(整理)医用传感器作业

TheAssigementsOfMedicalSensor第一章１.现代信息产业的三大支柱？传感技术、通信技术和计算机技术.2．为什么要将各种非电量转换成电信号〔传感器的物理含义？〕这是因为电信号是最适合于处理、传输、转换和定量运算。3．医用传感器的定义和主要用途？(1)ans:把人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。(2)1)提供诊断用信息;2)监护;3)疾病治疗和控制;4〕临床检验;4.传感器按工作原理的如何分类？物理传感器;化学传感器;生物传感器5．生物电信号有那些？生物非电量参数有那些？非电量物理参数有那些？(1)生物电信号：心电、脑电、肌电等。(2)非电量生物参数：体温、血压、呼吸、血流量、脉搏、心音等(3)非电量物理参数：温度、压力、流量、频率、力、位移等6.医用传感器技术有哪些开展趋势？智能化微型化多参数无创检测遥控第二章1．传感器的根本特性指什么？如何描述？ANS: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。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。2．传感器静态特性的定义？传感器静态特性的数学模型？ANS:人体的各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。y=a0+a1x+a2x2+…+anxn3．描述传感器的静态特性指标有那些？ANS: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4．传感器灵敏度的定义和描述。ANS:定义是输出量的变化Δy与输入量的变化Δx之比。用k表示灵敏度，即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那么是其特性曲线某点切线的斜率。5．传感器动态特性的定义？与静态特性的区别？ANS:传感器的动态特性是指输入量随时间变化时，其输出与输入的关系.区别: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6．传感器的根本动态特性方程：零阶系统、一阶系统和二阶系统。7．一种温度传感器微分方程为,其中y为输出电压(mV)，x为输入温度〔?C〕。试求该传感器的时间常数τ和静态灵敏度k。第三章1.直流电桥的特征方程?直流电桥的平衡条件?电桥平衡条件:R1R4=R2R32.直流电桥假设为等臂电桥的条件是什么?R1=R2=R3=R4=R3.电桥灵敏度的表达式?应变片的灵敏系数的定义式?电桥灵敏度的表达式：。应变片的灵敏系数的定义式：4.零漂的定义?零漂：对于已安装好的应变片，在一定温度下，不承受机械应变时，其指示应变随时间而变化的特性，称为该应变片的零漂。5.什么是应变效应?6.由金属电阻丝的电阻公式,推导金属材料的灵敏系数当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，为研究电阻值的变化，将〔3-1〕式取自然对数：再对〔3-2〕式取全微分：式中：dL/L——长度相对变化量，用应变ε表示为：dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，那么由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，令dL/L=ε为金属电阻丝的轴向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为式中,μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。将，代入得通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数，用k0表示。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为：7.试证明等臂电桥的4个桥臂电阻同时变化时，与两个桥臂电阻同时变化相比，当两种情况下桥臂电阻变化相同时，前者的输出电压为后者的两倍。8.假设用圆形膜片上粘贴应变片来测量血压，试说明如何取得最大输出灵敏度？圆膜片的周边如果按图C中所示的方法作刚性固定时，膜片受到来自一侧的血压均匀作用将会发生弯曲变形，那么膜片另一侧不同的点上所出现的应变分布状态如图C中的曲线εr和ετ所示。εr称之为径向应变曲线，也就是在膜片的平面内沿半径方向的应变；ετ称之为切向应变曲线，也就是在膜片的平面内以中心点为圆心的同心圆的切线方向的应变。9.什么是压阻效应？压阻效应：半导体材料在机械应力的作用下，使得材料本身的电阻率发生了较大的变化，这种现象叫做压阻效应。第四章1．简述电容式传感器的根本原理．由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为当被测参数变化使得式〔4-1〕中的S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，并且使该参数与被测量之间存在某种一一对应的函数关系，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电压、电流、频率等电信号输出，这就是电容式传感器的根本原理。