生物医学传感器习题
（这）使（不）用（是）说（重）明（点）
1.书本使用《医用传感器》第2版，陈安宁主编。供生物医学工程、影像学等相关专业使用
2.有些题目找的答案与标准答案或有出入，有些题目LZ也没有找到答案，各位您见谅！
3.全文“LZ”代表“录主”，不是“楼主”，也不是“劳资”或者“老子”。
4.“【PS：xxxxxxxxxxxx】”：可能为重要备注也可能是LZ瞎BB,请视具体情况取舍。
5.“*************我是分割线*****************”：分割线之前为网络各家资料，分割线之后为亲爱的老师给的“给力”的重点。
6.本文有些地方有照片或者有截图，如果不清楚，请您凑合着看吧！目前照片里的字代表了LZ的最高水平，也请您凑合着看吧！排版水平差，也请您凑合着看吧！
7.第1-9章，参考网上部分资料，老师PPT，和学神（我希望是，毕竟不认识，瞎买的书）的复习资料，所以有些照片是他的杰作。第10章、第11章为另一个亲爱的老师给的题目，没给“重点”至于考不考是另外一回事。总之，谢谢他们，我只是个欢乐的复习资料搬运工。
8.再次谢谢他们！！！也谢谢您的观看，预祝过过过，都考90分。但是，你也知道这难度有点大，所以，加油！！！！！
第一章绪论
1.医用传感器的定义、组成及在医用测量系统中的作用？
定义：能感受或响应规定的测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。
生物医学传感器：能将各种被观测的生物医学中的非电量转换为易观测的电学量的一类特殊的电子器件。
医用测量系统中传感器的作用：提供信息、监护、生化检验、自动控制、参与治疗
2.传感器定义中“有用信号”的含义是什么？为什么通常传感器输出信号形式为电信号？
反映生命的信息绝大多数属于非电量，其放大和处理是十分困难的。而医学传感器把生物信号换成电信号，经放大器及预处理器进行信号放大和预处理，然后经A/D 转换器进行采样，将模拟信号转变为数字信号，输入计算机，然后通过各种数字信号处理算法进行信号分析处理，得到有意义的结果。
3.何谓物理型、化学型、生物型传感器？
医用传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和生物型三大类。
物理传感器是利用物理性质和物理效应制成的传感器；
化学传感器是利用化学性质和化学效应制成的传感器；
生物传感器是利用生物活性物质作为分子识别系统的传感器。
4.何谓直接型、间接型、物性型和结构型传感器？
5.试分析比较医用传感器主要分类方法有何优缺点。
按工作原理分类：①物理传感器②化学传感器③生物传感器
按被测量的种类分类：①位移传感器②流量传感器③温度传感器④速度传感器⑤压力传感器
按与人体感官相对应的传感器的功能分类：①视觉传感器②听觉传感器③嗅觉传感器
优缺点：？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？
6.人体信息的特殊性及检测的特点？对医用传感器有哪些特殊要求？
特点：低频或超低频信息、生理参数的信号微弱、被测量量的信噪比低、随机性信号较多
Sensor特性：高灵敏度、高信噪比、良好的精确性、足够快的响应速度、良好的稳定性和较好的互换性
Sensor特殊要求：①生物相容性；②物理适形性；③电的安全性；④使用方便性7.就医用传感器的发展任选角度写一篇综述（要求附参考资料，不少于1500字）。【PS:医用传感器发展方向趋势？】
答：1.微型化2.智能化3.多参数4.遥控化5.无创检测化6.新材料、新原理
*************************我是分割线********************************* 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？）
反映生命的信息绝大多数属于非电量，其放大和处理是十分困难的。而医学传感器把生物信号换成电信号，经放大器及预处理器进行信号放大和预处理，然后经A/D 转换器进行采样，将模拟信号转变为数字信号，输入计算机，然后通过各种数字信号处理算法进行信号分析处理，得到有意义的结果。
3.医用传感器的定义和主要用途？
定义：能够感知多数非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。
主要用途：提供信息、监护、生化检验、自动控制、参与治疗
4.传感器按工作原理的如何分类？
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？
生物电信号：心电、脑电、肌电、神经元放电等
生物非电量参数：物理参数；化学参数；生物参数；
非电量物理参数：利用材料的物理变化；
6.医用传感器技术有哪些发展趋势？
发展趋势：微型化、智能化、多参化、遥控化、无创化、新材料新原理
第二章传感器的基本特性
1.何谓传感器的静态特性？写出静态特性的一般数学模型及三种典型形式，并说明物理意义。
静态特性：输入量为常量，或者变化极慢。
动态特性：输入量随时间较快地变化。
一般数学模型：y=a0+a1x+a2x^2+……+a n x^n
三种典型形式：1.理想线性特性y=a1x
2.非线性项次项为偶数y=a1x+a2x^2+a4x^4+a6x^6……（a3=a5……=0 ）
3.非线性项次项为奇数y=a1x+a3x^3+a5x^5+a7x^7……（a2=a4……=0 ）【PS:差动传感器的线性由于消去了偶次项而得到改善，零偏也消失，灵敏度变为原来的两倍】
2.衡量静态特性的指标主要有哪些？分别说明其定义和物理意义。
测量范围：传感元件测量范围有限制、变换电路工作范围有限制
灵敏度：指传感器的输出量的增量与对应的输入量的增量的比值，通常用K表示。【PS：灵敏度界限当△x小到某一程度时，输出不再变化，这个△x就叫灵敏度界
限。原因：变化量被吸收、噪声】
线性度：在规定条件下传感器特性曲线与拟合直线间最大偏差（△Y max）与传感器满量程（FS）输出值（Y fs=Y max-y0)的百分比，用L代表线性度
迟滞:对应于统一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不等，这种现象称为迟滞。大小用正向和反向行程的输出信号间的最大偏差（△H max）与满
量程输出值（Y fs）的百分比来表示
稳定性: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。【PS：漂移：传感器在连续使用过程中，即使输入保持
一定，有时也会出现输出朝一个方向偏移的现象。输入值是零也会发生漂移。
漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂
移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢
变化。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移】
稳定性：传感器在相当长的时间内仍保持其原性能的能力。
重复性：反映了传感器在输入量按同一方向（增或减）全量程多次测试时，所得到的特性曲线的不一致程度。
分辨力：传感器能检测到的最小输入量
【PS：还有：抗干扰稳定性（环境特性）、阈值、静态误差等。】
3.线性度对应的几种拟和方法的特点及使用时应注意的问题。
方法一：端点直线法：以理论直线作为拟合曲线，静态特性的理想情况y=a1x。由此求得的线性度称之为理论线性度。
方法三：平均选点法，将n个检测点平均分成n/2个的两组，取两点的点系中心，通过两点系中心的直线就是拟合直线
方法二：用最小二乘法原则拟合直线所求的线性度为最小二乘法线性度。【PS：拟合直线、校准曲线】
4.何谓传感器的动态特性？写出动态特性的数学模型并说明各个量的物理意义。
定义：指传感器的输入量随时间变化时，传感器的输出量与输入量之间的响应特性。数学模型：视sensor为线性时不变系统，用常系数线性微分方程描述输入输出关系
a n y(n)+a(n-1)y(n-1) +…+a1y’+a0y=
b n x(n)+b(n-1)x(n-1) +…+b1x’+b0x
a n,
b n表示与系统结构参数有关的常数
5.阶跃响应分析中的时域性能指标有哪些？各自的定义及意义。
衰减度ψ：表示瞬态过程中振荡幅值衰减的速度
【PS：请看书本P16详细解释】
6.何谓传感器的频率特性？如何描述？
特性：在一定频率范围内，sensor的频率响应函数的幅值和相位差的频率关系
描述：用正弦传递函数来描述，用H（e jw）表示，幅频|H（e jw）|，相频φ=arctan[H（e jw）]
7.分别写出零阶、一阶、二阶传感器对应的特征参数的物理意义及响应特性并说明各自的特点。
零阶传感器：数学模型y(t)=kx(t) 传递函数()
() ()k
S
X
S
Y
s
H=
=
特征参数：灵敏度K
特点：输入输出呈线性关系，无时间滞后，无相位差，输出能很好跟随输入。例如：电位器式传感器
一阶传感器：数学模型：
()()()
t x
b
t y
a
dt
t
dy
a
1
=
+
传递函数：
()()
()S
K
s
X
s
Y
s
H
τ+
=
=
1
特征参数：静态灵敏度 K=b
0/a
系统时间常数τ=a
1
/a
特点：τ越小，频带越宽，达到稳定时间越。例如：玻璃液体温度计
二阶系统：数学模型：
()()()()
t x
b
t y
a
dt
t
dy
a
dt
t y
d
a
1
2
2
2
=
+
+
传递函数：
()()
()2
2
2
2ω
ξω
ω
+
+
=
=
S
S
s
X
s
Y
s
H
特征参数：静态灵敏度K=b
0/a
无阻尼固有频率ω
=(a
/a
2
)0.5
阻尼比 i=0.5a
1(a
a
2
)-0.5
特点：当i=0.7时，响应最快，频带最宽（衰减振荡）。二阶特性，只能精确实现变换缓慢信号的测量。例如：测血压、生理压力传感器。
8.画出二阶传感器对单位阶跃信号，在阻尼比ξ＜１，ξ＝１，ξ＞１时，其输出Y(t)的时间响应特性曲线并说明其特点。
取i=0.7这一最佳阻尼比时，频率响应最快，频宽最宽
9.设X、Y分别为传感器的输入值、输出值，下表列出的为测试结果，计算其端点线性度、平均选点线性度、最小二乘法线性度，并进行比较，根据比较结果得出什么结论？假设另有一组测量值将如何计算？
端点线性度：K=(52.03-7.23)/(10.00-1.00)=?
