医用传感器 第3章
生物医学传感器PPT课件
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。由于要采集的信号绝大部分是非电学量，传感 器通常是将非电学量转换成电学量，所以又把传感器叫 做换能器。
生物医学传感器
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
感官
神经
大脑
信息的采集与控制
信息的传输
信息的处理
传感器是信息采集的首要部件，鉴于其重要作用， 世界各国自20 世纪 80 年代开始都将其列为重点发展的 关键技术
生物医学传感器
五官(眼、耳、鼻、舌、身）
大脑
传感器Байду номын сангаас
物理量 感知 化学量
生物医学测量的目的是为了获取生物医学有 用信息，生物医学测量是各种生物医学仪器的基 础。生物体是极其复杂的生命系统，用工程技术 方法获取生物医学信息，通常采用适合生物医学 测量的传感技术和检测技术来实现，这是与普通 测量相区别的。
生物医学传感器
传感器的测量主要表现在以下几个方面：
信息的收集、信息数据的转换、控制信息的采集。
通过传感器来实现。
2．传感器作为测控系统中对象信息的入口、检测技 术的核心部件，在现代化的自动检测、自动控制 和遥控系统中是必不可少的部分：如果缺少了它， 自动化将无从谈起。
生物医学传感器
３．传感器技术广泛应用于航天航空、军事、工 业、农业、医学、环境保护、机器人、汽车、 舰船、灾害预测预防、家电、公共安全以及 日常生活等各个领域，可以说是无所不在。 有人说：征服了传感器，几乎就征服了现代 科学技术。话虽夸张，却说明了传感器技术 在现代科学技术中的重要地位。
医用传感器
传递函数
Y(s) 6s210s3 H(s)X(s)20s215s8
三、传感器的动态响应 瞬态响应 稳态响应
阶跃信号 正弦信号
（一）瞬态响应 x
传递函数
输出
0 t
y
1
拉普拉斯逆变换
y(t)k(1et)
0 t
在一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。
τ越小，阶跃响应特性越好。
传递函数 输出
（五）环境特性
温度影响体现在灵敏度改变、输出漂移 气压变化影响传感元件或容器发生体积变化 湿度变化使光学传感器改变折射率，电容传感器介电常数改变 电源电压波动会引起灵敏度和输出漂移 电源频率对交流磁场的传感器有影响，其他不大
（六）重复性
传感器的动态特性
一、传感器动态特性的数学模型和传递函数 （初始条件为零）
光纤式导管末端血压传感器加小于lmmHg的压力时无输出， 则其灵敏限为1mmHg。
（二）线性度（非线性误差）
在规定条件下传感器特性曲线与拟合直线间的最大偏差（ΔLmax）与传感器满量程 （FS） 输出值（YFS）的百分数称为传感器的线性度（或非线性误差）。
ymax
ΔLmax
1
L
Lmax YFS
100%
【例2-5】一阶传感器的频域分析
一阶传感器频率响应函数为
H(j)Y X((jj ))jk1
幅频响应为
H(j) 1 122
其对数幅值为
20lg 122
在低频段即
时上 式1近似为
20lg12 2 20lg10
在高频处，即
时， 上 式1 为
20lg12220lg
【例2-6】二阶传感器的时域分析
传感器动态特性分析
高中物理第三章电磁技术与社会发展2第三节传感器及其应用11
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第二十四页，共二十八页。
如图 3－3－8 所示，将万用表的选择开关置 于欧姆挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻 Rg 的两端相连， 这时表针恰好指在刻度盘的中央，若用不透光的黑纸将 Rg 包裹 起来，表针将向________(填“左”或“右”)转动；若用手电 筒光照射 Rg，表针将向____(填“左”或“右”)转动．
答案：视觉、嗅觉、听觉、味觉、触觉
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第十四页，共二十八页。
二、关于光敏电阻和热敏电阻特性的实验设计 1．实验器材 热敏电阻、多用电表、烧杯(备有冷、热水)、温度计、铁架台、 光敏电阻、光电计数器、小灯泡(或门铃)、学生电源、继电器、 滑动变阻器、开关、导线．
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第十五页，共二十八页。
第三章 电磁技术(jìshù)与社会发展
第三节 传感器及其应用(yìngyòng)
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第一页，共二十八页。
