生物医学传感器原理及应用精.ppt

生物医学传感器原理及应用第1页，本讲稿共19页第一章 绪论第2页，本讲稿共19页第一节、传感器作用、定义一、传感器的作用控制系统信息获取（传感器）物理量（检测或控制对象）信息处理（电子、计算机、网络、通讯）执行器（电动、机械）人体动作五官大脑对象四肢第3页，本讲稿共19页传感器就是对被测（被控）对象提取有用信息，以供运算、传感器就是对被测（被控）对象提取有用信息，以供运算、识别、显示、控制等。它已是各应用领域特别是自动检测、自动识别、显示、控制等。它已是各应用领域特别是自动检测、自动控制系统不可缺少的重要技术工具，是首要环节。控制系统不可缺少的重要技术工具，是首要环节。如果没有传感器对原始数据进行精确可靠测量，那么，无论如果没有传感器对原始数据进行精确可靠测量，那么，无论是信号转换或信息处理，或最佳数据的显示和控制，都将成为一是信号转换或信息处理，或最佳数据的显示和控制，都将成为一句空话。没有传感器，信息技术和计算机技术就成为无水之源。句空话。没有传感器，信息技术和计算机技术就成为无水之源。传感器是整个信息产业的源头，是信息社会赖以存在和发展的传感器是整个信息产业的源头，是信息社会赖以存在和发展的物资基础物资基础。无论是计算机软、硬件，还是网络、通讯技术发展日新无论是计算机软、硬件，还是网络、通讯技术发展日新月异，传感器技术却大为滞后，日益成为信息技术发展的瓶月异，传感器技术却大为滞后，日益成为信息技术发展的瓶颈。究其原因，一是传感器的应用不尽如意，更重要的是传颈。究其原因，一是传感器的应用不尽如意，更重要的是传感器自身的发展滞后。这是由传感器本身特点所决定的。感器自身的发展滞后。这是由传感器本身特点所决定的。学习这门课的主要目的就是掌握传感器的基本原理、特学习这门课的主要目的就是掌握传感器的基本原理、特点及应用，为传感器设计、选型，系统组建打下基础。点及应用，为传感器设计、选型，系统组建打下基础。第4页，本讲稿共19页二、传感器定义传感器：传感器：能感受能感受规定规定的被测量，并按的被测量，并按一定规律一定规律转换为有转换为有一定精度一定精度、便于、便于处理的有用信号处理的有用信号的器件或装置的器件或装置。规定规定：被测对象具有很多物理特征，而通常仅测单一物理：被测对象具有很多物理特征，而通常仅测单一物理量。不仅由于传感器本身不宜感受多种物理量，而且对量。不仅由于传感器本身不宜感受多种物理量，而且对于测量某一具体物理量的传感器，其它物理量会产生影于测量某一具体物理量的传感器，其它物理量会产生影响（传感器输出），从而造成误差，即干扰。传感器性响（传感器输出），从而造成误差，即干扰。传感器性能的一个重要技术指标就是抗干扰能力。能的一个重要技术指标就是抗干扰能力。对于不同传感器，其主要干扰源不尽相同，通常干扰有对于不同传感器，其主要干扰源不尽相同，通常干扰有温度、湿度、加速度、振动、光、电磁等等温度、湿度、加速度、振动、光、电磁等等。第5页，本讲稿共19页一定规律一定规律：传感器的输入是被测量（机械量、化学量等），输出则：传感器的输入是被测量（机械量、化学量等），输出则是电参量（电阻、电感、电容、频率、相位、电压、电流）。要通是电参量（电阻、电感、电容、频率、相位、电压、电流）。要通过传感器的输出推算出输入，则必须两者间有确定的函数关系，即过传感器的输出推算出输入，则必须两者间有确定的函数关系，即确定的规律。确定的规律。通常希望成简单的线性关系，即：通常希望成简单的线性关系，即：Y=kX。大多数遵从这一线。大多数遵从这一线性关系。但也有例外，如倾角的测量性关系。但也有例外，如倾角的测量。