第一篇：《生物醫學傳感器原理及應用》考試大綱

《生物醫學傳感器原理及應用》考試大綱

一、考試要求：

課程要求：掌握生物醫學傳感器基本原理、靜態和動態模型和分析計算理論方法；掌握生物醫學傳感器基本分類和應用；能動手設計基本的物理傳感器并分析其機理和提出應用解決方案。

答題要求：答題，思路清晰，條理清楚，按技術點給分。

二、考試內容：

1、傳感器的基本概述（傳感器定義，基本參數，發展概況）；

2、檢測技術數據處理基礎，主要包括最小二乘原理的數據擬合方法；

3、傳感器特性靜態特性，靜態特性指標；

4、傳感器動態特性，動態模型的數學表示，包括：傳遞函數，動態響應，傳感器的其他基本常識（噪聲，干擾，對系統的影響）；

5、壓電式傳感器：超聲換能器，壓電效應，逆壓電效應，超聲醫學儀器的應用；

6、壓阻式傳感器：壓阻效應以及壓阻系數，壓阻器件，相關電路；

7、電磁式傳感器，熱電式傳感器，電阻傳感器各自的原理，特點和相互關系；

8、電容、電阻式傳感器及其特點和相互關系；

9、生理參數測量中實際的傳感器應用，如：血壓測量，心音測量，多普勒血流測量，溫度測量；

10、運用上述傳感器原理綜合設計數字醫療儀器設計應用中信息檢測傳感裝置，并分析其特點。

三、考試題型：

名詞解釋（20%）、計算題（30%）、分析題（30%）、綜合設計題（20%）；括號內為該題型大約占比，實際分值以考題為準。

四、參考書目：

《生物醫學傳感器原理及應用》，彭承琳主編，高等教育出版社，2000。

第二篇：傳感器原理與應用

傳感器原理與應用（專業限選課）

Principle and Application of Sensor

【課程編號】XZ260111

【學分數】2

【學時數】24+6+9（實驗課時）【課程類別】專業限選 【編寫日期】2010.3.30 【先修課程】電路分析、模電、數電

【適用專業】電子信息工程類

一、教學目的、任務

《傳感器原理和應用》是電子及自動化專業的一門專業課。它有較強的實際應用價值。通過學習本課程使學生掌握各類傳感器的基本原理、主要性能及其結構特點；能合理地選擇和使用傳感器； 掌握常用傳感器的工程設計方法和實驗研究方法；了解傳感器的發展動向。

二、課程教學的基本要求

現代信息產業的三大支柱是傳感器技術﹑通信技術和計算機技術，它們分別構成了信息系統的“感官”、“神經”和“大腦”。在機械工程中,傳感器對于機械電子、測量、控制、計量等領域都是必不可少的獲取信息的關鍵部件。

鑒于上述認識并考慮學科特色,在本課程有限學時內,要求學生重點掌握下列幾方面的知識：⑴傳感器的基本概念﹑術語和特性；⑵常用傳感器的原理、結構和應用；⑶傳感器測量電路；⑷傳感器的典型應用。

