生物医学测量与传感器3课件.ppt

输入阻抗和输出阻抗 仪器系统的输入阻抗与输出阻抗直接影响测量系统同被测人体之间、测量系统的各个环节之间、各个不同仪器之间的连接和耦合。对于一般由电子线路组成的环节，通常要求其输入阻抗高些而输出阻抗低些。对于信号源的输出阻抗（又称内阻）或负载的阻抗变化的场合，往往要求后级系统的最低输入阻抗高于前级的最高输出阻抗的几十倍以上。在测量仪器同电极或传感器连接，或仪器同其他终端记录显示装置连接时，特别需要注意相互间的阻抗匹配。 动态特性 动态特性 只有很少的医学测量是不随时间变化或随时间缓慢变化的变 量，例如体温。大多数医学仪器必须处理的信号都是时间的函数。正是由于医学信号这种时变特性，使得我们需要考虑仪器的动态特性。连续系统的动态输入与动态输出的关系需要微分或积分方程来描述。许多工程上的仪器是可以用常系数线性常微分方程来描述的。 输入x(t)和输出y(t)的关系按下列方程确定： 式中常数a i(i=0,1,??n)和b j(j=0,1,??m)由系统的物理参数和电学参数决定。 动态特性 利用微分算子 ，我们可将此方程改写为： 利用拉普拉斯参量s代替D就可得到变换函数Y(s)和X(s) 的方程。绝大多数实用的仪器都是用零阶、一阶或二阶微分方程来描述的，即n=0,1,2。输入量的导数通常也不存在，因而m=0。 动态特性 输入量x(t)基本可分为瞬变性的、周期性的或随机性 的三种。虽然在具体应用中通常可能对x(t)提出振幅和频 率成分的限制，但却没有给出x(t)的一般限制条件。微分 方程的解和上面所述的输入量的类型有关。 阶跃函数是仪器最普通的瞬变输入；正弦函数是常用 的最普通的周期性函数，这是因为任何一个周期函数展开 为傅立叶级数后，都可近似的表示为正弦量之和；带限的 白噪声（均匀功率谱）是常用的随机输入，因为它可以用 来测试仪器对于一个特定频带内的全部频率的性能。 动态特性 传递函数 一台线性仪器或线性系统的传递函数用数学的形式表 示出输入信号与输出信号之间的关系。如果传递函数已知 ，那么对任意输入的输出就可以预先确定。运算传递函数 是指比率y(D)/x(D)，它是微分算子D的函数： 动态特性 这种形式的传递函数对瞬变输入特别有用。对于线性系统， 瞬变输入产生的输出只出现一次而不重复，所以通常直接表 示为时间的函数y(t)，它是这个微分方程的解。 只要用j?代替上述方程中的D，就可以得到线性系统的频 率传递函数： 通常，以零阶、一阶、二阶线性系统对正弦信号和阶跃信号输入的响应来表示常规下的医学仪器的动态特性。 动态特性 动态特性 1、零阶仪器 ? 如果除了a0和b0之外，ai和bj各值均为零，则可以得到微分方程的最简单的特殊形式： 则有： 静态灵敏度 式中用一个常数K代替了两个常数a0和b0。由于对所 有频率，输出都和输入成正比，因此不存在振幅和相位失 真。所以这种零阶仪器具有理想的动态特性。 动态特性 图 (a)线性 电位差计 (b)线性静 态特性 (c) 阶跃响 应正比于 输入 (d)正弦频 率响应是 零相移 动态特性 一阶仪器 如果仪器中含有单个储能元件，那么微分方程中就包含 y(t)的一阶导数： 还可用微分算子D表示为： ? 式中 K = b0/a0= 静态灵敏度， ? = a1/a0 =时间常数 动态特性 图 (a)一种 RC低通滤 波器 (b)恒定输 入的静态灵 敏度 (c) 大时间 常数的阶跃 响应 (d)大和小 的时间常数 的正弦频率 响应 动态特性 二阶仪器 二阶仪器需要用二阶微分方程来描述其动态特性： 很多医学仪器都是二阶或二阶以上的低通仪器。而且很 多高于二阶的仪器在采用某些假设加以简化后，也可以用二 阶特性近似表示。上式中的四个常数就可以简化为具有物理 意义的三个常数的方程。 动态特性 其中： K=b0/a0 = 静态灵敏度，即输出量与输入量之比。 = 无阻尼固有频率，单位为弧度/秒。 = 阻尼系数，无量纲。 动态特性 图 (a)力－ 测量弹簧计， 一个力与位 移二阶仪器 (b)静态灵 敏度 (c) 过阻尼 阶跃响应 (d)正弦稳 态频率响应 动态特性 时间延迟 时延经常在（电气的、机械的、水力的、气动的）传输线，磁带记录器以及数字信号处理电路中出现。通常时延是需要避免的，特别是在有反馈的仪器或