第三章 电磁技术与社会(shèhuì)发展
1.知道什么是传感器，了解传感器的作用和功能，知道 传感器在现代社会中有广泛的应用． 2.了解传感器的分类原 则和方法． 3.了解几种常见传感器，如温度传感器、红外线 传感器、生物传感器的工作原理及典型应用．
值．
把测量到的温度、电阻值填入下表中
待测量
次数
12345
t/℃
R/Ω
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④在图 3－3－5 中，粗略描绘出热敏电阻的阻值 R 随 t 变化的 R－t 图线． ⑤根据实验数据和 R－t 图线，说明热敏电阻的阻值是否随温度 变化而均匀变化？
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图 3－3－5
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医用传感器的原理和应用
医用传感器的原理和应用1. 概述医用传感器是一种用于测量和监测人体生理参数的设备。
它们广泛应用于医疗健康领域，为医生提供准确的数据，帮助他们做出准确的诊断和治疗方案。
2. 医用传感器的原理医用传感器通过感应等方式测量人体参数，并将其转化为电信号。
其原理主要包括以下几点：2.1 物理传感原理医用传感器通过测量人体的物理变化，如温度、压力、压力等来获取数据。
比如，体温传感器通过感应人体皮肤的温度变化来测量体温。
2.2 化学传感原理一些医用传感器使用化学方法测量人体的化学变化，如血氧浓度、血糖浓度等。
这些传感器中常常含有特定的化学物质，可以与人体中的特定物质发生反应，并通过测量反应程度来确定浓度。
2.3 光学传感原理光学传感器通过测量光的参数来获得人体的相关数据。
例如，脉搏氧饱和度传感器使用红外光和红光通过皮肤组织来测量血氧饱和度。
3. 医用传感器的应用医用传感器广泛应用于各个医疗领域，以下是一些常见的应用：3.1 心电传感器心电传感器用于监测和记录心脏的电活动，并生成心电图。
医生可以通过心电图来诊断心脏疾病，如心律失常、心肌缺血等。
心电传感器通常采用干式电极或胶体电极来接触皮肤，测量心脏电活动。
3.2 血糖传感器血糖传感器用于测量血液中的葡萄糖浓度。
它们常见于糖尿病患者，可以帮助患者实时监测血糖水平，并根据测量结果进行调整饮食和胰岛素剂量。
3.3 血压传感器血压传感器用于测量血液在动脉中流动时产生的压力。
它们通常使用无创测量方法，如袖带或传感器放置在手腕上来测量血压。
这对于高血压患者和心血管疾病的监测和治疗非常重要。
3.4 体温传感器体温传感器用于测量人体的体温。
它们通常被用于疾病的早期诊断，如感冒、流感等。
体温传感器可以是接触式，如口腔温度计或非接触式，如红外体温枪。
3.5 脉搏氧饱和度传感器脉搏氧饱和度传感器用于测量血液中的氧气饱和度。
它们通常通过红外光和红光穿过皮肤来测量，可以帮助医生判断患者是否缺氧。
《生物医学传感器》PPT课件
——
响应的被测量转性换敏成感适元于件传把输力或、测压量力的、电力信矩号、部振分动。
生 物
等被测参量转换成应变量或位移量， 电子线路，然由后于再传通感过器各输种出转信换号元一件般把都应很变微量或
医 弱，需要有信号位调移理量与转转换换成电电路量，。进弹行性放元大件、材运料有
学 算调制等。 弹性合金、石英、陶瓷和半导体硅等。
医 学
节，它替代医生的感觉器官（视觉、听觉、触觉、
传 味觉和嗅觉），把医生的定性感觉变为定量测量，
感 决定着医学仪器的测量原理和结构设计。
器
29
生 生物医学传感器
物
医
学 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被
工 程
测量的部分；
导
论 传感元件是例指如传：感弹器性中材能料将制敏成感的元敏件感感元受件或，弹
3
生 生物医学传感器
物 医
学 ３．传感器技术广泛应用于航天航空、军事、工
工
程 业、农业、医学、环境保护、机器人、汽车、
导
论 舰船、灾害预测预防、家电、公共安全以及
——
日常生活等各个领域，可以说是无所不在。
生 物
有人说：征服了传感器，几乎就征服了现代
医 科学技术。话虽夸张，却说明了传感器技术
学
传 在现代科学技术中的重要地位。
学 断信息，即生化检验信息。它是利用化学传感
传 器和生物传感器来获取，是诊断各种疾病必不
感 可少的依据。
器
23
生 生物医学传感器
物
医
学
工
程
导
论
MB—3型 脉搏波传感器
MB—4型 脉搏波传感器
——
生
物
医用传感器
| Z1 | Z2
|ej1 |ej2
aej
式中是 a
|Z1 |Z2
| |
桥臂比n的模；
1
2
是桥臂比n的相角。
所以，桥臂比n是一个复数，是信号频率的函数。
.