三、教學內容和學時分配

第1章 傳感與檢測技術的理論基礎自學

主要內容：

1.1測量概論

1.2測量數據的估計和處理

教學要求：

了解測量的基本概念，測量系統的特性，測量誤差及數據處理的各種方法。

第2章 傳感器概述2學時

2.1傳感器的組成與分類

2.2傳感器的基本特性

教學要求：

熟悉傳感器的輸出--輸入特性與內部結構參數有關的外部特性，掌握其靜態特性，動態特性的分析方法。

第3章 應變式傳感器4學時

主要內容：

3.1 工作原理

3.2 應變片的種類、材料及粘貼

3.3 電阻應變片的特性

3.4 電阻應變片的測量電路

3.5 應變式傳感器的應用

教學要求：

熟悉應變片傳感器的工作原理及外部特性，了解其應用范圍，掌握測量電路的分析方法。其它教學環節：實驗一應變片性能測試實驗3學時

實驗性質：驗證性實驗

實驗內容：金屬箔式應變片性能——單臂電橋、半橋和全橋。

實驗目的與要求：掌握使用金屬箔式應變片組成單臂電橋、半橋和全橋的方法，了解在不同電路

形式時電路的輸出特性。

注意要點：確保接線正確，電源電壓不能用錯。

第4章 電感式傳感器3 學時

主要內容：

4.1自感式電感傳感器

4.2差動變壓器式傳感器

4.3電渦流式傳感器

教學要求：

了解電感式傳感器的應用范圍，工作特點，掌握其組成的各種測量電路的分析方法及組成特點。其它教學環節：實驗二電渦流式傳感器的靜態位移性能3學時

實驗性質：設計性實驗

實驗內容：電渦流式傳感器的工作原理和工作情況，動手自制一個渦流探頭，利用實驗室放大器

及振蕩器對不同被測材料（即混料）進行分選。

實驗目的與要求：研究電渦流傳感器特性，被測材料（物質）對傳感器的特性的影響以及電渦流

傳感器的應用。

注意要點：確保接線正確，激勵、響應線圈不能用錯。

第5章電容式傳感器3 學時

主要內容：

5.1電容式傳感器的工作原理和結構

5.2電容式傳感器的靈敏度及非線性

5.3電容式傳感器的等效電路

5.4電容式傳感器的測量電路

5.5電容式傳感器的應用

教學要求：

熟悉電容式傳感器的工作原理及結構，掌握其在非電量測量與自動檢測中的應用。

其它教學環節：實驗三 變面積式電容傳感器的性能1學時

實驗性質：驗證性實驗

實驗內容：變面積式電容傳感器的工作原理和工作情況。

實驗目的與要求：熟悉變面積式電容傳感器的工作原理和工作情況；研究差動式電容傳感器特性。注意要點：確保接線正確，電源電壓不能用錯。

第6章 壓電式傳感器3 學時

主要內容：

6.1壓電效應及壓電材料

6.2 壓電式傳感器測量電路

6.3 壓電式傳感器的應用

教學要求：

了解壓電式傳感器具有的特點及其應用范圍，掌握其組成的測量電路分析及應用。

第7章 磁電式傳感器4學時

主要內容：

7.1磁電感應式傳感器

7.2 霍爾式傳感器

教學要求：

掌握磁電式傳感器的各種不同類型及應用范圍。

其它教學環節：實驗四 霍爾傳感器特性研究及應用2學時

實驗性質：驗證性實驗

實驗內容：霍爾傳感器在交、直流信號激勵下的特性。

實驗目的與要求：了解霍爾傳感器的結構和工作原理；實驗研究霍爾傳感器在交、直流信號激勵

下的特性；掌握霍爾傳感器測量振幅和稱重應用的實驗方法。

注意要點：確保接線正確，電源電壓不能超出規定值。

第8章 光電式傳感器3 學時

主要內容：

8.1光電器件

8.2光纖傳感器

教學要求：

熟悉典型的光電器件的特性和應用，了解光纖傳感器及其技術發展方向，掌握紅外傳感器的應用。

第9章 半導體傳感器2學時

主要內容：

9.1半導體氣敏傳感器

9.2濕敏傳感器

9.3色敏傳感器

9.4半導體式傳感器的應用

教學要求：

了解以半導體材料組成的各種傳感器及其它們的工作原理，掌握氣敏、濕敏、色敏傳感器在測量電路中的應用及其電路分析。

第10章 超聲波傳感器2學時

主要內容：

10.1超聲波及其物理性質

10.2超聲波傳感器

10.3超聲波傳感器應用用

教學要求：

熟悉超聲波傳感器的工作原理及其物理性質，掌握超聲波傳感器的應用。

第11章 微波傳感器1學時

主要內容：

11.1微波概述

11.2微波傳感器的原理和組成11．3微波傳感器的應用

教學要求：

了解壓電式傳感器具有的特點及其應用范圍，掌握其組成的測量電路分析及應用。

第12章 輻射式傳感器1 學時