平均选点线性度：前五点中心（？，？），后五点中心（？，？），求K
最小二乘法线性度：
以上三种方法中，最小二乘法拟合精度最高，平均选点法次之，端基法最低，但是小二乘法计算量最为繁琐。
10. 分别在下面两幅图中标出以下各量：
(1)上升时间；(2)稳定时间；(3)峰值时间；(4)最大超调量
Y(t)
1 1
【PS ：请参照本章第五题解答以及书本P16，画图不方便】
11. 若有微分方程式为：
其中x 是输入信号，y 是输出信号，a 到h 均为常数。求其时间常数。 12.将某温度计放入100℃的恒温水中，测得如下数据（忽略记录仪惯性）：
根据所列数据，判断此系统是否为一阶系统，如果是，请用最小二乘法求出时间常数τ(提示：对假定的一阶模型t
y A Be τ
-=-，作ln()Y A y =-与时间t 的曲
线，判断是否为一阶系统)。
【PS ：请参看本章第三以及第七题】
13. 传感器静态特性指标中，准确度和精密度的区别在何处? 其分别反映了系统的哪一种特性？
准确度：被测量结果与约定真值一致的程度，是精密度和正确度的综合。 精密度：同一测量条件下测量指示值不一致的程度，反映随机误差大小。 正确度：测量结果有规律偏离真值的程度，反映测量结果中系统误差大小。
dy dy a
bx c hy e fx g dt dt
+++=++
14. 一个紫外线检流计的阻尼比0.5ξ=，无阻尼固有频率10
15.rad s ω-=，输人一
个单位阶跃信号，试确定：(1)超调量(百分比)，(2)稳定时间(±5％)，(3)上升时间。
【PS ：请参看本章第五以及第七题】
15.欲测量10Pa 压力，现有两种量程的压力传感器，一个量程为100Pa ，精度为±1.5级，另一个量程为15Pa ，精度为±2.5级，问选用哪一个传感器合适? 通过此例说明了什么?
16.某压力传感器是一阶系统，它含有一个波纹管和位移传感器，系统的时间常数为0.2s ，根据系统的频响特性确定压力脉动的最大频率，其引起的误差必须小于10%。
17.一个二阶系统的传感器，其阻尼系数0.4ξ=，固有频率1
0800.rad s ω-=，用它
测量频率1
400.rad s ω-=的正弦变化力，幅值误差及相位偏移各为多少?若采用
'11000.rad s ω-=，'0.6ξ=的力传感器，测量结果将有多大改善?
***************************我 是 分 割 线******************************* 1．传感器的基本特性指什么？如何描述？
2．传感器静态特性的定义？传感器静态特性的数学模型 ？ 3．描述传感器的静态特性指标有那些？ 4．传感器灵敏度的定义和描述。
5．传感器动态特性的定义？与静态特性的区别？
6．传感器的基本动态特性方程 ：零阶系统、一阶系统和二阶系统。 【PS ：以上6题本章复习题全部包含，在此不再瞎BB.....下面LZ 添加的】 1.传递函数是怎么来的？
当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数2.动态特性评价最常用何种方法，简单计算？
最常用的阶跃响应法和频率响应法，输入信号为时域内阶跃信号和频域内正弦信号。
3.一阶，二阶阶跃特性取决于哪个参数？
一阶传感器动态响应取决于τ,τ越小越好。τ是一阶系统决定参数,阻尼比ξ是二阶系统决定参数
4.瞬态响应、稳态相应、频率响应？
瞬态响应：传感器输入单位阶跃信号，一阶、二阶传感器响应均可通过求其传递函数来分析
阶跃信号拉氏变换：X（s）=1/s
稳态响应：常用输入正弦信号来研究传感器的稳态响应，一般也是通过传递函数来求出。
sin(ωt)和cos(ωt)的拉氏变换分别为ω/（s2+ω2）、s/（s2+ω2）
频率响应：将传递函数的s变为jω即可得到传感器的频率响应函数。
A|H(jω)|称为传感器的幅频特性，也称动态灵敏度
Ψ=-arctan[H
I (ω)/H
R
(ω)] (频率响应函数的实部虚部之比求反三角
值，得到输出超前输入的角度，通常输入滞后，故为负值)
第三章电阻式传感器
1.何谓电阻式传感器？包括有几种？
电阻式传感器：（医学上）将生物体的一些非电量的生理参数（如位移、振动）转换为电阻的变化，进而形成相关电学参数的变换，从而得到所需求的非电学量。种类：金属应变片型（分丝式、箔式），以及半导体扩散压阻传感器
2.分别说明何谓应变效应、何谓压阻效应？
应变效应：金属导体的电阻率随其机械变形而发生变化的现象
或者是当物体发生应变时，本身的一些特性会随之发生变化
压阻效应：因应变使电阻率变化而引起电阻相对变化量
或者是半导体材料机械形变引起电阻率变化）
3.金属箔式应变片有哪些优点？
能很好“跟随”应变零件的变化，散热好，承载电流较大，灵敏度高；工艺简单，利于大批量生产。由于其弯折处较宽，其横向效应比金属丝应变片小
4.何谓横向效应？横向效应的存在对应变片的性能有何影响？
横向效应:因弯折处应变的变化使灵敏系数减小的现象称之为应变片的横向效应
影响:使灵敏系数减小
5.应变片的性能包括哪些？
灵敏度系数、横向灵敏度、应变极限、机械滞后、最高工作效率、电阻值、最大工作电流、零漂和蠕变、温度特性
6.简述电阻应变片产生温度误差的原因及补偿方法。
原因：应变片的金属敏感栅电阻本身随温度变化；试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，产生附加形变
补偿方法：1线路补偿法（电桥补偿法）【PS：书本P26详解】；2自补偿法：分单丝自补偿法（适当选取栅丝的温度系数及膨胀系数，以满足εt=0）和组
合式自补偿法（应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成）；
3采用热敏电阻进行补偿；4串联负温度系数二极管补偿；5辅助测量补
偿；6计算机补偿
7.在电桥测量电路中，各桥臂阻值在什么情况下电桥灵敏度最高？试证明之 电桥灵敏度用电桥测量臂的单位相对变化量引出输出端电压或电流的变化来表示。
电压灵敏度R R U S ??=0u 电流灵敏度R R I S ??=0
i 应变片灵敏系数L
L
R R
k ??=
当四个桥臂同时变化（惠斯通全桥电路）时，如R1、R4随信号同样变化（R1±?R,R4
±?R ），R2、R3随信号(R2干?R,R3干?R)同样变化。
Uo=……=干 U ?R/R 灵敏度 Su=U 【PS ：书本P33详解】 8.分别画出常用的四种测量桥路，说明各种桥路的特点，并比较其灵敏度。
⑴单臂U0=0.25U*△R/R 灵敏度Su=0.25u
⑵双臂U0=0.5U*△R/R ， 灵敏度Su=0.5u 分为差动（两变化臂相邻反向，如右图） 以及非差动（两变化臂相对同向）两类 ⑶四臂（全桥电路）U0=U*△R/R 灵敏度Su=u
9.半导体应变片和金属应变片在工作原理、元件性质和使用范围上有何异同？ 【PS ：见书本P20与P27，不重要。。。。。】
10.试用公式比较说明恒压源供电与恒流源供电之区别，得出什么结论？ 为使灵敏度最大，在此以惠斯通全桥电路为例：
恒压源供电:Uo=U △R/R+△RT 电桥输出电压变化近似与店主相对变化成正比，与
温度呈非线性
恒流源供电:Uo=I △R 电桥输出电压变化与电阻变化呈正比
结论：恒压源供电受到温度影响，而恒流源不会，恒流源供电有温度补偿效果 11.举例说明电阻式传感器在医学测量中的应用。
金属应变片传感器：箔式压力传感器、简支梁结构血压传感器