第6页，本讲稿共19页便于处理的有用信号便于处理的有用信号：传感器的输出送至计算机、显示器或：传感器的输出送至计算机、显示器或执行器中，这些设备信号通常是电信号，故传感器的输出一执行器中，这些设备信号通常是电信号，故传感器的输出一般为电信号。当然，从长远观点来看，输出为光信号也许更般为电信号。当然，从长远观点来看，输出为光信号也许更为有利。为有利。传感器的输入（被测物理量）通常是非电量，故传感器传感器的输入（被测物理量）通常是非电量，故传感器测量又称为非电量检测。当然被测物理量也可以是电量，如测量又称为非电量检测。当然被测物理量也可以是电量，如电量传感器（强电流、电压频率、相位、功率的测量）。电量传感器（强电流、电压频率、相位、功率的测量）。第7页，本讲稿共19页三、传感器的应用u传感器是现代信息社会的基础，可以说是无处不在。传感器是现代信息社会的基础，可以说是无处不在。u日常生活：冰箱、洗衣机、空调、电子血压计日常生活：冰箱、洗衣机、空调、电子血压计u工业生产：压力、成份、力、温度、流量、位移工业生产：压力、成份、力、温度、流量、位移u信息技术：光驱、鼠标、解码、译码信息技术：光驱、鼠标、解码、译码u医疗卫生：医疗卫生：B B超、超、CTCT、温度仪温度仪u军事技术：陀螺仪、速度、加速度、定位军事技术：陀螺仪、速度、加速度、定位u科学研究：磁场强度、高度、频率科学研究：磁场强度、高度、频率第8页，本讲稿共19页四、传感器组成将一种非电量转换成另一种便于转换的物理量非电量转换成电量敏感元件转换元件调理电路各种物理效应电源第9页，本讲稿共19页敏感元件：敏感元件：通过弹性敏感元件将一种物理量转化为另一种通过弹性敏感元件将一种物理量转化为另一种物理量。如力转换为位移、应变，位移转换为力。正是由于物理量。如力转换为位移、应变，位移转换为力。正是由于敏感元件的转换，同一物理量可以由多种原理的传感器检测，敏感元件的转换，同一物理量可以由多种原理的传感器检测，不同的物理量可以由同一原理传感器检测。因此不同的物理量可以由同一原理传感器检测。因此应掌握各种应掌握各种原理传感器的特点原理传感器的特点。转换元件：通过各种物理效应，将非电量转换为电量。有时转换元件：通过各种物理效应，将非电量转换为电量。有时敏感元件和转换元件是同一元件，如压阻式压力传感器。敏感元件和转换元件是同一元件，如压阻式压力传感器。电源：用于转换元件和调理电路所需的电源。电源：用于转换元件和调理电路所需的电源。调理电路：传感器输出为电参量，而接收信号的计算机等输调理电路：传感器输出为电参量，而接收信号的计算机等输入信号为数字信号或标准的电流、电压信号。因此，需调理电入信号为数字信号或标准的电流、电压信号。因此，需调理电路将电参量转换为所需的标准电信号。路将电参量转换为所需的标准电信号。敏感元件、转换元件、调理电路转换时，需有一定精度。敏感元件、转换元件、调理电路转换时，需有一定精度。第10页，本讲稿共19页五、传感器技术特点u内容广且离散：由于传感器直接与被测对象联系，其量程、环境、内容广且离散：由于传感器直接与被测对象联系，其量程、环境、所测物理量不尽相同，原理、安装形式、适用范围多种多样。所测物理量不尽相同，原理、安装形式、适用范围多种多样。u知识密集程度高、边缘学科色彩浓知识密集程度高、边缘学科色彩浓u技术、工艺复杂技术、工艺复杂因此本课程特点是：内容离散、整体逻辑性不强。因此本课程特点是：内容离散、整体逻辑性不强。但共同之处在于：掌握每种传感器原理、特点及应用，以及但共同之处在于：掌握每种传感器原理、特点及应用，以及处理电路、抗干扰能力等。处理电路、抗干扰能力等。