主要內容：

12.1紅外傳感器

12.2核輻射傳感器

教學要求：

了解輻射式傳感器的特性及應用。

第13章 數字式傳感器自學

主要內容：

13.1光柵傳感器

13.2編碼器

13.3感應同步器

教學要求：

了解數字式傳感器的特點及應用。

第14章 智能式傳感器自學

主要內容：

14.1概述

14.2傳感器的智能化

14.3集成智能傳感器

教學要求：

了解集成智能感器的特性及應用。

第15章 傳感器在工程檢測中的應用4學時

主要內容：

15.1溫度測量

15.2壓力測量

15.3流量測量

15.4物位測量

教學要求：

了解熱電偶的結構和原理、熱電效應的構成成份。掌握熱電偶的基本定律、冷端補償方法、測量計算方法。了解熱電阻的工作原理、結構，掌握應用方法。了解傳感器在工程檢測中的作用及其應用。

四、教學重點、難點及教學方法

重點：各種常見的、應用廣泛的傳感器的基本原理、基本特性、轉換電路以及工程應用，及分析、設計方法。以課堂講授為主，通過實驗加深對所學各類傳感器的性能及工作原理理解。

難點：各種傳感器的特性分析。

五、考核方式及成績評定方式：

考核方式：考查，六、教材及參考書目

推薦教材：

《傳感器原理及工程應用》（第三版），郁有文等編著，西安科技大學出版社，2008年參考書：

1．王化祥，《傳感器原理與應用》，天津大學出版社，第七版，2003

3．劉君華，《智能傳感器系統》，西安電子科技大學出版社，第一版，1999

4．單成祥，《傳感器的理論與設計基礎及其應用》，國防工業出版社，1999

4．趙負圖，《現代傳感器集成電路》，人民郵電出版社，2000

修（制）訂人：審核人：

2010年 3 月30日

第三篇：壓電傳感器原理及其應用

壓電傳感器原理及其應用

摘要：壓電式傳感器，作為傳感器的一種，它具有自己鮮明的特點。而且除了一些自然界中的晶體材料外，我們還有人工材料壓電陶瓷。它們的應用也十分的廣泛，在聲學、醫學、力學、宇航、振動測量、機械沖擊都有不錯的涉及。

關鍵字： 壓電傳感器

壓電原理

應用

壓電現象是100多年前居里兄弟研究石英時發現的。居里兄弟在研究熱電性與晶體對稱，發現正負電荷，而且電荷密度與壓力大小成正比。居里兄弟所報道的這些晶體就有后來廣為研究的鐵電體酒石酸鉀鈉（羅息鹽）。1881年，應用熱力學原理預言了逆壓電效應，即電場可以引起與之成正比的應變。很快這一預言被居了里兄弟用實驗所證實了。自發現壓電效應以來，這種類型的壓電傳感器就廣泛應用于各個領域。經過多年的發展，壓電傳感器的材料、結構設計和工藝都有了很大的進步。而這些對改善傳感器的性能起到了至關重要的作用。

一． 壓電傳感器的工作原理

1.壓電原理

一些離子型晶體的電介質（如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等）不僅在電場力作用下，而且在機械力作用下，都會產生極化現象。即：在這些電介質的一定方向上施加機械力而產生變形時，就會引起它內部正負電荷中心相對轉移而產生電的極化，從而導致其兩個相對表面（極化面）上出現符號相反的束縛電荷，且其電位移D（在MKS單位制中即電荷密度σ）與外應力張量T成正比；當外力消失，又恢復不帶電原狀；當外力變向，電荷極性隨之而變。這種現象稱為正壓電效應，或簡稱壓電效應。

基于壓電效應人們研究出一種可以自發電式和機電轉換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產生電荷。此電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態測量，因為經過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態的應力。2.壓電材料

在自然界中，大多數的材料都具有壓電效應，但是十分微弱。隨著人們對壓電材料的不斷研究與發現，壓電材料性能得以大大的提高。新型壓電材料的研制成功極大地推動了壓電傳感器的進步。從最開始的石英到BaTi03壓電陶瓷，錯欽酸鉛(PZT)壓電陶瓷，再到壓電聚合物如聚偏二氟乙烯(PVDF)等新型壓電材料。單晶技術的進展培育了許多實用化的壓電材料，薄膜工藝的進展為壓電器件的平面化、集成化創造了條件。壓電材料的這一系列進步為設計大量高性能的壓電元件提供了技術保障。

