的状况，是否超出正常范围，以便随时掌握患者的状况，出现异常及时报警出现异常及时报警。Page 22医学仪器教研室医学仪器教研室3.3.生化检验生化检验 利用传感器的分子识别能力，检测利用传感器的分子识别能力，检测各种体液，溶液中的成分和含量。各种体液，溶液中的成分和含量。4.4.自动控制自动控制 根据传感器提供的生理信息，调节根据传感器提供的生理信息，调节执行机构做出反应，实现自动控制。执行机构做出反应，实现自动控制。5.5.参与治疗参与治

11、疗 医用电极经常是用于检测信号，又医用电极经常是用于检测信号，又用于实施治疗。用于实施治疗。Page 23医学仪器教研室医学仪器教研室二、医用传感器的分类二、医用传感器的分类1.1.按工作原理分类：按工作原理分类：n 物理传感器物理传感器n 化学传感器化学传感器 生物传感器生物传感器Page 24医学仪器教研室医学仪器教研室n 物理传感器物理传感器 利用物理性质和物理效应制成的利用物理性质和物理效应制成的传感器。如压电式传感器、半导体压阻式传传感器。如压电式传感器、半导体压阻式传感器、光电式传感器等。感器、光电式传感器等。n 化学传感器化学传感器 利用化学性质和化学效应制成的利用化学性质和化学

12、效应制成的传感器。传感器。n 生物传感器生物传感器 采用具有生物活性物质作为分子采用具有生物活性物质作为分子识别系统的传感器。识别系统的传感器。Page 25医学仪器教研室医学仪器教研室2.2.按被测量的种类分类按被测量的种类分类n 位移传感器位移传感器n 流量传感器流量传感器n 温度传感器温度传感器n 速度传感器速度传感器 压力传感器压力传感器Page 26医学仪器教研室医学仪器教研室n 位移传感器位移传感器（电感式位移传感器，电容式位移传感电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器）尔式位移传感器）

13、n 流量传感器流量传感器（插入式磁电流量传感器、（插入式磁电流量传感器、叶片式空气叶片式空气流量传感器流量传感器 ）n 温度传感器温度传感器（热敏电阻、热电偶、（热敏电阻、热电偶、pnpn结温度传感器）结温度传感器）n 速度传感器速度传感器（线速度传感器、角速度传感器）（线速度传感器、角速度传感器）n 压力传感器压力传感器（金属应变片压力传感器、压电传感器、（金属应变片压力传感器、压电传感器、半导体压力传感器、电容压力传感器半导体压力传感器、电容压力传感器）Page 27医学仪器教研室医学仪器教研室3.3.按与人体感官相对应的传感器的功能分类按与人体感官相对应的传感器的功能分类n 视觉传感器视

14、觉传感器（各种光学传感器）（各种光学传感器）n 听觉传感器听觉传感器（拾音器、压电传感器、电容传感（拾音器、压电传感器、电容传感器）器）n 嗅觉传感器嗅觉传感器（各种气体传感器）（各种气体传感器）Page 28医学仪器教研室医学仪器教研室第四节 医用传感器的特性和要求一、传感器应具有以下特性：一、传感器应具有以下特性：1.足够高的灵敏度，能检测出微弱的生物信号2.尽可能高的信噪比，以便在干扰和噪声背景中提取有用的信息。3.良好的精确性，以保证检测出的信息准确、可靠。Page 29医学仪器教研室医学仪器教研室4.足够快的响应速度，能够跟随生物体信息量的变化。5.良好的稳定性，保持长时间检测漂移很

15、小，输出稳定。6.较好的互换性，调试、维修方便。Page 30医学仪器教研室医学仪器教研室二、医用传感器的要求：二、医用传感器的要求：1.1.与人体接触、特别是植入人体内的传感器材料与人体接触、特别是植入人体内的传感器材料必须是无毒的，并且与生物体组织具有良好的必须是无毒的，并且与生物体组织具有良好的相容性，长期接触不会引起排异、炎症等不良相容性，长期接触不会引起排异、炎症等不良反应。反应。2.2.传感器在进行检测时，不能影响或者尽可能少传感器在进行检测时，不能影响或者尽可能少影响正常的生理活动，否则检测的信息将是不影响正常的生理活动，否则检测的信息将是不准确的。准确的。Page 31医学仪器

16、教研室医学仪器教研室n3.3.传感器应具有良好的电气安全性，特别是与体传感器应具有良好的电气安全性，特别是与体内接触的传感器应按照防止微电击的电气安全标内接触的传感器应按照防止微电击的电气安全标准准(36V)(36V)并具有良好的绝缘性能。并具有良好的绝缘性能。n4.4.传感器在结构上和性能上要便于清洁和消毒，传感器在结构上和性能上要便于清洁和消毒，防止有害物质交叉感染防止有害物质交叉感染Page 32医学仪器教研室医学仪器教研室第五节 医用传感器的发展一、智能化传感器一、智能化传感器二、微型化传感器二、微型化传感器三、多参数传感器三、多参数传感器 四、遥控传感器四、遥控传感器 （电子药丸）五

17、、无创伤检测传感器五、无创伤检测传感器Page 33医学仪器教研室医学仪器教研室1、开发新的敏感、传感器材料、开发新的敏感、传感器材料n在基础研究中寻找发现具有新原理、新效应的敏感元在基础研究中寻找发现具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。件和传感元件。n没有深入细致的研究，就没有新传感元件的问世，也没有深入细致的研究，就没有新传感元件的问世，也就没有新型传感器，组成不了新型测试系统。就没有新型传感器，组成不了新型测试系统。n对于半导体硅材料，发现力、热、光、磁、气体等物对于半导体硅材料，发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使其性能改变。制成力敏、热敏、光敏、磁敏理量都会使其性能改变。制成力

18、敏、热敏、光敏、磁敏气敏等敏感元件。气敏等敏感元件。Page 34医学仪器教研室医学仪器教研室2、开发研制新型传感器及组成新型测试系统、开发研制新型传感器及组成新型测试系统（1 1）MEMSMEMS技术要求研制微型传感器。技术要求研制微型传感器。（微机电系统）（微机电系统）如用于微型侦察机的如用于微型侦察机的CCDCCD传感器、用于管道爬壁机器传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。人的力敏、视觉传感器。（2 2）研制仿生传感器）研制仿生传感器（3 3）研制海洋探测用传感器）研制海洋探测用传感器（4 4）研制成分分析用传感器）研制成分分析用传感器（5 5）研制微弱信号检测传感器）研制微弱信号检测传感器Page 35医学仪器教研室医学仪器教研室3、研究新一代的智能化传感器及测试系统、研究新一代的智能化传感器及测试系统n 智能传感器一般具有以下功能：智能传感器一般具有以下功能：能够根据检测到的信号进行判断和决策；能够根据检测到的信号进行判断和决策；可以根据软件控制执行相应的操作；可以根据软件控制执行相应的操作；具有输入、输出接口，能够与外界进行信息交流；具有输入、输出接口，能够与外界进行信息交流；具有自我检测、自我校正和自我保护功能。具有自我检测、自我校正和自我保护功能。n 如电