桥臂系数K为复数，表示为 K K ej 。整理得K的模和相角为
a
K12acosa2
arctan (1a2)sin 2a(1a2)cos
当a=1时，|K|为最大值Km，Km随着θ而变化； θ=0 °时，Km=0.25，输出电压与电源电压同相位； θ=±90 °时，Km=0.5，输出电压相对电源电压发生90 ° 相移； θ=±180 °时，Km=∞，电桥发生振荡，输出电压趋于无限大。
.
电路的主要特点： ① 必须接成差动形式使用； ② 电桥的交流激励源的幅值和频率 要稳定； ③ 要求后续电路输入阻抗无限大。
.
(二) 运算放大器测量电路
C为传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入端和 输出端之间。放大器的输入阻抗很高(Zi→∞)，因此可视 作理想运算放大器。C0为一固定电容
U & ij 1 C 0I& i U & 0j 1CI& c I& iI& c
.
二、 调频测量电路
Cx L
Δu 振荡器
Δf
限幅 Δf 放大器
鉴频器 Δu
高频振荡回路的振荡频率 传感器起始电容
f 1
2 LC
振荡回路固定电容
CC0CpCg
当被测量没有变化时，
引线分布电容
f0
1
2 (C0CpCg)L
.
当被测量改变时，振荡器频率随之有个相应的改变量Δ f，称 为频偏。
3.3 生物医学物理传感器及其基本特性
0
• 如果将计算机比喻为人类第二脑 - 电脑,传感器就是电 脑的五官,拥有听觉、触觉、嗅觉等功能。 • 传感器技术、通讯技术和计算机技术,它们分别构成了 信息技术网络中的“感宫”、“神经”和“大脑”。 • 目前传感器在日本、美国、俄罗斯等发达国家及我国 都被列为重点发展技术。
医学测量仪器组成框图
0
常用的标准输入信号
• 正弦信号：
x(t)
0
X (t ) A sin t
t
–输入正弦信号，分析动态特性的相位、振幅、频率， 称频率响应或频率特性。
常用的标准输入信号
• 阶跃信号
x(t)
0
t
A X (t ) 0
t0 t0
–输入阶跃信号分析传感器的过渡过程和输出随时间 变化情况，称阶跃响应或瞬态响应
a1 2 a0 a 2
无阻尼固有频率
阻尼比
静态灵敏度
二 传递函数
• 传感器是一信号转换元件，当外界有一激励施 加于系统时，系统对外界有一响应，系统本身 的传输、转换特性可由传递函数表示。
0
d nY (t ) d n 1Y (t ) dY (t ) an an 1 a1 a0Y (t ) n n 1 dt dt dt d m X (t ) d m 1 X (t ) dX (t ) bm bm 1 b1 b 0 X (t ) m m 1 dt dt dt
0
将微分运算编 程代数运算
( an D n an 1 D n 1 a1 D a0 )Y (t ) (bm D m bm 1 D m 1 b1 D b 0 ) X (t )
传感器微分方程
（1）零阶传感器
– 微分方程： a0Y (t ) b0 X (t )
医用传感器PPT课件
输出电压为 U 0E 21E 22
(1)当衔铁位于中间位置时，
M 1 M 2 ,E 2 1 E 2 ,U 2 0 0
(2)当衔铁向上移动时，
M 1 M 2 ,E 2 1 E 2 ,U 2 0 0
(3)当衔铁向下移动时，
M 1 M 2 ,E 2 1 E 2 ,U 2 0 0
电感量的相对变化为
L1 L0
0
1
1
( )
0
0
第12页/共35页
当Δδ/δ0<<1时，级数展开
LL 01 0 0 2 0 3
(2)当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0－Δδ， 则此时输出电感为
L2 L2L0 2(W 020A)W2200AL00
电感量的相对变化为
L2 L0
0
1
第24页/共35页
二、等效电路
初级线圈的交流电流为
I1
R1
Ui
jL1
次级线圈感应电势为 E 21 j M 1I 1 E 22 j M 2I 1
差动变压器输出电压为
U0 E21 E22
j(M1 M2)I1
j(
M1
M2
)
R1
U i
jL1
输出电压有效值为
U0
(M1 M2)Ui
R2 1
(L1)2
第18页/共35页
(二) 变压器式交流电桥
电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变 压器次级线圈的1/2阻抗。 当负载阻抗为无穷大时， 桥路 输出电压
U oZ 1Z 2Z2U1 2UZ Z 1 2 Z Z 2 1U 2
当传感器的衔铁处于中
《医用传感器》PPT课件
0, K12a aa2, 0
a
(1 a 2 )
9 0 , K 1 a 2,
a r c ta n 2 a
1 8 0 ,
a K12 aa2,
0
当RL→∞时
