第1章緒論-醫(yī)用傳感器

1、授課教師：齊秋菊授課教師：齊秋菊授課期班：授課期班：07生工生工授課時間：授課時間：90分鐘分鐘Page 2醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室學(xué)習(xí)本門課程的意義學(xué)習(xí)本門課程的意義傳感器是感知、獲取與檢測信息的窗口，它處于研究傳感器是感知、獲取與檢測信息的窗口，它處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，是自動測控系統(tǒng)的重要對象與測控系統(tǒng)的接口位置，是自動測控系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，一切科學(xué)實驗和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都是環(huán)節(jié)，一切科學(xué)實驗和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都是通過傳感器轉(zhuǎn)換通過傳感器轉(zhuǎn)換。與其它課程的聯(lián)系與分工與其它課程的聯(lián)系與分工n學(xué)習(xí)本課程之前，要求學(xué)生先修學(xué)習(xí)本課程之前，要求學(xué)生先修高等數(shù)學(xué)高等數(shù)學(xué)、大

2、大學(xué)物理學(xué)物理、電路分析電路分析、模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)、數(shù)字?jǐn)?shù)字電子技術(shù)電子技術(shù)；n本課程也是本課程也是檢驗分析儀器檢驗分析儀器的先修課程。的先修課程。本教學(xué)大綱要求：本教學(xué)大綱要求：Page 3醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室課程的學(xué)習(xí)目的課程的學(xué)習(xí)目的n 合理選擇和使用傳感器。 n 對傳感器技術(shù)問題有一定的分析和處理能力。n 知曉傳感器的工程設(shè)計方法和實驗研究方法。 了解傳感器的發(fā)展動向。本課程的性質(zhì)及適應(yīng)對象本課程的性質(zhì)及適應(yīng)對象本課程為自動化類專業(yè)的選修課，或考查課。對于本專業(yè)作為考查課。Page 4醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室章次章次內(nèi)內(nèi) 容容課時課時章次章次內(nèi)內(nèi) 容容課時課時一一緒

3、論緒論2七七磁傳感器磁傳感器6二二傳感器的基本特征傳感器的基本特征4八八熱電式傳感器熱電式傳感器4三三電阻式傳感器電阻式傳感器4九九光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器4四四電容式傳感器電容式傳感器4十十化學(xué)傳感器及醫(yī)用電化學(xué)傳感器及醫(yī)用電極極2五五電感式傳感器電感式傳感器2十一十一生物傳感器生物傳感器2六六壓電式傳感器壓電式傳感器4考核考核2共共 40 學(xué)時學(xué)時Page 5醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 6醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室機油感應(yīng)塞Page 7醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n空氣流量計：測發(fā)動機的進氣量，用以控制噴油量 ；n機油油位傳感器：可以測油溫和機油量 ；n氧傳感器：檢查廢氣中的含氧量

4、，修正空燃比；n溫控開關(guān)：控制風(fēng)扇的起停 ；n節(jié)氣門位置傳感器：進行空燃比信號采集，以調(diào)節(jié)發(fā)動機的噴油量 。Page 8醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室第一節(jié) 傳感器的定義和組成1.1.定義：定義：n傳感器傳感器 是能感受或響應(yīng)規(guī)定的被測量，并是能感受或響應(yīng)規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置?；蜓b置。n醫(yī)用傳感器醫(yī)用傳感器Page 9醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室2. 傳感器的特點：傳感器的特點：傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能它的輸入量是某一被測量，可能是物理

5、量，也可能是化學(xué)量、生物量等；是化學(xué)量、生物量等；它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；但主要是電量；輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。Page 10醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室傳感器通常由直接響應(yīng)于被測量的傳感器通常由直接響應(yīng)于被測量的敏感元件、產(chǎn)生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件敏感元件、產(chǎn)生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件以及轉(zhuǎn)換電路組成。以及轉(zhuǎn)換電路組成。被測量電量敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路電學(xué)量電學(xué)量非