二． 壓電傳感器的應用及發展

1.壓電式測力傳感器

壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現力-電轉換的傳感器，在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩定性高，動態特性好。當采用大時間常數的電荷放大器時，可測量準靜態力。按測力狀態分，有單向、雙向和三向傳感器，它們在結構上基本一樣。例如壓電式單向測力傳感器。該傳感器適用于機床動態切削力的測量。主體包括絕緣套.基座.電極.石英晶片.上蓋。絕緣套用來絕緣和定位。基座內外底面對其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴格的要求，否則會使橫向靈敏度增加或使片子因應力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環境下進行裝配，加蓋之后用電子束封焊。2.壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質如石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。

電荷輸出壓電加速度傳感器，采用剪切和中心壓縮結構形式。其原理利用壓電晶體的電荷輸出與所受的力成正比，而所受的力在敏感質量一定的情況下與加速度值成正比。在一定條件下，壓電晶體受力后產生的電荷量與所感受到的加速度值成正比。

國內在壓電加速度傳感器方面的研究起步較晚，且結構設計和工藝水平落后于國外。目前國內壓電傳感器的主要結構是中心壓縮型，較好的高沖擊壓電加速度傳感器(中心壓縮型)樣機的主要技術指標為:最大沖擊加速度100,000g，最高頻響8kHz。在壓電加速度傳感器的研制方面，北戴河億柏傳感器技術研究所和西安204所做得較好。3.壓電傳感器用于報警裝置

玻璃破碎報警裝置它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產生的振動波。傳感器把振動波轉換成電壓輸出，輸出電壓經放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統。玻璃破碎時會發出幾千赫茲至幾十千赫茲的振動，使用時將高分子壓電薄膜傳感器粘貼在玻璃上，感受這一振動，然后通過電纜和報警電路相連，將壓電信號傳送給集中報警系統。為了提高報警器的靈敏度，信號經放大后，再經帶通濾波器進行濾波，要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。玻璃振動的波長在音頻和超聲波的范圍內，這就使濾波器成為電路中的關鍵。只有當傳感器輸出信號高于設定的閾值時，才會輸出報警信號，驅動報警執行機構工作。玻璃破碎報警器可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其他商品柜臺保管等場合 4.壓電陶瓷應用

壓電陶瓷具有極高的靈敏度，壓電高壓發生器利用正壓效應可以把振動轉換成電能，還可以獲得高電壓輸出。這種獲得高電壓的方法可以用來做引燃裝置，如給汽車火花塞、煤氣灶、打火機、炮彈的引爆壓電雷管等點火。

壓電傳感器發展迅速，當今世界各國壓力傳感器的研究領域也十分廣泛。歸納起來主要有以下幾個趨勢。（1）小型化。小型化會帶來很多好處，重量輕、體積小、分辨率高，便于安裝 在很小的地方對周圍器件影響小，也利于微型儀器、儀表的配套使用。（2）集成化。壓力傳感器已經越 來越多的與其它測量用傳感器集成以形成測量 和控制系統，集成系統在過 程控制和工廠自動化中可以提高操作速度和效率。（3）智能化。由于集成化的出現，在集成電 路中可添加一些微處理器，使得傳 感器具有自動補償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。（4）系統化。單一化產品在市場上沒有大的競爭力。市場風云突變，一旦失去 市場，發展則停滯不前，經濟效益差，資金浪費大，產品成本高。（5）標準化。傳感器的設計與制造已經形成了一定的行業標準。如 IEC、ISO 國際標準，美國的 ANSIC、ANSC、MIL-T 和 ASTME 標準，日本 JIS 標準，法國 DIN 標準。

三、總結

壓電式傳感器，作為傳感器的一種，它具有自己鮮明的特點。而且除了一些自然界中的晶體材料外，我們還有人工材料壓電陶瓷。它們的應用也十分的廣泛，在聲學、醫學、力學、宇航、振動測量、機械沖擊都有不錯的涉及。