U1jj ((C C11 C C22))RLERL
U C1 C2 E C1 C2
U C1 C2 E C1 C2
若在该电路中接入的电容式传感 器是变间距型，则
d
dd
k C 2b
xd
第4章 电容式传感器
三、变介电常数型电容传感器
➢ 图示为平板形线位移传感器结构原理
图，设平行板面积为S=L×b，在忽
略边缘效应时，当电容器内无介电常
数为ε1的电介质时，电容器的电容为
C0
0S
d
0Lb
d0 d1
➢ 插入介电常数为ε1的电介质时，电容
器的电容变为
C 0C 1C 20 d (0 L d x 1 )bd 0x bd 1C 0((1 1 d 0 0)0 d d 1 1 C )0 Lx 0 1
d1＝d2＝d，两边初始电容相等。当动板 向上移△ d 时，两边极距变化为:
按级数展开：
d1 dd
d2dd
C 1 C 1 C d0 [A1 d Cd d 01 1( dd d d)2 C 2 ( dd d A) 3 d C0]11dd
C 2 C 0 [1 d d ( d d)2 ( d d)3]
电容总的变化量为： C C 1 C 2 C 0 [ 2 d d 2 ( d d ) 3 2 ( d d ) 5 ]
d/d2100%d100%
d/d
d
①变极距型电容传感器只有在|Δd/d| 很小(小测
量范围)时，才有近似的线性输出；
医用传感器
汇报人：XX
contents
目录
• 传感器概述 • 常见医用传感器类型 • 医用传感器技术发展趋势 • 医用传感器在医疗设备中的应用 • 医用传感器在远程医疗中的应用 • 医用传感器市场前景及挑战
01
传感器概述
定义与分类
定义
医用传感器是一种能够将生物体 内的生理、生化参数转换为可测 量和处理的电信号的装置。
01
超声诊断设备
医用传感器在超声诊断设备中用于接收和转换超声信号，生成人体内部
结构的图像。
02
内窥镜
在内窥镜中，医用传感器用于捕捉和传输内部器官的实时图像，辅助医
生进行诊断和治疗。
03
手术机器人
医用传感器在手术机器人中发挥着关键作用，如力传感器用于感知手术
器械与组织的交互力，位置传感器用于精确控制机器人的运动轨迹。
环保和可持续性法规
随着全球对环保和可持续性的关注度不断提高，医用传感 器的制造和使用也需要符合相关的环保和可持续性法规要 求。
THANKS
感谢观看
血液流量监测
利用超声波或电磁原理的流量传感器，实时监测血液透析过程中 血液的流量。
透析液流量和温度监测
通过流量传感器和温度传感器，分别监测透析液的流量和温度，确 保透析治疗的安全和有效性。
电解质浓度监测
利用电导率传感器实时监测透析液中电解质（如钾、钠、氯等）的 浓度，为医生提供治疗参考。
其他医疗设备中的应用
算出血氧饱和度。
呼吸机中的应用
呼吸气流监测
通过流量传感器实时监测患者的呼吸气流，为呼 吸机提供准确的控制参数。
呼吸压力监测
利用压力传感器测量患者的呼吸道压力，确保呼 吸机输出的气体压力符合治疗要求。
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第3章传感器理论基础
第3章传感器理论基础
3.1传感器的组成和分类
3.2传感器的基本特性
第3章传感器理论基础
传感器的组成和分类
按被测参数分：温度、压力、位移、速度等
按工作原理分：应变式、电容式、压电式、磁电式等
组成
分类
第3章传感器理论基础
1
2
4
3
5
图3－2 应变式加速度传感器
1－应变梁2－质量块3－应变片4－壳体
T
T
0
A
B
第3章传感器理论基础
传感器的基本特性
在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进
行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的
变化并不失真地变换成相应的电量——基本特性
传感器的基本特性通常分为静态特性和动态特性
静态特性
灵敏度
线性度
迟滞
重复性
漂移
动态特性
瞬态响应特性
频率响应特性
传感器静态输入、输出关系一般可表示为：
nnxaxaxaay2
210
第3章传感器理论基础
灵敏度
灵敏度——单位输入量的变化所引起传感器输出量
的变化。
xyS
2
第3章传感器理论基础
线性度
线性度是指？
（输出与输入之间数量关系的线性程度）
关于拟合
数学表达式
%100max
FS
L
Y
L
第3章传感器理论基础
图2 -4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
第3章传感器理论基础
迟滞
迟滞——传感器在输入量由小到大（正行程）及输
入量由大到小变化期间其输入输出特性曲线不重合
的现象。
数学表达式
产生的原因？
（传感器敏感元件材料的物理性质和机械零
部件的缺陷）
%100max
FS
H
Y
H
