生物医学传感器-山东大学基础医学院生物医学工程学试验中心.PPT

医用传感器原理及应用 内容提要 1、医用传感器基础 2、生物电检测电极 3、常用医用物理传感器 4、化学传感器和生物传感器 5、传感器技术的发展与展望 §1 医用传感器基础 对传感器的定义： 中华人民共和国国家标准(GB7665—87)对传感器下这样的定义： 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。 国标中的定义强调了被测量按一定规律转换成可用输出信号，而且它给出了传感器的结构信息，即它通常由敏感元件和转换元件组成。 敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件。 转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出信号的部件，通常这种输出信号以电量的形式出现。 信号调节和转换电路是把传感元件输出的电信号转换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信号所涉及的有关电路。有人也称这一部分电路为信号调理电路。 医用传感器（Biomedical Sensors） 医用传感器，顾名思义，它是应用于生物医学领域的那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息，而它的输出常以电信号来表现，因此，医用传感器可以定义为：把人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。 人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来说有体内的（如血压等各类压力），也有体表的（如心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等） 医用学传感器的分类 传感器的分类方法多种多样，有按传感器的工作原理分的，有按输入信息的类型分的，也有按能量关系或输出信号类型分的。医学测量中往往按被测信号来分类，如脉搏传感器、呼吸波传感器等。 医用传感器按工作原理分类，大致可分为： 生物传感器 生理信号检测的特点 医用传感器用于人体生理信息检测时，具有以下主要特点： 被测量生理参数均为低频或超低频信息，频率分布范围在直流～300Hz。 生理参数的信号微弱，测量范围分布在uV～mV数量级。 被测量的信噪比低，且噪声来源可能是多方面的。由于人体是一导电体，体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰生理信息的检测。 人体是一有机整体，各器官功能密切相关，传感器所拾取信息往往是由多种参数综合而形成的。 医用传感器的数学模型 传感器的设计、制造和应用，均需要研究传感器的输入与输出的关系特性。 描述传感器的输入一输出关系的数学表达式被称为传感器的数学模型，通常从传感器的静态输入一输出和动态输入一输出关系两分面建立数学模型。 静态模型 静态模型是指静态信号（输入信号不随时间变化或变化缓慢）情况下，描述传感器的输出与输入量间的函数关系。在实际工程应用中，忽略蠕动效应和迟滞持性、它可以用多项式来表示为： 动态模型 动态模型是指传感器在准动态或动态信号（即输入信号随时间变化）作用下，描述其输出一输入关系的数学表达式。 要精确地建立传感器的动态数学模型较困难，工程上常利用近似方法，忽略次要因素。来简化动态模型的建立。 医用传感器的基本特性 医用传感器的基本特性是指传感器的输出与输入的关系特性，它是传感器应用的外部特性，但是传感器不同的内部结构参数影响或决定着它具有不同的外部特性。 医用传感器检测的生理信息，基本上有两种类型，即静态量和动态量。静态量是指不随时间变化或变化甚为缓慢的量(如体温)，动态量通常是周期性信号、瞬变或随机的信号(如心电、血压等)。 静态特性 静态特性表示传感器在被测生理量处于稳定状态时的输出与输入之间的关系特性，一般情况下，它呈现非线性关系。工程应用中，要求静态特性尽可能呈线性。 衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、零点漂移、温度漂移等。 线性度指传感器输出随输入变化的线性程度，它用输出量一输入量的实际关系曲线偏离直线的程度来表示。 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值。 迟滞特性是指传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程期间输出一输入曲线的不重合程度。迟滞是由传感器材料固有特性和机械上的不可避免的缺陷等原因产生的。 重复性是指传感器在同一工作条件下输入量按同一方向作全量程连续多次变动所得到特性曲线的不一致程度。产生重复性误差的原因同样是传感器内机械缺陷引起的，如材料内的摩擦、间隙、积尘等。 动态特性 传感器的动态特性是指传感器对激励(输入)的响应(输出)特性。具有良好的动态特性的传感器，在动态(快速变换)的输入信号作用下，不仅能精确地测量信号的帕值大小，而且能迅速准确地响应信号幅度变化和无失真地再现被测量信号随时间变化的波形。 对医用传感器的基本要求 医用传感器作为传感器的一个重要分支，其设计与应用必须考虑人体因素的影响，考虑生物信号的特殊性、复杂性，考虑生物医学传感器的生物相容性、可靠性、安全性。 1.传感器本身具