2．电容式传感器可分为那些类型？变极距型——改变d变面积型——改变S变介电常数型——改变ε3．如何改善变间距型单电容式传感器的非线性？为了提高传感器的线性，在设计此类传感器时，常设定Δd/d‹‹1，为了克服非线性和提高灵敏度之间的矛盾，可采用图4-4所示的差动式结构。4．P47例题4-15．P54例题4-26．变间距型平板电容传感器，当d0=1mm时，假设要求测量非线性误差为0.1%，求允许间距测量最大变化量是多少？第五章1．电感式传感器主要有哪几局部组成？线圈、铁芯和衔铁2.简述自感式电感传感器的工作原理。自感式传感器是利用位移的变化使线圈的自感量发生变化的一种机电转换装置。利用位移变化而造成自感量变化的方法取决于自感传感器的结构，具体地说就是取决于其磁路结构。3．什么是电涡流效应？金属导体置于变化的磁场中，或者让金属导体在磁场中运动，即作切割磁力线运动时，金属块内将产生感应电流，这种电流在金属块内自成闭合回路，很像水的旋涡，因此，称这种现象为电涡流效应。4．画出电感式传感器结构原理图5．电感式传感器测量电路的主要任务是什么？它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。第六章1．什么叫正压电效应和逆压电效应？正压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个外表上便产生符号相反的电荷，并且电荷密度与力大小成比例，当外力去掉后，介质又重新恢复到不带电状态。这种现象称为正压电效应。逆压电效应：当在电介质两个外表施加外电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”〔电致伸缩效应〕。2．石英晶体x、y、z轴的名称及特点是什么？Z轴：纵向轴，光轴，此方向不产生压电效应。X轴：电轴，经过六面体棱线并垂直于光轴。此方向的压电效应最明显。一般把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”Y轴：机械轴，与x和z轴同时垂直的轴。把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷压电效应称为“横向压电效应”。3．简述压电陶瓷的结构和特性。压电陶瓷是一种人工制造的各向同性多晶体，它是一种具有压电效应的功能陶瓷。与铁磁性材料的磁畴结构类似，原始的压电陶瓷材料内部具有无数自发极化的电畴。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。4．画出压电传感器在理想状态下的等效电路。5．比拟石英晶体和压电陶瓷各自的特点。石英晶体：居里点温度高〔高达573℃〕，稳定性好，无热释电现象。但压电常数小，本钱高。压电陶瓷：压电常数大，本钱低。但居里点温度低，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。利用热释电现象特性可以制作热电传感器，如红外探测。6.能否用压电传感器测量静态信号？试说明其理由。压电式传感器所积累的电荷不可能长期保存，因为使用时存在负载电阻泄漏电荷现象．所以压电式传感器不宜做静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，提供应测量电路一定的电流，故压电式传感器只适宜做动态测量。为了对压电式传感器进行定量分析，必须建立压电式传感器的等效电路。第七章1.磁电式传感器和电感式传感器有那些不同，分别可以测量哪些参数。磁电式传感器也称为电动式传感器或感应式传感器，它是利用电磁感应原理将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。利用电磁感应原理将被测非电量〔如位移、压力、流量、振动等〕转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。2．简述磁电式传感器的工作原理。根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电动势为当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为φ，那么线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下关系：图7-1(a)作直线运动的磁电式传感器。当线圈在磁场中作直线运动时，产生的感应电动势为3．简述霍尔效应、霍尔传感器的工作原理。在磁感应强度为B的磁场中，放入通有电流的导体或半导体薄片，使薄片平面垂直于磁场方向，这时在垂直于电流和磁场的方向上产生电势差，这种现象称为霍尔效应。其原理在于：在薄片左右两端通以电流I(称为控制电流)，那么薄片中的电子将沿着与电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到磁场力FL(洛仑兹力)而发生偏转，使后端面带负电，前端面带正电，从而在前后端面间形成电场。该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转，达动态平衡时FE与FL相等。