6、電量非電量Page 11醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n敏感元件敏感元件 直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的物理量。物理量。n轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件 敏感元件的輸出就是它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量。敏感元件的輸出就是它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量。n轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 上述電路參量接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電上述電路參量接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出量輸出Page 12醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室第二節(jié) 傳感器的作用n醫(yī)用傳感器是拾取生命體征信息的醫(yī)用傳感器是拾取生命體征信息的“感感官官”。傳感器放大電路A/D A/D 計算機顯示打印檢測類儀器結(jié)構(gòu)框圖檢測

7、類儀器結(jié)構(gòu)框圖Page 13醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室人體動作過程人體動作過程人通過感官感覺外界對象的刺激，通過大腦對人通過感官感覺外界對象的刺激，通過大腦對感受的信息進行判斷、處理，肢體作出相應(yīng)的感受的信息進行判斷、處理，肢體作出相應(yīng)的反映。反映。檢測系統(tǒng)執(zhí)行過程檢測系統(tǒng)執(zhí)行過程傳感器相當(dāng)于人的感官，稱傳感器相當(dāng)于人的感官，稱“電五官電五官”，外界，外界信息由它提取，并轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)易于處理的電信信息由它提取，并轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)易于處理的電信號，微機對電信號進行處理，發(fā)出控制信號給號，微機對電信號進行處理，發(fā)出控制信號給執(zhí)行器，執(zhí)行器對外界對象進行控制。執(zhí)行器，執(zhí)行器對外界對象進行控制。Page 1

8、4醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室人與機器的機能對應(yīng)關(guān)系圖人與機器的機能對應(yīng)關(guān)系圖外界對象感官傳感器人腦微機肢體執(zhí)行器Page 15醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 16醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室4.4.傳感器起著關(guān)鍵性作用的原因傳感器起著關(guān)鍵性作用的原因n 生物信號很多是非電量信號生物信號很多是非電量信號n 生物信號十分微弱生物信號十分微弱n 生物信號信噪比很低，微弱的有用信號往往淹沒生物信號信噪比很低，微弱的有用信號往往淹沒在強大的干擾和噪聲之中。在強大的干擾和噪聲之中。n 生物信號多數(shù)變化頻率都很低，容易受到生物信號多數(shù)變化頻率都很低，容易受到50HZ50HZ電電源和其它生物活動的干擾

9、。源和其它生物活動的干擾。 無創(chuàng)傷檢測（夾式光電容積血流脈搏傳感器）無創(chuàng)傷檢測（夾式光電容積血流脈搏傳感器）Page 17醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 18醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 19醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室袖帶壓力傳感器充氣泵放氣閥MSP430F427液晶顯示、按鍵控制ADCPage 20醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 21醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室第三節(jié) 醫(yī)用傳感器的用途和分類一、醫(yī)用傳感器的用途一、醫(yī)用傳感器的用途1.1.提供信息提供信息 如心音、血壓、脈搏、體溫、血流如心音、血壓、脈搏、體溫、血流等，作為重要的生理參數(shù)供臨床診斷和基礎(chǔ)研等，作為重要的生

10、理參數(shù)供臨床診斷和基礎(chǔ)研究用。究用。2.2.監(jiān)護監(jiān)護 長時間連續(xù)檢測某些生理參數(shù)，監(jiān)視其長時間連續(xù)檢測某些生理參數(shù)，監(jiān)視其是否超出正常范圍，以便隨時掌握患者的狀況，是否超出正常范圍，以便隨時掌握患者的狀況，出現(xiàn)異常及時報警出現(xiàn)異常及時報警。Page 22醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室3.3.生化檢驗生化檢驗 利用傳感器的分子識別能力，檢測利用傳感器的分子識別能力，檢測各種體液，溶液中的成分和含量。各種體液，溶液中的成分和含量。4.4.自動控制自動控制 根據(jù)傳感器提供的生理信息，調(diào)節(jié)根據(jù)傳感器提供的生理信息，調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)做出反應(yīng)，實現(xiàn)自動控制。執(zhí)行機構(gòu)做出反應(yīng)，實現(xiàn)自動控制。5.5.參與治療參與治