压阻式传感器：扩散硅型脉搏计、心导管式压阻传感器、注射针型压阻传感器 12.有人在使用电阻应变仪时，发现灵敏度不够，他在差动工作的两臂中各增加了一片串联的电阻应变片，其参数与原来的应变片相同，问这样做能否达到提高电桥灵敏度的目的?为什么?应该怎样提高其灵敏度? 不能。 ？
应当变成惠斯通全桥电路
13.为了测量悬臂梁的应变，把一个电阻1,R k =Ω 2.0K =以及室温时温度系数为
15110C --?的应变片安装在梁上，并与图P4-10所式的电桥相连接。电桥检波器电阻
为100Ω，灵敏度为1/A μ?， 忽略电源内阻抗。求：
(1)如果应变片变化0.1%,计算检波器偏转多少。 (2)假设应变片电阻变化主要由温度变化所引起，试计算室温上升10℃时等效 应变的变化量。
(3)提出一种减小温度影响的方法。
（1） 由图可知
Vo=0.25E △R/R , 而△R/R=K ε 则 Vo =0.25EK ε=0.25x10x2x0.1%=5mV 则通过检波器电流
I=Vo/R=5mv/100Ω=50μA 所以
Q=IKn=50μA*1/A μ?=50° 偏转50度
（2） △R T =α△TR=15
110
C --?*10℃*103Ω=10-11
Ω
又由△R/R=K ε
得ε=△R T /(RK)=10
-11
/(103x2)=5x10-15
（3）采用差动式结构测量，使用直流源供电、添加热敏电阻、
14. 解释名词: 应变片灵敏系数；横向灵敏度；应变极限；疲劳极限；允许电流；零漂及蠕变。
【PS ：见书本P23-P26，懒得打太多】
15.下图为测量示意图，分析说明其测量原理，为使其灵敏度最高，应如何连接 桥路？（a ）图为差动式结构；（b ）图为非差动式结构；(R 1=R 2=R)
1
***************************我 是 分 割 线*******************************
1.直流电桥的特征方程 ?直流电桥的平衡条件 ?
特征方程：
)
()())((2143432143213
241R R R R R R R R R R R R R R R R R U
I f f ++++++-= 平衡条件：3241R R R R =
2.直流电桥若为等臂电桥的条件是什么? 四个电阻的阻值大小相等R1 = R2 = R3 = R4 = R
3.3 .电桥灵敏度的表达式?应变片的灵敏系数的定义式?
电压灵敏度：R R U S ??=
u 电流灵敏度：R
R I
S ??=0i
应变片灵敏系数：L
L R R
k ??=
4.零漂的定义?
粘贴好的应变片,在一定温度下不承受机械应变时,指示应变随时间变化的特性。 5.什么是应变效应?
金属导体的电阻率随其机械变形而发生变化的现象
6.由金属电阻丝的电阻公式R= ρL/A, 推导金属材料的灵敏系数 思路：两边取自然对数，然后全微分，然后巴拉巴拉。。。。。。【PS ：见书本P21-22详解】
7.若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？
应变片放置：将一片应变片贴在靠近中心的正应变区，另一片贴在靠近边缘的负应变区，当压力作用于膜片一车是，两片应变片将向着相反方向变化，将他们组合在电桥电路中就可以得到更大的信号
注意：应输出量如输入的雅丽信号只有在膜片的中心位移较小的情况下才能保持线性关系 【PS ：详见书本P39】 8 .什么是压阻效应？
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变化而引起电阻相对变化。
9.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。
【此类题不考，天理不容。。。。。。。下面是自己添加】
1.直流电桥的各种补偿方法？【PS：详见P34-36】
直流电桥零位补偿：
直流电桥温漂补偿：
直流电桥的灵敏度温漂补偿以及非线性补偿：
直流电桥的标准化补偿：
第四章电容式传感器
1.何谓电容式传感器？有何特点？
定义：将被测非电量的变化转换为电容变化的器件或装置
特点：有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大以及可实现非接触测量等优点。有输出阻抗高，负载能力差，易受寄生电容影响，存在边缘效应等缺点。
【PS】应用：可用于压力、位移、厚度、加速度、液位、湿度和成分含量等测量2.常见的平行板式电容式传感器有几种形式？分别说明其测量原理。
类型：变间距型电容式传感器、变面积型电容式传感器。（另：变介电常数型电容式传感器）
原理：C=εS/d=ε0εr S/d【PS：详见书本P44、45】
生物医学传感器与检测技术教学
《生物医学传感器与检测技术实验》教案大纲 张日欣李元斌 一、课程名称：生物医学传感器与检测技术实验 Experiments in Biomedical Sensor & Detecting Techniques 二、课程编码：0702831 三、学时与学分：24/1.5 四、先修课程：数字电子技术，模拟电子技术，项目生理学，电子测试与实验，生物医学测量与仪器实验。 五、课程教案目标 1．本课程是生物医学项目专业的一门专业课，它应用电子技术，传感器测量技术和计算机技术，解决生物医学领域中的信号提取，检测和处理以及生物医学仪器的设计等问题； 2．使学生了解典型医学仪器的原理、特点和性能指标，学习正确使用传感器，设计检测电路，掌握基本测量技术； 3．为医学仪器设计奠定基础。 六、适用学科专业 生物医学项目 七、基本教案内容与学时安排 ●热敏器件及温度传感器特性实验<4学时） ●压力传感器性能实验<4学时） ●气敏传感器特性实验<4学时） ●光电式脉搏探测器<4学时） ● ECG前置放大器<4学时） ●陷波器仿真、制作与调试<4学时） ●安全隔离设计与调试<4学时） ● ECG放大器的整体调试<4学时） ● 12导联心电工作站的原理及使用<4学时） 八、教材及参考书： 教材：生物医学电子技术与信号处理实验指导书,张日欣、李元斌、邹昂等自编教材，武汉：华中科技大学教材科，2004年9月 参考文献： 1．生物医学检测技术讲义，杨玉星自编教材，1998年 2．生物医学电子学，蔡建新，张唯真，北京大学出版社，1997年 3．传感器原理与应用，黄贤钨，电子科技大学出版社，1999年 4．生物医学测量，陈延航，人民卫生出版社，1986年 5．医学物理，刘普和，人民卫生出版社，1986年 6．医学仪器-应用与设计，约翰G.韦伯斯特，新时代出版社，1985年 7．Protel 98 for windows 电路设计应用指南，程凡等，人民邮电出版社，1999年 九、考核方式 实验报告+实践表现 《生物医学测量与仪器实验》教案大纲
最新重庆大学《生物医学传感器原理与应用》第二章--传感器基础