这时，前后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建立的电场，称为霍尔电场EH，相应的电势就称为霍尔电势UH。4．霍尔电势的大小和方向与那些因数有关。5．描述〔画出〕霍尔元件的外形、结构和符号。6.磁敏元件有哪些？什么是磁阻效应？磁敏电阻器磁敏二极管和磁敏三极管超导量子干预磁通计磁阻效应：当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象被称为磁阻效应。7.什么是生物磁效应？什么是生物磁场？外磁场引起的生物效应。生物磁场：生物本身会产生微弱的磁场，称为生物磁场。第八章热电式传感器1．什么是热电阻效应？半导体热敏电阻如何分类？其各类电阻的主要特点？绝大多数物质的电阻率都随其本身的温度的变化而变化，这一物理现象称为热电阻效应。热敏电阻的分类：正温度系数热敏电阻〔PTC〕〔电阻值随温度升高而增大〕；负温度系数热敏电阻〔NTC〕〔电阻值随温度升高而下降〕临界温度系数热敏电阻〔CTR〕〔电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低3～4个数量级，也称突变型负温度系数热敏电阻〕。2．概述热敏电阻的伏安特性。热敏电阻的伏安特性表示在稳定情况下，热敏电阻两端的电压与流过电阻的电流之间的关系。3．什么是温差电现象？热电偶？温差电动势？将任意两种不同材料的导体A和B首尾依次相接构成一闭合回路，假设导体AB连接处温度相同时回路中总电动势为零。A和B的连接处温度不同(设T＞T0),那么在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做温差电现象。这个电路称为热电偶。4．简述热电偶的根本定律。热电偶的根本定律：均质导体定那么、中间导体定那么、中间温度定那么、标准电极定那么5．用一简单电路说明热电偶温度计的原理。6．石英温度传感器的本质和作用是什么？石英温度传感器本质上是一种晶体振荡器，它的作用就是将被测的温度转换成频率的信号。7．什么是热释电效应？热释电效应：某些晶体在温度变化时会发生电极化。均匀加热晶体，那么在晶体的某些方向会产生等量异号的电荷。冷却晶体时，电荷的变化与加热时相反。8．临床中对于温度的测量主要可分那两种方式？按测量方法又可分为：接触式和非接触式；第9章光学传感器1、光学传感器的作用？其工作的物理根底是什么？光学传感器可用于检测直接引起光学量变化的非电学量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等。也可用来检测能转换成当光信号的非电学量，如外表粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状等。其工作的物理根底是光电效应.2、光电器件有哪几种类型？1)．光电传感器2).辐射热探测器3).光纤传感器3、光电效应可分几类？说明原理并指出相应的光电器件。光电效应常分为内、外光电效应两大类。原理：内光电效应：在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。光电池、光电二极管和光电三极管都是基于光生伏特效应制成的光电转换器件。外光电效应：光电管和光电倍增管属于外光电效应器件4、红外传感器有哪些〔根据其探测机理〕？并说明它们的工作原理。红外传感器，是对光谱中长波段〔红外光〕敏感的器件。根据其探测机理，可分为光子探测器和热探测器。光子探测器的工作原理是利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用，从而改变电子的能量状态，引起电学量变化。热探测器的工作原理是吸收光辐射后所产生的强度变化能够引起测量器件材料电阻的变化，而电阻的变化可以用来测量光辐射的大小。5、利用光纤传导时，光线的入射角有何限制？数值孔径的大小有何意义？在纤维内，射向覆盖层的入射角大于θ1的光线，全部在内部反射后继续前行。为满足这一条件，要求从折射率为n0的介质中入射的光线满足某一角度的限制。入射光线的角度需满足方程：数值孔径NA反映了光纤对入射光的接收能力。NA越大，说明光纤能够使光线全反的入射角范围越大，即接收能力越强。第10章化学传感器与医用电极1.化学传感器的分类及其定义？将被测的化学量转变成电学量可用不同的方法进行。根据转变方式和输出电信号的不同，可将化学传感器分为三种类型：电势型、电流型和电导型2.化学传感器中对盐桥溶液有什么要求？盐桥溶液要求正、负离子的迁移速度大致相等；电解质浓度要高；不与电池溶液中的成分产生反响。盐桥一般采用饱和电解质溶液。3.何谓参比电极和指示电极？在测量电极电位时，用作基准电位的电极称为参比电极。常用的参比电极有：标准氢电极、甘汞电极、银/氯化银电极。根据电极电位的大小指示出物质浓度的电极称为指示电极。4.简述电极的分类？〔一〕按工作性质可分为检测电极和刺激电极两大类〔二〕按电极的大小又可将其分为宏电极和微电极两大类四类.1．参比电极2．指示电极3.工作电极和辅助电极5.什么是极化电极和非极化电极？在给电极施加电压，或通入电流时，在电极／电解溶液界面上无电荷通过，而有位移电流通过的电极，称为极化电极。不需要能量、电流能自动通过电极／电解质溶液界面的电极，称为非极化电极。此种电极不存在超电压。第十一章生物传感器1.简述生物传感器工作原理和特点？生物传感器工作原理:它