第3章传感器理论基础
5
第3章传感器理论基础
重复性
重复性——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。
数学表达式
%100max
FS
R
Y
R
6
第3章传感器理论基础
漂移
传感器的漂移——输入量不变的情况下，传感器输
出量随着时间变化。
产生的原因？
（传感器自身结构参数；周围环境）
温度漂移
tyyt
20
第3章传感器理论基础
课堂练习
有一位移测量系统，对位移在0～5mm的范围进行了
两个循环的测量，测量数据如下：
i
x
i
y
y
（mm）
012345
0510152025
mV）上行程
049142025
下行程
0510162125
上行程
0510151925
下行程
0511162025
04.751015.252025
以输出的平均值求端
点连线拟合直线，问
灵敏度和线性度、迟
滞、重复性误差各是
多少？
第3章传感器理论基础
传感器的动态特性
传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应
特性。
例：动态测温
6
第3章传感器理论基础
传感器基本动态特性方程
传感器的动态特性一般用下述微分方程来描述：
零阶系统
（又称比例系统）
完全跟踪，无滞后
一阶系统
（又称惯性系统）
二阶系统
几个重要参数
xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111
)()(tkxty
)()()(tkxtydttdy
xtydttdydttydnnn2222)()(2)(
k
n
第3章传感器理论基础
动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传
感器输入量的变化形式有关。也就是说，我们在研究
传感器动特性时，通常是根据不同输入变化规律来
考察传感器的响应的。
瞬态响应特性——
用得较多
的标准输入信号有阶跃信号和脉冲信号
频域响应特性——
输入为正弦信号
第3章传感器理论基础
瞬态响应特性
（1）
一阶传感器的单位阶跃响应
对于一个阶跃输入：
得一阶传感器的单位阶跃响应
信号
10)(tx
00t
t
t
ety1)(
8
)(tx
)(ty
传感器存在惯性，值是一阶传感器重要的性能参数
第3章传感器理论基础
瞬态响应特性
（2）
二阶传感器的单位阶跃响应
过阻尼、欠阻尼、临界阻尼
二阶传感器对阶跃信号的响
应曲线在很大程度上取决于
阻尼比ξ和固有角频率ω
n
9
SSSSYnnn12)(222
第3章传感器理论基础
传感器的时域动态性能指标
时间常数τ
延迟时间t
d
上升时间t
r
峰值时间t
p
超调量σ
第3章传感器理论基础
频率响应特性
频率响应特性
——
传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性
一阶传感器的频率响应
幅频特性：
相频特性：
2
)(11)(
A
)()(arctg
值是一阶传感器频率响应的重要性能参数
第3章传感器理论基础
12
第3章传感器理论基础
频率响应特性
二阶传感器的频率响应
幅频特性
相频特性
222
)2(])(1[1)(nnA
2
)(12)(nnarctg
第3章传感器理论基础
13
二阶传感器的频率响应
特性好坏主要取决于传
感器的固有频率ωn和阻
尼比ξ。
当ξ<1, ωn»ω时, A（ω）
≈1, Φ（ω）很小, 此时,
传感器的输出y(t)再现了
输入x(t)的波形。通常固
有频率ωn至少应大于被
测信号频率ω的3～5 倍,
即ω
n
≥（3～5）ω。
第3章传感器理论基础
频率响应特性指标
通频带ω
0.707
工作频带ω
0.95
时间常数τ
固有频率ω
n
相位误差
跟随角Φ
0.707
第3章传感器理论基础
传感器静态特性标定
传感器静态标定的过程如下：
1.将传感器全量程标准输入量分成若干个间断点，取各点的
值作为标准输入值。
2.由小到大一点一点地输入标准值，待输出稳定后记录与各
输入值相对应的输出值。
3.由大到小一点一点地输入标准值，待输出稳定后记录与各
输入值相对应的输出值。
4.按步骤2和3所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环
多次测试，将所得输入和输出数据用表格列出或画出曲线。
5.对测试数据进行必要的分析和处理，以确定该传感器的静
态特性指标。
第3章传感器理论基础
量程: 50 kN
输出: 1.5 mV/V
非线性: 0.1 % F·S
滞后: 0.1 % F·S
重复性: 0.1 % F·S
温漂: 0.01 % F·S/oC
零位输出: ≤2 % F·S
激励电压: 10V
工作温度: -20～80 oC
过载能力: 150% F·S