第二章 传感器基础 §2-1 传感器的静态特性 医用传感器的输入量可以分为静态量与动态量两大类。 静态量：是指固定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态量）。 动态量：通常是指周期信号、瞬变信号或随机信号。 无论对动态量或静态量，传感器输出量都应不失真地复现输入生理量的变化，其关健决定于传感器的静态特性与动态特性。 一．传感器的静态特性 传感器的静特性—表示传感器在被测量处于稳定状态，输入量为恒定值而不随时间变化时，其相应输出量亦不随时间变化，这时输出量与输入量之间的关系称为静态特性。 这种关系一般根据物理、化学、生物学的“效应”和“反应定律”得到，具有各种函数关系。 传感器的输出输入关系或多或少的存在非线性问题。在不考虑迟滞蠕变不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示： n n x a x a x a x a a y +++++= 332210 (2-1) 式中 y — 输出量； x — 输入量； 0a — 零位输出（零偏）； 1a — 传感器的灵敏度，常用K 表示； n a a a ,,,32 — 非线性项系数 各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。 由式（2—1）可知，如果0a ＝0，表示静态特性通过原点，这时静态特性是由线性项和非线性的高次项迭加而成。这种多项式代数方程可能有四种情况，表现了传感器的四种静态特性，如图2－1所示。 1．线性特性 在理想情况下，式（2—1）中的零偏0a 被校准（0a ＝0）．且x 的高次项为零。
0,,,32=n a a a 线性方程为: x a y 1= 如图2—1（a ）所示。 此时， K x y a ==/1 K 称为传感器的灵敏度。 2．非线性项仅有奇次项的特性 当式（2—1）中只有x 的奇次项，即： +++=5 53 31x a x a x a y 时，特性如图2—1（b ）所示。在这种情况下，在原点附近相当范围内输出、输入特性基本成线性，对应的曲线有如下特性： y （x ）＝－y(－x ） 3．非线性项仅有偶次项的特性 当式（2—1）中只有x 的偶次非线性项时．所得曲线不对称，如图2－1（c ）所示。 4．一般情况 对应的曲线如2—1（d ）所示。在实际应用中，如果非线性项的x 方次不高，则在输入量变化不大的范围内，可以用切线或割线来代替实际静态特性的某一段，使得传感器的静态特性近于线性，称之为传感器静态特性的线性化。只要传感器非线性系数较小，测量范围又不大时，即可这样处理。当没计传感器时，把测量范围选择在最接近直线的那一小段，可 使传感器的静态特性近于线性。 传感器的静态特性实际上是非线性的，所以它的输出不可能丝毫不差地反映被测量的变化，对动态特性也会有一定的影响。 传感器的静态特性是在静态标准条件下进行校准的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击，环境温度一般在室温20℃±5 ℃，相对湿度不大于85％，大气压为101.3士8 kPa 。在这种标准工作条件下，利用一定等级的校准设备，对传感器进行反复的测试，将得到的输出－输入数据列成表格或画成曲线。把被测量值的正行程输出值和反行程输出值的平均值连接起来的曲线称为传感器的静态校准曲线。 二．传感器的静态特性指标 1．线性度 传感器的线性度也叫作传感器特性曲线的非线性误差。 它是用传感器校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出平均值之比的百分数来表示的（如图2—2所示）： δL ＝士(ΔL max / Y FS )×100％ （2－2） 式中δL 为线性度； ΔL max 为校准曲线与拟合直线之间的最大偏差； Y FS 为传感器满量程输出（平均值），Y FS ＝Y max －Y 。 常用的拟合直线的方法： ⑴．采用理论直线作为拟合直线来确定传感器的线性度。 所谓理论直线即式（2－1）静态方程式的第一种情况：Y ＝α1X ，由此式求得的线性度称为理论线性度。拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。该方法十分简单，但ΔL max 较大。图2—3为理论线性度的示意图。 ⑵．采用最小二乘法拟合
生物医学传感器的发展与应用综述
收稿日期：２００７－１０－２６ 作者简介：夏西泉（１９６９—），男，重庆市人，重庆电子工程职业学院，高级讲师，主要从事传感与检测技术、通信技术的教学与研究； 曹毅（１９６７—），男，重庆市人，副教授，重庆城市管理职业学院电子信息工程系主任，主要研究方向为计算机网络通信、生物医学信息处理。 第１７卷第１期重庆职业技术学院学报Ｖｏｌ．１７Ｎｏ．１２００８年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌ＆ＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｊａｎ．２００８ 传感技术是当代科学技术发展的一个重要标志，它是现代生物医学、自动化检测、环境保护等应用领域不可缺少的功能器件，它与通讯技术、计算机技术并称为现代信息产业的三大支柱。２１世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探索领域和空间的拓展，人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术———传感技术必须跟上信息化发展的需要。生物传感器是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术。有人把２１世纪称为生命科学的世纪，也有人把２１世纪称为信息科学的世纪。生物传感器正是在生命科学与信息科学之间发展起来的一个交叉学科。 １生物传感器的定义 生物传感器定义为“使用固定化的生物分子 （ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）结合换能器，用来侦测生体内 或生体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置”。生物传感器由两个主要关键部分所构成，一为来自于生物体分子、组织部分或个体细胞的分子辨认组件，此一组件为生物传感器信号接收或产生部分，另一为属于硬件仪器组件部分，主要为物理信号转换组件，主要是由电化学或光学检测元件（如电流、电位测量电极，离子敏场效应晶体管，压电晶体等）。 然而，随着当前各种新材料、新原理和新技术的不断发展，特别是微电子机械系统（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅ ｍ，ＭＥＭＳ）技术和生物芯片技术的出现，目前生物传感器 的概念已经跳出了原来狭义的圈子，扩展为以微型化、集成化、智能化和芯片化为特征的生物检测、处理的微系统。 ２生物传感器的结构与原理 ２．１生物传感器的结构 生物传感器由两个主要关键部分所构成，第一部分 是识别部件，如酶、微生物、细胞或组织、抗原或抗体等；第二部分是转换部件，将其他物理量转换成电学量（电压或电流），如：温度转化为电压，力学压力量转换为电学量等。其余为辅助部分，完成系统测量或控制的功能。生物传感器的组成框图如图１所示。 ２．２生物传感器的原理 被测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别（特异性结合）后，发生物理或化学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经信号处理单元处理后输出，便可知道待测物的相关信息。 ３生物传感器的种类 根据生物传感器组成部分（识别部分和转换部分）的 材料或原理的不同，可以有以下不同的分类方法。 （１）按照其感受器中所采用的生命物质分类，可分为微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、ＤＮＡ传感器等。 生物医学传感器的发展与应用综述 夏西泉１，曹 毅２ （１．重庆电子工程职业学院，重庆４０１３３１；２．重庆城市管理职业学院，重庆４０００５５） 摘要：随着现代生物工程技术的发展和需要，生物医学传感器的研究与开发得到了长足发展，特别是微传感器及生化传感器是目前发展的前沿技术，本文对生物医学传感器的发展、原理、应用领域以及发展趋势等作了详细论述。 关键词：生物医学传感器；传感器；应用中图分类号：Ｑ－１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－００６７（２００８）０１－０１４９－０４ 图１生物传感器结构框图