但是，壓電傳感器在擁有眾多優點的同時，也存在著許多缺點，展望今后的研究重點，可能會有以下幾個方面：(1)從研究的成果來看，理論研究離工程實用還有一定的差距，工程實用化方面研究也相當薄弱，具體表現在理論及仿真研究較多，而實驗驗證相對較少，研究對象以簡單的梁板結構較多，對復雜結構的研究還相當欠缺。(2)壓電元件非線性特性的研究。由于壓電材料的極化特性，壓電系統只能在一定范圍內滿足近似的線性要求，并容易受外界多種環境的影響。非線性特性的存在使壓電元件重復性差、檢測精度低，瞬態位置響應速度慢，可控性變差，成為壓電元件進一步工程應用的主要障礙之一。為減小這種非線性特性所造成的不良影響，更好地發揮壓電元件的性能，國內外很多科研機構從壓電元件非線性特性形成機理、外環及內環非線性特性及控制方法等方面開展了相關研究。(3)壓電材料的壓電特性有待于進一步提高，這使得壓電材料的應用受到極大限制。各國學者正在努力開發，一旦找到一種優異的壓電材料，將會取代傳統的、笨重的機電換能設備，如電動機、馬達等。到那時，壓電研究將會全方位地發展，甚至可能影響到我們生活的各個方面。我相信隨著科技的發展，人工材料會制作的更加完美，壓電式傳感器會更加適合人們的要求。壓電式傳感器和科技將會互相推動互相發展。

第四篇：淺談生物醫學信號及傳感器

淺談生物醫學信號及傳感器

導論：

人體存在高度精密而復雜的生物信號，每一種信號都在傳遞著身體的工作狀態，器官機能是否正常，呼吸、循環系統是否健全，人體是否處于一種健康狀態……隨著信息科技的發展，在醫學研究領域，產生了“高端”的醫生，它們通過接收人體信號，對人體信息進行檢測，實現疾病的診斷和防治。

生物醫學傳感器好比人的五官，人通過五官，即眼（視覺）、耳（聽覺）、鼻（嗅覺）、舌（味覺）和四肢（觸覺）感知和接受外界信息，然后通過神經系統傳遞給大腦進行加工處理。傳感器則是一個測量控制系統的“電五官”，他感測到外界的信息，然后送給系統的處理器進行加工處理。如果一個系統沒有傳感器，就相當于人沒有五官。

生物醫學信號處理是生物醫學工程學的一個重要研究領域，也是近年來迅速發展的數字信號處理技術的一個重要的應用方面，正是由于數字信號處理技術和生物醫學工程的緊密結合，才使得我們在生物醫學信號特征的檢測、提取及臨床應用上有了新的手段，因而也幫助我們加深了對人體自身的認識。

生物醫學傳感器的認識

一、定義

我們定義：傳感器是能感受（或響應）規定的被測量并按照一定規律轉換成可用信號輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應于被測量的敏感元件和產生可用信號輸出的轉換元件以及相應的電子線路組成。也可把傳感器狹義地定義為：能把外界非電信號轉換成電信號輸出的器件或裝置。

二、分類

生物醫學傳感器是一類特殊的電子器件，它能把各種被觀測的生物醫學中的非電量轉換為易觀測的電量，擴大人地感官功能，是構成各種醫療分析和診斷儀器與設備的關鍵部件。我們將生物醫學傳感技術中常用的傳感器按被觀測的量劃分為以下三類：

（1）物理傳感器：用于測量和監護生物體的血壓、呼吸、脈搏、體溫、心音、心電、血液的粘度、流速和流量等物理量的檢測。

（2）化學傳感器：用于生物體中氣味分子，體液（血液、汗液、尿液等）中的PH值，氧和二氧化碳含量（pO2、pCO2），Na+、K+、Ca2+、Cl-以及重金屬離子等化學量的檢測。