11、療 醫(yī)用電極經(jīng)常是用于檢測信號，又醫(yī)用電極經(jīng)常是用于檢測信號，又用于實施治療。用于實施治療。Page 23醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室二、醫(yī)用傳感器的分類二、醫(yī)用傳感器的分類1.1.按工作原理分類：按工作原理分類：n 物理傳感器物理傳感器n 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 生物傳感器生物傳感器Page 24醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 物理傳感器物理傳感器 利用物理性質(zhì)和物理效應(yīng)制成的利用物理性質(zhì)和物理效應(yīng)制成的傳感器。如壓電式傳感器、半導(dǎo)體壓阻式傳傳感器。如壓電式傳感器、半導(dǎo)體壓阻式傳感器、光電式傳感器等。感器、光電式傳感器等。n 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 利用化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)效應(yīng)制成的利用化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)

12、效應(yīng)制成的傳感器。傳感器。n 生物傳感器生物傳感器 采用具有生物活性物質(zhì)作為分子采用具有生物活性物質(zhì)作為分子識別系統(tǒng)的傳感器。識別系統(tǒng)的傳感器。Page 25醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室2.2.按被測量的種類分類按被測量的種類分類n 位移傳感器位移傳感器n 流量傳感器流量傳感器n 溫度傳感器溫度傳感器n 速度傳感器速度傳感器 壓力傳感器壓力傳感器Page 26醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 位移傳感器位移傳感器（電感式位移傳感器，電容式位移傳感電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器）爾式位移傳感器）

13、n 流量傳感器流量傳感器（插入式磁電流量傳感器、（插入式磁電流量傳感器、葉片式空氣葉片式空氣流量傳感器流量傳感器 ）n 溫度傳感器溫度傳感器（熱敏電阻、熱電偶、（熱敏電阻、熱電偶、pnpn結(jié)溫度傳感器）結(jié)溫度傳感器）n 速度傳感器速度傳感器（線速度傳感器、角速度傳感器）（線速度傳感器、角速度傳感器）n 壓力傳感器壓力傳感器（金屬應(yīng)變片壓力傳感器、壓電傳感器、（金屬應(yīng)變片壓力傳感器、壓電傳感器、半導(dǎo)體壓力傳感器、電容壓力傳感器半導(dǎo)體壓力傳感器、電容壓力傳感器）Page 27醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室3.3.按與人體感官相對應(yīng)的傳感器的功能分類按與人體感官相對應(yīng)的傳感器的功能分類n 視覺傳感器視

14、覺傳感器（各種光學(xué)傳感器）（各種光學(xué)傳感器）n 聽覺傳感器聽覺傳感器（拾音器、壓電傳感器、電容傳感（拾音器、壓電傳感器、電容傳感器）器）n 嗅覺傳感器嗅覺傳感器（各種氣體傳感器）（各種氣體傳感器）Page 28醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室第四節(jié) 醫(yī)用傳感器的特性和要求一、傳感器應(yīng)具有以下特性：一、傳感器應(yīng)具有以下特性：1.足夠高的靈敏度，能檢測出微弱的生物信號2.盡可能高的信噪比，以便在干擾和噪聲背景中提取有用的信息。3.良好的精確性，以保證檢測出的信息準(zhǔn)確、可靠。Page 29醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室4.足夠快的響應(yīng)速度，能夠跟隨生物體信息量的變化。5.良好的穩(wěn)定性，保持長時間檢測漂移很

15、小，輸出穩(wěn)定。6.較好的互換性，調(diào)試、維修方便。Page 30醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室二、醫(yī)用傳感器的要求：二、醫(yī)用傳感器的要求：1.1.與人體接觸、特別是植入人體內(nèi)的傳感器材料與人體接觸、特別是植入人體內(nèi)的傳感器材料必須是無毒的，并且與生物體組織具有良好的必須是無毒的，并且與生物體組織具有良好的相容性，長期接觸不會引起排異、炎癥等不良相容性，長期接觸不會引起排異、炎癥等不良反應(yīng)。反應(yīng)。2.2.傳感器在進行檢測時，不能影響或者盡可能少傳感器在進行檢測時，不能影響或者盡可能少影響正常的生理活動，否則檢測的信息將是不影響正常的生理活動，否則檢測的信息將是不準(zhǔn)確的。準(zhǔn)確的。Page 31醫(yī)學(xué)儀器