生物医学传感器 简答题汇总
生物医学传感器与一般传感器相比，还必须满足 1.材料无毒，且与生物体组织有良好的相容性； 2.检测时，长期接触不会影响或尽可能少影响正常生理活动； 3.有良好的电气安全性 4.在结构和性能上便于清洁和消毒，防止交叉感染。 生物信号有哪些特点对医学传感器有哪些要求 特点：1.非电量信号；2.生物信号十分微弱；3.信噪比低；4.变化频率低；5.无创伤的检测； 要求：1.灵敏度高；2.信噪比高；3.良好的精确性；4.响应速度快；5.稳定性；6.互换性； 什么是应变效应什么是压阻效应两者有何异同 应变效应：金属电阻受力后尺寸变化引起阻值变化；压阻效应：半导体电阻受力后电阻率变化引起电阻值变化；同：都受到作用力，其结果都会导致电阻值的变化。异：导致阻值变化的原因不同，前者因尺寸变化引起，后者主要因电阻率变化引起。 直流单臂电桥的非线性误差如何产生如何解决 产生条件：△R1< 第三章 敏感元件 作用：把物理量转换为电量，是传感器中的主要元件。 必备两个基本功能： ①敏感被测量（物理量、化学量）②对应产生输出量（电量）。 §3-1 变换力和压力的弹性敏感元件 一、弹性敏感元件的作用 非电量—→弹性元件—→应变量—→换能元件—→电量 弹性元件两种类型： ①弹性敏感元件：感受力、压力、力矩等－→变换为元件本身的应变、位移等； ②弹性支承：起支承导向作用，不作为测量敏感元件。 二、弹性特性： 作用在弹性元件上的外力与其相应变形间的关系。 1．刚度：弹性元件受外力作用下变形大小的量度。 dx dF k = F —作用外力 x —变形 弹性特性曲线上某点切线水平线夹角的正切为该点处的刚度。 dx dF tg k = =θ 2．灵敏度：单位力产生变形的大小，是刚度的倒数。 dF dx K = 并联时，系统的灵敏度：∑== n i i K K 111 灵敏度低，刚度大 串联时，系统的灵敏度： 1 n i i K K ==∑ 灵敏度高，刚度小 三、弹性滞后和弹性后效 1．弹性滞后——弹性特性曲线的加载曲线与去载曲线不重合现象。 滞后误差：弹性变形之差，直接产生测量误差。 2．弹性后效——当载荷改变后，在一定时间间隔逐渐完成变形的现象。 使弹性敏感元件的变形始终不能迅速跟随作用力的改变而改变，造成测量误差，尤其在动态测量中影响较大。 4．固有振动频率：——由振动质量和材料刚度综合表征的弹性元件特征。 决定弹性元件的动态特性和变换被测参数的滞后作用，希望0f （或0ω）高。 因 e m k = 0ω e m k f π 210= ， k — 弹簧刚度，m e — 等效振动质量 所以 提高灵敏度K ，会使线性变差，固有振动频率 0ω、0f ↓。 k K 1= Θ 提高0ω、0f ↑，灵敏度K 会降低，需综合考虑。 5．固有频率f 0与弹性元件的变形dx 以及材料性能的关系 ρ??=l S m ， S —截面积，l —长度，ρ—密度 弹性元件相对变形：E l dx σδ== ，式中 E —弹性摸数，σ—应力，∴dx l E ?=σ () 2 02 1 1 1/1 1 222221122S E dx dx k dF dx dx dx l f m Sl Sl l l dx E E dx σσσσπ πρπρπ ρπ ρ σσπ πρ ρ??====== = 最后可得： ρπσ ?= ?E dx f 20 可知弹性元件dx f ?0的乘积对于特定材料是有一个极限值的，σ达到许用应力时， dx 大，f 0就只能小，反之亦然。 6．弹性敏感元件的形式及其应用范围。 力、压力——→弹性敏感元件——→ 输入 输出 应变—各种应变传感器 位移—电感式、电容式、电阻式等传感器 第一章 传感器与生物医学测量 （1）国家标准(GB7665—87)关于传感器的定义，传感器的组成部分及其作用。 定义：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器的组成：敏感元件，转换元件，信号调节转换电路，辅助电源 传感器的作用：将一种能力转化为另一种能量形式。 （2）生物医学测量仪器的三个主要部分及其所起作用。 ? 传感器和电极 ? 放大器和测量电路 ? 数据处理和显示装置(现代生物医学测量仪器已包括治 疗仪器组成完整的生物医学仪器，也包括基于网络的数据传输部分。) （3）常见生理参数的测量范围（心电，脑电，肌电） 心电图ECG :（所用传感器）体表电极 (幅值)50uv —5mv (频率)0.05—100Hz 脑电图EEG :头皮电极 2—200uv 0.5—100Hz 肌电图EMG:针电极 20uv —1mv 10Hz —20kHz （4）通过人体的低频电流（直流～1KHz ）对人体的作用有三个方面。 ? 产生焦耳热； ? 刺激神经、肌肉等细胞； ? 使离子、大分子等振动、运动、取向。 第二章 生物电信号的特征 （1）什么是膜电位？静息时细胞膜内外常见离子浓度情况如何？ 膜电位（membrane potential ）：在可兴奋组织（如神经，肌肉或腺组织）的细胞膜内外，存在着不同的带电离子。膜外呈正电，膜内呈负电，存在着一定的电位差。平时呈现静息电位,细胞膜内介质的静息电位约为-50mV ～-100mV ，细胞内带负电,细胞外带正电。（静息电位（resting potential ）：是指细胞未受刺激时的膜电位，即处于静息状态下，细胞膜两侧存在的电位差。） 静息时: ? K + 的膜内浓度比膜外高30倍; ? Na +的膜外浓度比膜内高10-15倍; ? CL -的膜外浓度比膜内高4～7倍; ? Ca 2+ 的膜外浓度比膜内高104 倍; ? 蛋白质阴离子的膜内浓度比膜外高等 由此可知,膜内外的K + 、Na + 、CL -、Ca 2+ 等离子之间各有一定的浓度差形成浓度梯度。 （2）能斯特(Nernst)方程以及利用能斯特方程求静息时K + 的平衡电位ε k 。 （式中ε为扩散电位差，生理学上为 膜两边的跨膜电位） 例子：已知人体神经细胞内、外K + 的有效浓度分别为[K + I ]和[K + o ]（单位为mol/L ），则根据Nernst 方程式计算出 K + 的平衡电位εk : k=1.38x10-23 J·K -1)，T 为绝对温度(K)，Z=+1，e=1.60x10-19 C 在人体体温(37℃)下，若将各项值代入，则Nernst 方程式可化为: 代入表2.1给出参数,得εk =-89mV,理论计算值与实测结果（－ 86mV ）很接近。 （3）细胞膜的模拟等效电路 细胞膜等效电路为电容和电阻并联形式。 例子：若细胞膜面积S=5x10-6cm 2,厚度d=10-6 cm,ε=3.26 膜的电容值：d S C ε4==1.3pF=1.3×10-12 F(法拉) 若已知膜电位为V = - 86mV ，代入公式Q = CV,可求得应带的电量为Q=1.3×10-12 × 0.086 = 1.1×10-13 库仑(C)。 这些电量应是Q/e 个K + 离子所有,已知e=1.6×10-19 库仑（即K + 离子的电量）,得参与扩散的K + 离子数应为：Q/e = 6.9×105 。 