（3）生物傳感器：用于生物體中組織、細胞、酶、抗原、抗體、受體、激素、膽酸，乙酰膽堿、五羥色胺等神經遞質，DNA與RNA以及蛋白質等生物量的檢測。

傳感器按尺寸劃分有：常規傳感器（毫米級，可用于組織檢測），微型傳感器（微米級，可用于細胞檢測）和納米傳感器（納米級，可用于細胞內檢測）。

三、對傳感器的性能要求：

（1）有較高的靈敏度和信噪比。

靈敏度高時，輸入較小的信號即可產生較大的輸出信號。傳感器輸出信號電壓與噪聲電壓之比稱為信噪比。信噪比越高，說明獲得的有用的輸出信號就越大，信噪比越小，信號與噪聲越難分辨，嚴重時將出現信號被噪聲淹沒的現象，無法獲得有用的信號，測量無效。

（2）有良好的線性和較高的響應速度

線性好是指傳感器的輸出信號在規定的工作范圍內與輸出信號成比例關系，而不產生信號非線性失真。響應速度快表明輸出和輸入的延遲時間短、實時性好。

（3）重復性、一致性和選擇性好

重復性好是指傳感器反復使用，其性能不變。一致性好是指傳感器的互換性強，在生產與修理中尤為重要。選擇性好是指傳感器只對確定目標的變量有響應，不受其他變量的影響。

（4）化學、物理性能好

傳感器必須與人體的化學成分相容，既不會腐蝕也不會給人體帶來毒性。傳感器的形狀、尺寸和結構應與待測部位的解剖結構相適應，對被測對象的影響要小，使用時應不損傷組織。

（5）電氣安全性好

傳感器要與人體有足夠的電絕緣，即使在傳感器損傷的情況下，人體收到的電擊也應在安全之下。

（6）操作性好

傳感器應操作簡單、維護方便、便于消毒。

生物醫學傳感器的意義

隨著生物傳感技術的不斷發展，生物傳感器必將在醫學領域掀起一股熱潮。

（1）生物傳感器采用固定化生物活性物質作催化劑，價值昂貴的試劑可以重復多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學分析繁瑣復雜的缺點。因此，這一技成本低，在連續使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣，術在很大程度上減輕病患醫療費用上的負擔。（2）生物傳感器專一性強，只對特定的底物起反應，而且不受顏色、濁度的影響，準確度高，一般相對誤差可以達到1％；分析速度快，可以在一分鐘得到結果。因此，這一技術應用于醫學上不僅提高了檢測結果的準確性，更是縮短了整個過程所需的時間，進一步提供了救治病人的先機。

（3）操作系統比較簡單，容易實現自動分析。在臨床中，許多操作對于病患來說是痛苦的，若能很好的利用生物傳感器的這一特點，我相信將為他們減少很多的痛苦。

當前各種利用生物傳感技術開發的儀器也已問世，但是在應用上還有許多技術需要深入研究。診斷各種疾病的醫用傳感器，還有待于引深研發，例如谷氨酸傳感器是一種穩定的脫氫酶、轉氨酶、血氨的指示性傳感器，它在臨床急癥室等許多場合可取代光度法測定，有潛在應用前景；測定胸外科病人乳酸指標的生物傳感器也已開始應用,與腎透析聯用的幾種生物傳感器也有產業化開發價值。今后這些生物傳感器將逐漸得到普及，給廣大病患帶來更多的福音。

生物醫學信號

生物醫學信號有一維、二維之分一般而言, 將一維信號稱為信號, 二維信號稱為圖像自然界廣泛存在的生物醫學信號是連續的, 由于計算機巨大的計算能力, 一般先用轉換器將

連續信號轉換成數字信號, 然后在計算機內用各種方法編制成的軟件進行分析處理限于篇幅, 這里只論一維生物醫學信號的處理方法。

信號處理的領域是相當廣泛而又深人的, 已在不同程度上滲透到幾乎所有的醫療衛生領域從預防醫學、基礎醫學到臨床醫學, 從醫療、科研到健康普查, 都已有許多成功的例子如心電圖分析, 腦電圖分析, 視網膜電圖分析, 光片處理, 圖像重建, 健康普查的醫學統計, 疾病的自動診斷, 細胞、染色體顯微圖像處理, 血流速度測定, 生物信號的混沌測量等等。

