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文档简介

1、生物医学传感器及应用,李俊国 Tel:E-mail:,第一章 绪论,第一节、传感器作用、定义,一、传感器的作用 控制系统,信息获取(传感器),物理量(检测或控制对象),信息处理(电子、计算机、网络、通讯),执行器(电动、机械),人体动作,五官,大脑,对象,四肢,传感器就是对被测(被控)对象提取有用信息,以供运算、识别、显示、控制等。它已是各应用领域特别是自动检测、自动控制系统不可缺少的重要技术工具,是首要环节。 如果没有传感器对原始数据进行精确可靠测量,那么,无论是信号转换或信息处理,或最佳数据的显示和控制,都将成为一句空话。没有传感器,信息技术和计算机技术就成为无水

2、之源。传感器是整个信息产业的源头,是信息社会赖以存在和发展的物资基础。 无论是计算机软、硬件,还是网络、通讯技术发展日新月异,传感器技术却大为滞后,日益成为信息技术发展的瓶颈。究其原因,一是传感器的应用不尽如意,更重要的是传感器自身的发展滞后。这是由传感器本身特点所决定的。学习这门课的主要目的就是掌握传感器的基本原理、特点及应用,为传感器设计、选型,系统组建打下基础。,二、传感器定义,传感器:能感受规定的被测量,并按一定规律转换为有一定精度、便于处理的有用信号的器件或装置。 规定:被测对象具有很多物理特征,而通常仅测单一物理量。不仅由于传感器本身不宜感受多种物理量,而且对于测量某一具体物理量的

3、传感器,其它物理量会产生影响(传感器输出),从而造成误差,即干扰。传感器性能的一个重要技术指标就是抗干扰能力。 对于不同传感器,其主要干扰源不尽相同,通常干扰有温度、湿度、加速度、振动、光、电磁等等。,一定规律:传感器的输入是被测量(机械量、化学量等),输出则是电参量(电阻、电感、电容、频率、相位、电压、电流)。要通过传感器的输出推算出输入,则必须两者间有确定的函数关系,即确定的规律。通常希望成简单的线性关系,即:Y=kX。大多数遵从这一线性关系。但也有例外,如倾角的测量。,便于处理的有用信号:传感器的输出送至计算机、显示器或执行器中,这些设备信号通常是电信号,故传感器的输出一般为电信号。当然

4、,从长远观点来看,输出为光信号也许更为有利。传感器的输入(被测物理量)通常是非电量,故传感器测量又称为非电量检测。当然被测物理量也可以是电量,如电量传感器(强电流、电压频率、相位、功率的测量)。,三、传感器的应用,传感器是现代信息社会的基础,可以说是无处不在。 日常生活:冰箱、洗衣机、空调、电子血压计 工业生产:压力、成份、力、温度、流量、位移 信息技术:光驱、鼠标、解码、译码 医疗卫生:B超、CT、温度仪 军事技术:陀螺仪、速度、加速度、定位 科学研究:磁场强度、高度、频率,四、传感器组成,敏感元件:通过弹性敏感元件将一种物理量转化为另一种物理量。如力转换为位移、应变,位移转换为力。正是由于

5、敏感元件的转换,同一物理量可以由多种原理的传感器检测,不同的物理量可以由同一原理传感器检测。因此应掌握各种原理传感器的特点。转换元件:通过各种物理效应,将非电量转换为电量。有时敏感元件和转换元件是同一元件,如压阻式压力传感器。电源:用于转换元件和调理电路所需的电源。调理电路:传感器输出为电参量,而接收信号的计算机等输入信号为数字信号或标准的电流、电压信号。因此,需调理电路将电参量转换为所需的标准电信号。敏感元件、转换元件、调理电路转换时,需有一定精度。,五、传感器技术特点,内容广且离散:由于传感器直接与被测对象联系,其量程、环境、所测物理量不尽相同,原理、安装形式、适用范围多种多样。 知识密集

6、程度高、边缘学科色彩浓 技术、工艺复杂 因此本课程特点是:内容离散、整体逻辑性不强。 但共同之处在于:掌握每种传感器原理、特点及应用,以及处理电路、抗干扰能力等。,六、发展现状 传感器面对的是千差万别的具体对象,同一物理量可以用不同传感器进行检测,由于干扰、环境、温度、湿度等环境不同,以及安装方式、体积大小、精度、可靠性的要求不同,故传感器很难大规模生产,从业人员较少、种类繁多,日益成为现代信息技术瓶颈。,七、发展趋势,智能传感器(intelligent transducer ,smart structure) 集成化(硅传感器) 微型化(MEMS) 高精度、宽量程,多用途 新效应、新原理传感

7、器(Z效应、化学、图像、生物传感器) 多参数、面、空间量传感器 多传感器融合,八、传感器分类 1、按被测对象 2、按原理 3、按原理+被测对象,第二节、生物医学传感器概述,一、生物医学传感器特殊性 生物医学传感器同过程控制传感器一样,是利用各种物理、化学、生物效应制成的。但由于应用对象(人体)不同,需考虑可靠性、安全性、生物体相容性,以及对象(人体)对传感器的干扰等因素。 1、为了准确测量、减小干扰,通常将物理量直接作用于传感器上,即接触测量。 接触测量会使 a.人体产生不适; b.人体内产生应急反应,从而改变被测部位的状态,影响被测量的真实性。 因而通常采用非接触测量,非接触测量:传感器不与被测介质直接接触。非接触测量特点:不会破坏被测介质的状态,但易受环境的影响,信号中干扰成份多,需进行信号处理以去除干扰。2、为能检测生物体局部信息,又使对生物体的侵扰减小到足够低的程度,发展了体内(植入式、部份插入式)传感器,这相应需考虑体积、能量信号传输方式、材料的生物相容性、安全性等。3、生物信号特点是微弱、低频、背景噪声大,要求传感器有较强的抗干扰能力。4、应充分考虑生物体的特性5、需适应多和环境和使用对象。,二、生物医学传感器的应用,1、检测生物体的信息,相当于医生的五官,使临床诊断由定性发展到定量,如中医的“四

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