已知典型的细胞体积为10-9 cm 3 ,K + 离子的浓度约为0.14克分子/升,或每立方厘米约有0.14×6×1023 /1000 ≈1020 个离子。 照此计算,每一细胞内就有：1020 ×10-9 =1011 个K + 离子,其中只有6.9×105 个K + 离子向膜外扩散 （4）什么是动作电位，动作电位在去极化和复极化过程中各个时期的特点（包括时程，电位幅度，K + 、Na + 、Ca 2+ 离子运动情况）。 心肌细胞受到窦房结发来的电脉冲剌激时(阈剌激),受剌激部位膜电位将发生短暂的电位变动，最初膜电位升高,接着慢慢恢复到原来静息电位水平。这个过程经历300ms 时程,膜电位的变动,生理学上称为“动作电位”。 1.去极化：去极化即除极,是动作电位的0期。（当可兴奋的细胞受到外界剌激,如给它以电剌激,剌激电流从膜内流向膜外,因此膜的极化状态减弱,称之为去极化。） ? 表现：去极化达到一定临界水平,即阈电位,便产生兴奋。 这时细胞膜的极化现象消除,出现膜内为正、膜外为负的反极化状态:在短时间内由-50mV —100mV 变到+20mV —+40mV ,构成动作电位上升支(去极相)。快钠通道“开放”，Na + 通过快钠通道,向膜内迅速扩散,使膜电位升高得很快,最快变化率可达800v/s,上升幅度大(-80mV 至＋30mV)。 ? 特点：对于心肌细胞,此期历时很短,仅1～2ms 。 2.复极化：是从去极化电位达到正峰值后开始,一直恢复到静息电位水平状态之间的过程。（动作电位的产生,取决于细胞膜两边的电压和膜对于Na + 、K +随时间变化的通透性。） 1期:亦称快速复极初期，Na + 向内扩散减慢,而K + 的向外扩散则缓慢地上升,两者达到动态平衡。膜外CL -浓度高于膜内4～7 倍,而且此时膜内电位为正,高于膜外,故CL - 借助于浓度差和电位差两者的作用而大量向内扩散,使细胞内的电位逐渐降低。1期占时平均约10ms 。 2期:缓慢复极期或平台期，胞外Ca 2+ 浓度比细胞内高得多，此期慢钙通道‘早已开放’,并且开得很大，Ca 2+ 在浓度梯度作用 )(] [] [lg 3.2mV K K e T O I k + +Z -=κε)(] [] [lg 51.61m V K K O I k + +-=ε Chapter １生物传感器 （Biosensors） ? 1.1 Generalization（概述）? 1.2 Principle （基本原理）? 1.3 Classification（分类）? 1.4 Application（应用） 1.2 生物传感器工作原理 被测对象生物敏 感膜 （分子 识别感 受器） 电 信 号 换 能 器 物理、化学反应 化学物质 力 热 光 声 . . . 图16-1 生物传感器原理图 BIOSENSORS 1.2 生物传感器原理 无论是基于电化学、光学、热学或压电 晶体等不同类型的生物传感器，其探头均由 两个主要部分组成，一是感应器，它是由对 被测定的物质（底物）具有高选择性分子识 别功能的膜构成。二是转换器，它能把膜上 进行的生化反应中消耗或生成的化学物质， 或产生的光、热等转变成电信号，最后把所 得的电信号经过电子技术的处理后，在仪器 上显示或记录下来。 换能器（T r a n s d u c e r ）感受器（R e c e p t o r ）= 分析物（Analyte ） 溶液（Solution ）选择性膜（Thin selective membrane ） 识别元件（Recognition ）生物传感器工作机理 测量信号（Measurable Signal ） BIOSENSORS （1）将化学变化转变成电信号 酶传感器为例,酶催化特定底物发生化学反应,从而使特定生成物的量有所增减。用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器.常用转换装置有氧电极、过氧化氢。 生物医学传感器与一般传感器相比，还必须满足？ 1.材料无毒，且与生物体组织有良好的相容性； 2.检测时，长期接触不会影响或尽可能少影响正常生理活动； 3.有良好的电气安全性 4.在结构和性能上便于清洁和消毒，防止交叉感染。 生物信号有哪些特点？对医学传感器有哪些要求？ 特点：1.非电量信号；2.生物信号十分微弱；3.信噪比低；4.变化频率低；5.无创伤的检测； 要求：1.灵敏度高；2.信噪比高；3.良好的精确性；4.响应速度快；5.稳定性；6.互换性； 什么是应变效应？什么是压阻效应？两者有何异同？ 应变效应：金属电阻受力后尺寸变化引起阻值变化；压阻效应：半导体电阻受力后电阻率变化引起电阻值变化；同：都受到作用力，其结果都会导致电阻值的变化。异：导致阻值变化的原因不同，前者因尺寸变化引起，后者主要因电阻率变化引起。 直流单臂电桥的非线性误差如何产生？如何解决？ 产生条件：△R1< 《生物医学传感器与检测技术实验》教学大纲 张日欣李元斌 一、课程名称：生物医学传感器与检测技术实验 Experiments in Biomedical Sensor & Detecting Techniques 二、课程编码：0702831 三、学时与学分：24/1.5 四、先修课程：数字电子技术，模拟电子技术，工程生理学，电子测试与实验，生物医学测量与仪器实验。 五、课程教学目标 1．本课程是生物医学工程专业的一门专业课，它应用电子技术，传感器测量技术和计算机技术，解决生物医学领域中的信号提取，检测和处理以及生物医学仪器的设计等问题； 2．使学生了解典型医学仪器的原理、特点和性能指标，学习正确使用传感器，设计检测电路，掌握基本测量技术； 3．为医学仪器设计奠定基础。 六、适用学科专业 生物医学工程 七、基本教学内容与学时安排 ●热敏器件及温度传感器特性实验（4学时） ●压力传感器性能实验（4学时） ●气敏传感器特性实验（4学时） ●光电式脉搏探测器（4学时） ● ECG前置放大器（4学时） ●陷波器仿真、制作与调试（4学时） ●安全隔离设计与调试（4学时） ● ECG放大器的整体调试（4学时） ● 12导联心电工作站的原理及使用（4学时） 八、教材及参考书： 教材：生物医学电子技术与信号处理实验指导书,张日欣、李元斌、邹昂等自编教材，武汉：华中科技大学教材科，2004年9月 参考文献： 1．生物医学检测技术讲义，杨玉星自编教材，1998年 2．生物医学电子学，蔡建新，张唯真，北京大学出版社，1997年 3．传感器原理与应用，黄贤钨，电子科技大学出版社，1999年 4．生物医学测量，陈延航，人民卫生出版社，1986年 5．医学物理，刘普和，人民卫生出版社，1986年 6．医学仪器-应用与设计，约翰G.韦伯斯特，新时代出版社，1985年 7．Protel 98 for windows电路设计应用指南，程凡等，人民邮电出版社，1999年 九、考核方式 实验报告+实践表现 生物医学传感器习题 (这）使（不)用（是)说（重）明(点) 1.书本使用《医用传感器》第２版，陈安宁主编.供生物医学工程、影像学等相关专业使用 2.有些题目找的答案与标准答案或有出入,有些题目ＬＺ也没有找到答案，各位您见谅！ 3.全文“LＺ"代表“录主”，不是“楼主",也不是“劳资”或者“老子”。 4.“【ＰＳ：ｘｘxxｘｘxｘxxｘx】”：可能为重要备注也可能是LZ瞎BB,请视具体情况取舍。 5.“**＊＊**＊*＊*＊＊＊我是分割线*＊＊＊＊＊*＊＊＊＊*＊＊＊＊＊"：分割线之前为网络各家资料,分割线之后为亲爱的老师给的“给力”的重点。 