一、生物醫學信號特點

（1）信號弱：直接從人體中檢測到的生理電信號其幅值一般比較小。如從母體腹部取到的胎兒心電信號僅為10～50μV，腦干聽覺誘發響應信號小于1μV，自發腦電信號約5～150μV，體表心電信號相對較大，最大可達5mV。

因此，在處理各種生理信號之前要配置各種高性能的放大器。

（2）噪聲強：噪聲是指其它信號對所研究對象信號的干擾。如電生理信號總是伴隨著由于肢體動作、精神緊張等帶來的干擾，而且常混有較強的工頻干擾；誘發腦電信號中總是伴隨著較強的自發腦電；從母腹取到的胎兒心電信號常被較強的母親心電所淹沒。這給信號的檢測與處理帶來了困難。

因此要求采用一系列的有效的去除噪聲的算法。

（3）頻率范圍一般較低：經頻譜分析可知，除聲音信號（如心音）頻譜成分較高外，其它電生理信號的頻譜一般較低。如心電的頻譜為0.01～35Hz，腦電的頻譜分布在l～30Hz之間。

因此在信號的獲取、放大、處理時要充分考慮對信號的頻率響應特性。

（4）隨機性強：生物醫學信號是隨機信號，一般不能用確定的數學函數來描述，它的規律主要從大量統計結果中呈現出來，必須借助統計處理技術來檢測、辨識隨機信號和

估計它的特征。而且它往往是非平穩的，即信號的統計特征（如均值、方差等）隨時間的變化而改變。這給生物醫學信號的處理帶來了困難。

因此在信號處理時往往進行相應的理想化和簡化。當信號非平穩性變化不太快時，可以把它作為分段平穩的準平穩信號來處理；如果信號具有周期重復的節律性，只是周期和各周期的波形有一定程度的隨機變異，則可以作為周期平穩的重復性信號來處理。更一般性的方法是采用自適應處理技術，使處理的參數自動跟隨信號的非平穩性而改變。

二、生物醫學信號的檢測方法

（1）AEV方法

AEV方法原是通信研究中用于提高信噪比的一種疊加平均法, 在醫學研究中也叫平均誘發反應法,簡稱方法所謂誘發反應是指肌體對某個外加刺激所產生的反應,AEV方法常用來檢測那些微弱的生物醫學信號如希氏束電圖、腦電圖、耳蝸電圖等希氏束電圖的信號幅度僅一拼, 它們在用丫方法檢測出之前, 幾乎或完全淹沒在很強的噪聲中, 這些噪聲包括自發反應, 外界干擾, 儀器噪聲方法要求噪聲是隨機的, 并且其協方差為零, 信號是周期或可重復產生的, 這樣經過平方次疊加, 信噪比可提高N倍, 使用方法的關鍵是尋找疊加的時間基準點。

（2）生物醫學信號的混沌測量

傳統的測量技術以線性方法為主, 強調的是穩定、平衡和均勻性而非線性系統是在不穩定、非平衡的狀態中提取信息、處理信息, 從而顯示它特有的優點混沌用于測量閉可以說是一種嘗試, 也許人們很難想象一個極不穩定的混沌系統能進行精確的測量, 可是生物的感覺器官就是極不穩定的混沌系統, 其檢測靈敏度卻遠遠超出目前的科技水平, 這是一個全

混沌系統的最大特點是初值敏感性和參數敏感性, 即所謂蝴蝶效應混沌測量的基本思路就是把蝴蝶效應倒過來應用將敏感元件作為混沌電路的一部分, 其敏感參數隨待測量變化而變化, 并使系統的混沌軌道變化, 測出餛沌軌道的變化就可得到待測量, 這是一種不同于傳統測量的新方法。

三、生物醫學信號的處理方法

簡單的信號處理是建立在線性時不變系統理論基礎上的，這種理論只適用于平穩信號的處理，非平穩信號是多種多樣的。其中有一種是均值緩慢變化而方差不變的信號。由于生物體對處界刺激的適應能力，生物體在接受外界刺激的適應過程中產生的生物信號就具有這樣的特點。均值變化的規律稱為趨勢函數，一旦從這類信號中除去趨勢函數，信號就變成了平穩的。因而在分析這種信號時，首先應進行消除趨勢函數處理；另一類非平穩的信號可近似地看成是分段平穩的。腦電信號常具有這個特點，因為腦電信號隨著精神狀態的改變而改變，造成逐段平穩的狀態。在處理這類信號的第一步是把它正確地分段，使它的每一段都可以認為是平穩的，再用平穩信號處理方法處理它們。