16、教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n3.3.傳感器應(yīng)具有良好的電氣安全性，特別是與體傳感器應(yīng)具有良好的電氣安全性，特別是與體內(nèi)接觸的傳感器應(yīng)按照防止微電擊的電氣安全標(biāo)內(nèi)接觸的傳感器應(yīng)按照防止微電擊的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)(36V)(36V)并具有良好的絕緣性能。并具有良好的絕緣性能。n4.4.傳感器在結(jié)構(gòu)上和性能上要便于清潔和消毒，傳感器在結(jié)構(gòu)上和性能上要便于清潔和消毒，防止有害物質(zhì)交叉感染防止有害物質(zhì)交叉感染Page 32醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室第五節(jié) 醫(yī)用傳感器的發(fā)展一、智能化傳感器一、智能化傳感器二、微型化傳感器二、微型化傳感器三、多參數(shù)傳感器三、多參數(shù)傳感器 四、遙控傳感器四、遙控傳感器 （電子藥丸）五

17、、無創(chuàng)傷檢測傳感器五、無創(chuàng)傷檢測傳感器Page 33醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室1、開發(fā)新的敏感、傳感器材料、開發(fā)新的敏感、傳感器材料n在基礎(chǔ)研究中尋找發(fā)現(xiàn)具有新原理、新效應(yīng)的敏感元在基礎(chǔ)研究中尋找發(fā)現(xiàn)具有新原理、新效應(yīng)的敏感元件和傳感元件。件和傳感元件。n沒有深入細(xì)致的研究，就沒有新傳感元件的問世，也沒有深入細(xì)致的研究，就沒有新傳感元件的問世，也就沒有新型傳感器，組成不了新型測試系統(tǒng)。就沒有新型傳感器，組成不了新型測試系統(tǒng)。n對于半導(dǎo)體硅材料，發(fā)現(xiàn)力、熱、光、磁、氣體等物對于半導(dǎo)體硅材料，發(fā)現(xiàn)力、熱、光、磁、氣體等物理量都會使其性能改變。制成力敏、熱敏、光敏、磁敏理量都會使其性能改變。制成力

18、敏、熱敏、光敏、磁敏氣敏等敏感元件。氣敏等敏感元件。Page 34醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室2、開發(fā)研制新型傳感器及組成新型測試系統(tǒng)、開發(fā)研制新型傳感器及組成新型測試系統(tǒng)（1 1）MEMSMEMS技術(shù)要求研制微型傳感器。技術(shù)要求研制微型傳感器。（微機電系統(tǒng)）（微機電系統(tǒng)）如用于微型偵察機的如用于微型偵察機的CCDCCD傳感器、用于管道爬壁機器傳感器、用于管道爬壁機器人的力敏、視覺傳感器。人的力敏、視覺傳感器。（2 2）研制仿生傳感器）研制仿生傳感器（3 3）研制海洋探測用傳感器）研制海洋探測用傳感器（4 4）研制成分分析用傳感器）研制成分分析用傳感器（5 5）研制微弱信號檢測傳感器）研制微弱信號檢測傳感器Page 35醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室3、研究新一代的智能化傳感器及測試系統(tǒng)、研究新一代的智能化傳感器及測試系統(tǒng)n 智能傳感器一般具有以下功能：智能傳感器一般具有以下功能：能夠根據(jù)檢測到的信號進行判斷和決策；能夠根據(jù)檢測到的信號進行判斷和決策；可以根據(jù)軟件控制執(zhí)行相應(yīng)的操作；可以根據(jù)軟件控制執(zhí)行相應(yīng)的操作；具有輸入、輸出接口，能夠與外界進行信息交流；具有輸入、輸出接口，能夠與外界進行信息交流；具有自我檢測、自我校正和自我保護功能。具有自我檢測、自我校正和自我保護功能。n 如電