6.本文有些地方有照片或者有截图,如果不清楚，请您凑合着看吧!目前照片里的字代表了LZ的最高水平，也请您凑合着看吧！排版水平差，也请您凑合着看吧！ 7.第1—9章,参考网上部分资料,老师PPT，和学神（我希望是，毕竟不认识，瞎买的书）的复习资料，所以有些照片是他的杰作。第10章、第11章为另一个亲爱的老师给的题目，没给“重点"至于考不考是另外一回事。总之，谢谢他们，我只是个欢乐的复习资料搬运工。 8.再次谢谢他们!!!也谢谢您的观看,预祝过过过，都考90 分。但是，你也知道这难度有点大,所以,加油!！!!! ?第一章绪论 1。医用传感器的定义、组成及在医用测量系统中的作用？定义:能感受或响应规定的测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。生物医学传感器:能将各 种被观测的生物医学中的非电量转换为易观测的电 学量的一类特殊的电子器件。 医用测量系统中传感器的作用：提供信息、监护、生化检验、自动控制、参与治疗 2.传感器定义中“有用信号”的含义是什么?为什么通常传感器输出信号形式为电信号？ 反映生命的信息绝大多数属于非电量,其放大和处理是十分困难的。而医学传感器 把生物信号换成电信号,经放大器及预处理器进行信号放大和预处理，然后经Ａ/D 浅谈生物医学信号及传感器 导论： 人体存在高度精密而复杂的生物信号，每一种信号都在传递着身体的工作状态，器官机能是否正常，呼吸、循环系统是否健全，人体是否处于一种健康状态……随着信息科技的发展，在医学研究领域，产生了“高端”的医生，它们通过接收人体信号，对人体信息进行检测，实现疾病的诊断和防治。 生物医学传感器好比人的五官，人通过五官，即眼（视觉）、耳（听觉）、鼻（嗅觉）、舌（味觉）和四肢（触觉）感知和接受外界信息，然后通过神经系统传递给大脑进行加工处理。传感器则是一个测量控制系统的“电五官”，他感测到外界的信息，然后送给系统的处理器进行加工处理。如果一个系统没有传感器，就相当于人没有五官。 生物医学信号处理是生物医学工程学的一个重要研究领域，也是近年来迅速发展的数字信号处理技术的一个重要的应用方面，正是由于数字信号处理技术和生物医学工程的紧密结合，才使得我们在生物医学信号特征的检测、提取及临床应用上有了新的手段，因而也帮助我们加深了对人体自身的认识。 生物医学传感器的认识 一、定义 我们定义：传感器是能感受（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或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路组成。也可把传感器狭义地定义为：能把外界非电信号转换成电信号输出的器件或装置。 二、分类 生物医学传感器是一类特殊的电子器件，它能把各种被观测的生物医学中的非电量转换为易观测的电量，扩大人地感官功能，是构成各种医疗分析和诊断仪器与设备的关键部件。我们将生物医学传感技术中常用的传感器按被观测的量划分为以下三类： （1）物理传感器：用于测量和监护生物体的血压、呼吸、脉搏、体温、心音、心电、血液的粘度、流速和流量等物理量的检测。 生物医学传感器的概念及前景 一、何谓生物医学传感器？其有哪些特殊要求？ 答：1、首先，在《传感器通用术语》中，对传感器的定义为：“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。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路组成”。也可把传感器狭义地定义为：能把外界非电信号转换成电信号输出的器件或装置。 生物医学传感器是一类特殊的电子器件，它能把各种被观测的生物医学中的非电量转换为易观测的电量，扩大人地感官功能，是构成各种医疗分析和诊断仪器与设备的关键部件。 我们将生物医学传感技术中常用的传感器按被观测的量划分为以下三类： （1）物理传感器：用于测量和监护生物体的血压、呼吸、脉搏、体温、心音、心电、血液的粘度、流速和流量等物理量的检测。 （2）化学传感器：用于生物体中气味分子，体液（血液、汗液、尿液等）中的PH值，氧和二氧化碳含量（pO2、pCO2），Na+、K+、Ca2+、 Cl-以及重金属离子等化学量的检测。 （3）生物传感器：用于生物体中组织、细胞、酶、抗原、抗体、受体、激素、胆酸，乙酰胆碱、五羟色胺等神经递质，DNA与RNA以及蛋白 质等生物量的检测。 传感器按尺寸划分有：常规传感器（毫米级，可用于组织检测），微型传感器（微米级，可用于细胞检测）和纳米传感器（纳米级，可用于细胞内检测）。 2、生物医学传感器必须与生物体内的化学成分相容，要求它既不会被腐蚀，也不会给生物体带来毒性。 在使用传感器时所面对的一个严重问题就是生物相容性，特别是在要接触血液时的血相容性。 人体灌输装置的侵入性同样要求消毒。 二、请阐述生物医学传感技术的研究现状及未来发展趋势。 答：生物医学传感技术是生物医学技术与工程技术杂交的产物，具有旺盛的生命力。医疗保健高层次的追求、早期诊断、快速诊断、床边监护、在体监测等对传感技术的需求，生命科学深层次的研究，分子识别、基因探针、神经递质与神经调质的监控等对高新传感技术的依赖等，这一切均为生物医学传感技术的发展提供了客观条件。而分子生物学、生物技术、微电子技术与光电子技术等新学科、新技术的发展为生物医学传感技术的进步奠定了技术基础。在这些背景条件下，生物医学传感技术，生物医学传感技术得到了快速的发展并取得明显的进步。 《生物医学传感器与测量》课程项目实施方案 上海大学通信与信息工程学院 1、诚信声明： 学生应团队合作、自主完成课程项目，保证实验数据真实可靠，保证不抄袭、不违规。 2、项目组织 1、课程项目以团队方式进行，四名学生为一组，确定组长一名，并明确各个同学的分工及其在项目中的协同方式； 2、课程项目题目由电子电工实验中心实验教学管理系统获取，该中心网址为：（http://202.121.199.224/teacher/），团队组织等相关信息在网上完成； 3、本学期课程项目数量为一个，每组均需完成同一项目，采取的项目实现方法及手段可自由发挥，详见“附件二课程项目题目”； 4、项目中涉及到的生物医学信号采集部分，实验器件根据实施方案由实验室(T313)进行管理；所涉及到的信号处理部分，依托的工具为电脑，由实验小组自备。 3、成绩比例 1、课程项目占《生物医学传感器与测量》课程总成绩的30%； 2、课程项目成绩由项目实施报告和项目成果二部分组成，项目报告占50%，项目成果占50%； 3、项目实施报告包含五部分内容：项目方案简介、原理、实施过程、结果分析、结论与讨论，五个部分权重分别为15%、15%、25%、25%、20%； 4、项目成果成绩由验收组验收考核进行评定，评定主要考虑四个方面内容：功能实现、性能指标（波峰检出率、波峰漏检率、波峰错检率、测量时间等）、工程规范（规范性、可靠性、操作便利性等）、理论水平； 5、课程项目的团队成绩分配，强调团队合作精神，兼顾个人贡献。 4、时间安排 1、第一周在网上完成组队、选题并确认； 2、第二周至第九周进行项目的实施； 3、第六周提交完整的项目实施方案； 4、第九周项目验收考核。 附件一项目报告式样 《生物医学传感器与测量》课程项目 实施报告 题目：名称 组号： 任课教师： 组长：学号姓名工作量比例签名 成员：学号姓名工作量比例签名 成员：学号姓名工作量比例签名 成员：学号姓名工作量比例签名 .31 《中国医疗器械信息》2008年第14卷第7期 Vol.14 No.7 文章编号：1006-6586(2008)07-0031-02 中图分类号：TP212.3 文献标识码：A 收稿日期：2008-06-23 随着科学的发展和其他学科的渗透以及生物医学 学科的进步，使医学学科进入一个新阶段——定量医 学。