由于計算機技術的普及與發展，以及數字處理方法的通用性和靈活性，數字信號處理技術己成了信號處理技術的主流。為了進行數字信號處理，必須在正式處理前先把模擬信號時間離散化、量化。在數字信號處理中已經指出，采樣導致信號頻譜的周期延托，周期延拓結果造成頻譜混疊。對一個頻帶寬度有限的信號，只要采樣頻率大于信號最高頻率的兩倍，就可以避免這種頻譜混疊。然而，實際信號的頻譜并不像理想的那樣，在高于某個最高頻率的區域上幅度就截然變為零，而只是比較小而已。因此，采樣定理只能近似地滿足，實際頻譜混疊仍然存在。為了克服這個問題，必須在采樣以前，將信號通過一個高頻抑制能力較理想的低溫濾波器(稱為抗混迭濾波器)進行限帶濾波處理。

根據信號處理系統任務要求，有時在取得信號后，不需立即得到處理結果，這時就可以來用離線處理。大多數情況下，要求處理結果在采集同時或采集結束后立即得到，就要用實時的或在線的處理方法。在實時和在線的處理中，處理(運算)速度要足夠快，占用內存空間也有一定限制，均比離線處理要求高，有時為了實現足夠快的處理速度，不得不采用專用的硬件處理器。

參考文獻：

《現代儀器分析在生物醫學研究中的應用》化學工業出版社錢小紅 謝劍煒 主編 《生物醫學測量與儀器》西安交通大學出版社李天鋼馬春排主編

《生物傳感器的應用現狀和發展趨勢》 馬莉萍毛斌 等著

《生物醫學信號數字處理技術及應用》 科學出版社聶能 堯德中 等著

《生物醫學信號處理》 電子科技大學出版社 李凌 饒妮妮 著

第五篇：傳感器原理與應用復習

例1：量程為150V的0.5級電壓表和量程為30V的1.5級電壓表，分別測量20V電壓，問哪個測量精度高？

例2：某壓力表精度為1.5級，量程為0～2.0MPa，測量結果顯示為1.2MPa，求1）最大引用誤差δnm；2）可能出現的最大絕對誤差Δm；3）示值相對誤差δx＝？

例3：一差動變壓器式位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化1200mv，問位移傳感器的靈敏度是多少？

例4：機械式指針位移傳感器，當輸入信號有0.01mm的位移變化量式，指針位移10mm，求位移傳感器的靈敏度？

例5：進行某動態壓力測量時，所采用的壓電式力傳感器的靈敏度為90.9nC/Mpa，將它與增益為0.005V/nC的電荷放大器相連，而電荷放大器的輸出接到一臺筆式記錄儀上，記錄儀的靈敏度為20mm/V。試計算這個測量系統的總靈敏度。當壓力變化為3.5MPa時，記錄筆在記錄紙上的偏移量是多少？

例6：有一只變極距電容傳感元件，兩極板重疊有效面積為，兩極板間的距離為1mm，已知空氣的相對介電常數是1，真空中介電常數為8.85×10-12F/m,試計算該傳感器的位移靈敏度。

例7：粘貼在鋼件上的康銅電阻絲應變片，其靈敏度為2，電阻溫度系數為20×10-6/oC，敏感柵材料的線膨脹系數為15×10-6/oC，鋼件的線線膨脹系數為11×10-6/oC，彈性模量E為2×1011N/m2,求：（1）當環境溫度變化為10oC時，應變熱輸出為多少？相當于試件產生多大應力？

（2）當=1000uε時，由于熱輸出產生的溫度誤差γt是多少？

例8：半導體應變片的靈敏度為120，電阻為120歐姆，金屬電阻應變片的靈敏度為2，電阻為120歐姆，單臂非線性誤差不大于0.1，求：它們可測的最大應變為多少？