第11页，本讲稿共19页六、发展现状 传感器面对的是千差万别的具体对象，同一物理量可以用不同传感器传感器面对的是千差万别的具体对象，同一物理量可以用不同传感器进行检测，由于干扰、环境、温度、湿度等环境不同，以及安装方式、体进行检测，由于干扰、环境、温度、湿度等环境不同，以及安装方式、体积大小、精度、可靠性的要求不同，故传感器很难大规模生产，从业人员积大小、精度、可靠性的要求不同，故传感器很难大规模生产，从业人员较少、种类繁多，日益成为现代信息技术瓶颈。较少、种类繁多，日益成为现代信息技术瓶颈。第12页，本讲稿共19页七、发展趋势u智能传感器（智能传感器（intelligent transducer,smart structure)u集成化（硅传感器）集成化（硅传感器）u微型化（微型化（MEMS）u高精度、宽量程，多用途高精度、宽量程，多用途u新效应、新原理传感器（新效应、新原理传感器（Z效应、化学、图像、生物传感器）效应、化学、图像、生物传感器）u多参数、面、空间量传感器多参数、面、空间量传感器u多传感器融合多传感器融合第13页，本讲稿共19页八、传感器分类八、传感器分类1、按被测对象、按被测对象2、按原理、按原理3、按原理、按原理+被测对象被测对象第14页，本讲稿共19页第二节、生物医学传感器概述一、生物医学传感器特殊性一、生物医学传感器特殊性生物医学传感器同过程控制传感器一样，是利用各种物理、生物医学传感器同过程控制传感器一样，是利用各种物理、化学、生物效应制成的。但由于应用对象（人体）不同，需考化学、生物效应制成的。但由于应用对象（人体）不同，需考虑可靠性、安全性、生物体相容性，以及对象（人体）对传感虑可靠性、安全性、生物体相容性，以及对象（人体）对传感器的干扰等因素。器的干扰等因素。1、为了准确测量、减小干扰，通常将物理量直接作用于传、为了准确测量、减小干扰，通常将物理量直接作用于传感器上，即接触测量。感器上，即接触测量。接触测量会使接触测量会使 a.人体产生不适；人体产生不适；b.人体内产生应急反应，从而改变被测部位的状态，影响被测人体内产生应急反应，从而改变被测部位的状态，影响被测量的真实性。量的真实性。因而通常采用非接触测量因而通常采用非接触测量第15页，本讲稿共19页非接触测量非接触测量：传感器不与被测介质直接接触。：传感器不与被测介质直接接触。非接触测量特点非接触测量特点：不会破坏被测介质的状态，但易受环境：不会破坏被测介质的状态，但易受环境的影响，信号中干扰成份多，需进行信号处理以去除干扰。的影响，信号中干扰成份多，需进行信号处理以去除干扰。2、为能检测生物体局部信息，又使对生物体的侵扰减小到、为能检测生物体局部信息，又使对生物体的侵扰减小到足够低的程度，发展了体内（植入式、部份插入式）传感器，足够低的程度，发展了体内（植入式、部份插入式）传感器，这相应需考虑体积、能量信号传输方式、材料的生物相容性、这相应需考虑体积、能量信号传输方式、材料的生物相容性、安全性等。安全性等。3、生物信号特点是微弱、低频、背景噪声大，要求传感器有较强的、生物信号特点是微弱、低频、背景噪声大，要求传感器有较强的抗干扰能力。抗干扰能力。4、应充分考虑生物体的特性、应充分考虑生物体的特性5、需适应多和环境和使用对象。、需适应多和环境和使用对象。第16页，本讲稿共19页二、生物医学传感器的应用u1、检测生物体的信息，相当于医生的五官，使临床诊断由定性发展到定量，如中医的“四诊”量化。u监护u控制第17页，本讲稿共19页三、分类u普通传感器分类u生物医学传感器原理被测对象原理被测对象物理传感器化学传感器生物传感器按生物识别器件按二次传感器件第18页，本讲稿共19页作业1、详细阐述传感器定义，并举若干实用例子。2、Page 9 1-3、1-4第19页，本讲稿共19页