从定性医学到定量医学的发展过程中，传感器起了 重要作用。传感器延伸了医生的感觉器官，扩大了医生的观测范围，并把定性的感觉扩展为定量的测量。目前，传感器已成为生物医学测量、数据处理中不可缺少的关 键部分。可以说传感器的作用和地位就相当于医生的五 官，要提取和捕捉生物体内各种生物信息，需要依靠各 种各样的传感器。由图1可知，传感器是医学测量系统 的第一个环节，医学仪器通过其与人体直接耦合。肠内压、胃内压、膀胱压及肺泡压等。所采用的传感器大体上属于同一类型，只是量程不同。基本结构中都包括一个弹性膜片，它将压力信号转化为膜片的变形，然后根据膜片的应变和位移，将其转换成相应的电信号输出。(2) 心音传感器：在心脏的收缩和舒张过程中，血管的振动传到胸腔表面就是心音。另外，人体内部还有一些器官也会造成音响，例如呼吸时支气管与肺膜产生的声音、肠蠕动的杂音、孕妇的子宫杂音、胎儿的心音等。所有这些声音，对疾病的诊断都是非常有价值的。医用心音传感器总的来说分为空气传导式和直接传导式。由 于空气传导式心音传感器需由气室和一般传感器组合而 成，虽然简单易行，但其灵敏度低，且易受周围噪声的 干扰，所以临床上使用的大多是直接传导式心音传感器。 (3) 血流传感器：与压力检测一样，流量的检测也是生 理研究和临床诊断上最常应用的工程手段之一。其中 最常用的是血流的测量，另外还有一些流量也是临床上需要测量的重要参数，如与呼吸功能密切相关的气流量、与肾功能密切相关的尿流量等。临床中通常采用阻抗法来获得心血流图、脑血流图、肺血流图、肾 血流图以及肢体血流图等。(4) 温度传感器：体温是机体不断进行新陈代谢和自动 调节的结果，许多生理过程的进行又都受到体温变化的影响，所以测量人体各部分的温度，是临床诊断各种疾 1 物理传感器的临床应用 物理传感器是检测物理量的传感器，利用某种物理效应，把被测物理量信号转换成为便于处理的能力 形式的信号(通常是电信号) ，用于测量血压、体温、血流量、血粘度、生物组织对辐射的吸收、反射或散 射以及生物磁场等。(1) 压力传感器：在临床诊断、外科手术和病人监护中，人体内各种压力参数的准确测量往往是至关重要的，同时它也是控制和解释某些生理研究实验不可缺少的信息来 源。医学上通常测量的压力参数有血压、颅内压、眼内压、 研究生课程名称：现代传感与检测技术 （大作业） 综述分数阅卷人一1写作能力（20分） 2排版规范性（10分） 3参考文献规范性（10分） 二奇思妙想（10分） 总分（50分） 学期：2014-2015-1学期 学院：自动化工程学院 专业：控制科学与工程 班级：XX班 学号：******* 姓名：XXX 提交日期：2014年10月28日 一、综述 生物医学传感器 摘要：生物医学传感器是将医学生理参数转换成电学量的装置，是构成现代医学仪器设备不可少的关键部件。本文介绍了生物医学传感器的基本概念、基本应用，分析了生物医学测量技术及其特殊要求，最后讨论了生物医学传感器的发展趋势。 关键词：生物医学传感器，传感器，医学仪器 1引言 2l世纪是人类全面进入信息电子化的时代。随着人类探索领域和空间的拓展，人们需要获得的电子信息种类日益增加．需要信息传递的速度加快、信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术——传感技术必须跟上信息化发展的需要。生物医学传感器是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术。生物医学(biomedicine)是综合医学、生命科学和生物学的理论和方法而发展起来的前沿交叉学科，基本任务是运用生物学及工程技术手段研究和解决生命科学，特别是医学中的有关问题。因此有人把2l世纪称为生命科学的世纪，也有人把2l世纪称为信息科学的世纪[1]。生物医学传感器是检测人体各种信息的重要工具，是各种医学检测仪器输入端的敏感元件。它对医学基础研究、临床定量研究和医学仪器开发起着重要作用。根据对人体各种测量的要求，生物医学传感器中除了传统的以测量物理量为基础的物理传感器外，还发展出以非生物物质作为分子识别系统测量化学量的化学传感器，和以生物物质作为分子识别系统测量化学量的生物传感器。 2生物医学传感器的基本概念 2.1生物医学传感器的定义及组成 发展人体科学、开展医学研究和进行疾病诊断都要求获得人体各方面的信息。仅以心脏疾病诊断为例，他要求来自从系统到器官、组织、细胞、分子等各层次的信息，即心血管系统的心音血压信息、心脏器官的心电信息、血流灌注的心肌组织信息以及心肌细胞的 （这）使（不）用（是）说（重）明（点） 1.书本使用《医用传感器》第2版，陈安宁主编。供生物医学工程、影像学等相关专业使用 2.有些题目找的答案与标准答案或有出入，有些题目LZ也没有找到答案，各位您见谅！ 3.全文“LZ”代表“录主”，不是“楼主”，也不是“劳资”或者“老子”。 4.“【PS：xxxxxxxxxxxx】”：可能为重要备注也可能是LZ瞎BB,请视具体情况取舍。 5.“*************我是分割线*****************”：分割线之前为网络各家资料，分割线之后为亲爱的老师给的“给力”的重点。 6.本文有些地方有照片或者有截图，如果不清楚，请您凑合着看吧！目前照片里的字代表了LZ的最高水平，也请您凑合着看吧！排版水平差，也请您凑合着看吧！ 7.第1-9章，参考网上部分资料，老师PPT，和学神（我希望是，毕竟不认识，瞎买的书）的复习资料，所以有些照片是他的杰作。第10章、第11章为另一个亲爱的老师给的题目，没给“重点”至于考不考是另外一回事。总之，谢谢他们，我只是个欢乐的复习资料搬运工。 8.再次谢谢他们！！！也谢谢您的观看，预祝过过过，都考90分。但是，你也知道这难度有点大，所以，加油！！！！！ 第一章绪论 1.医用传感器的定义、组成及在医用测量系统中的作用？ 定义：能感受或响应规定的测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。 生物医学传感器：能将各种被观测的生物医学中的非电量转换为易观测的电学量的一类特殊的电子器件。 医用测量系统中传感器的作用：提供信息、监护、生化检验、自动控制、参与治疗 2.传感器定义中“有用信号”的含义是什么？为什么通常传感器输出信号形式为电信号？ 反映生命的信息绝大多数属于非电量，其放大和处理是十分困难的。而医学传感器把生物信号换成电信号，经放大器及预处理器进行信号放大和预处理，然后经A/D 转换器进行采样，将模拟信号转变为数字信号，输入计算机，然后通过各种数字信号处理算法进行信号分析处理，得到有意义的结果。 3.何谓物理型、化学型、生物型传感器？ 医用传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和生物型三大类。 物理传感器是利用物理性质和物理效应制成的传感器； 化学传感器是利用化学性质和化学效应制成的传感器； 生物传感器是利用生物活性物质作为分子识别系统的传感器。 4.何谓直接型、间接型、物性型和结构型传感器？ 5.试分析比较医用传感器主要分类方法有何优缺点。重庆大学《生物医学传感器原理与应用》第三章--敏感元件
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