第一篇：淺談生物醫(yī)學(xué)信號(hào)及傳感器

淺談生物醫(yī)學(xué)信號(hào)及傳感器

導(dǎo)論：

人體存在高度精密而復(fù)雜的生物信號(hào)，每一種信號(hào)都在傳遞著身體的工作狀態(tài)，器官機(jī)能是否正常，呼吸、循環(huán)系統(tǒng)是否健全，人體是否處于一種健康狀態(tài)……隨著信息科技的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，產(chǎn)生了“高端”的醫(yī)生，它們通過(guò)接收人體信號(hào)，對(duì)人體信息進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)疾病的診斷和防治。

生物醫(yī)學(xué)傳感器好比人的五官，人通過(guò)五官，即眼（視覺(jué)）、耳（聽(tīng)覺(jué)）、鼻（嗅覺(jué)）、舌（味覺(jué)）和四肢（觸覺(jué)）感知和接受外界信息，然后通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)傳遞給大腦進(jìn)行加工處理。傳感器則是一個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)的“電五官”，他感測(cè)到外界的信息，然后送給系統(tǒng)的處理器進(jìn)行加工處理。如果一個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有傳感器，就相當(dāng)于人沒(méi)有五官。

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，也是近年來(lái)迅速發(fā)展的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的一個(gè)重要的應(yīng)用方面，正是由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程的緊密結(jié)合，才使得我們?cè)谏镝t(yī)學(xué)信號(hào)特征的檢測(cè)、提取及臨床應(yīng)用上有了新的手段，因而也幫助我們加深了對(duì)人體自身的認(rèn)識(shí)。

生物醫(yī)學(xué)傳感器的認(rèn)識(shí)

一、定義

我們定義：傳感器是能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應(yīng)于被測(cè)量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件或裝置。

二、分類

生物醫(yī)學(xué)傳感器是一類特殊的電子器件，它能把各種被觀測(cè)的生物醫(yī)學(xué)中的非電量轉(zhuǎn)換為易觀測(cè)的電量，擴(kuò)大人地感官功能，是構(gòu)成各種醫(yī)療分析和診斷儀器與設(shè)備的關(guān)鍵部件。我們將生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)中常用的傳感器按被觀測(cè)的量劃分為以下三類：

（1）物理傳感器：用于測(cè)量和監(jiān)護(hù)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(cè)。

（2）化學(xué)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(xué)量的檢測(cè)。

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

傳感器按尺寸劃分有：常規(guī)傳感器（毫米級(jí)，可用于組織檢測(cè)），微型傳感器（微米級(jí)，可用于細(xì)胞檢測(cè)）和納米傳感器（納米級(jí)，可用于細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)）。

三、對(duì)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(shí)，輸入較小的信號(hào)即可產(chǎn)生較大的輸出信號(hào)。傳感器輸出信號(hào)電壓與噪聲電壓之比稱為信噪比。信噪比越高，說(shuō)明獲得的有用的輸出信號(hào)就越大，信噪比越小，信號(hào)與噪聲越難分辨，嚴(yán)重時(shí)將出現(xiàn)信號(hào)被噪聲淹沒(méi)的現(xiàn)象，無(wú)法獲得有用的信號(hào)，測(cè)量無(wú)效。

（2）有良好的線性和較高的響應(yīng)速度

線性好是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)在規(guī)定的工作范圍內(nèi)與輸出信號(hào)成比例關(guān)系，而不產(chǎn)生信號(hào)非線性失真。響應(yīng)速度快表明輸出和輸入的延遲時(shí)間短、實(shí)時(shí)性好。

（3）重復(fù)性、一致性和選擇性好

重復(fù)性好是指?jìng)鞲衅鞣磸?fù)使用，其性能不變。一致性好是指?jìng)鞲衅鞯幕Q性強(qiáng)，在生產(chǎn)與修理中尤為重要。選擇性好是指?jìng)鞲衅髦粚?duì)確定目標(biāo)的變量有響應(yīng)，不受其他變量的影響。

（4）化學(xué)、物理性能好

傳感器必須與人體的化學(xué)成分相容，既不會(huì)腐蝕也不會(huì)給人體帶來(lái)毒性。傳感器的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)應(yīng)與待測(cè)部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響要小，使用時(shí)應(yīng)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(yīng)在安全之下。

（6）操作性好

傳感器應(yīng)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、便于消毒。

生物醫(yī)學(xué)傳感器的意義

隨著生物傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，生物傳感器必將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域掀起一股熱潮。

（1）生物傳感器采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價(jià)值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過(guò)去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。因此，這一技成本低，在連續(xù)使用時(shí)，每例測(cè)定僅需要幾分錢(qián)人民幣，術(shù)在很大程度上減輕病患醫(yī)療費(fèi)用上的負(fù)擔(dān)。（2）生物傳感器專一性強(qiáng)，只對(duì)特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響，準(zhǔn)確度高，一般相對(duì)誤差可以達(dá)到1％；分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果。因此，這一技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上不僅提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，更是縮短了整個(gè)過(guò)程所需的時(shí)間，進(jìn)一步提供了救治病人的先機(jī)。

（3）操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析。在臨床中，許多操作對(duì)于病患來(lái)說(shuō)是痛苦的，若能很好的利用生物傳感器的這一特點(diǎn)，我相信將為他們減少很多的痛苦。

當(dāng)前各種利用生物傳感技術(shù)開(kāi)發(fā)的儀器也已問(wèn)世，但是在應(yīng)用上還有許多技術(shù)需要深入研究。診斷各種疾病的醫(yī)用傳感器，還有待于引深研發(fā)，例如谷氨酸傳感器是一種穩(wěn)定的脫氫酶、轉(zhuǎn)氨酶、血氨的指示性傳感器，它在臨床急癥室等許多場(chǎng)合可取代光度法測(cè)定，有潛在應(yīng)用前景；測(cè)定胸外科病人乳酸指標(biāo)的生物傳感器也已開(kāi)始應(yīng)用,與腎透析聯(lián)用的幾種生物傳感器也有產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)價(jià)值。今后這些生物傳感器將逐漸得到普及，給廣大病患帶來(lái)更多的福音。

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)有一維、二維之分一般而言, 將一維信號(hào)稱為信號(hào), 二維信號(hào)稱為圖像自然界廣泛存在的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是連續(xù)的, 由于計(jì)算機(jī)巨大的計(jì)算能力, 一般先用轉(zhuǎn)換器將

連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào), 然后在計(jì)算機(jī)內(nèi)用各種方法編制成的軟件進(jìn)行分析處理限于篇幅, 這里只論一維生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理方法。

信號(hào)處理的領(lǐng)域是相當(dāng)廣泛而又深人的, 已在不同程度上滲透到幾乎所有的醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域從預(yù)防醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)到臨床醫(yī)學(xué), 從醫(yī)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(wǎng)膜電圖分析, 光片處理, 圖像重建, 健康普查的醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì), 疾病的自動(dòng)診斷, 細(xì)胞、染色體顯微圖像處理, 血流速度測(cè)定, 生物信號(hào)的混沌測(cè)量等等。

一、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)特點(diǎn)

（1）信號(hào)弱：直接從人體中檢測(cè)到的生理電信號(hào)其幅值一般比較小。如從母體腹部取到的胎兒心電信號(hào)僅為10～50μV，腦干聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)響應(yīng)信號(hào)小于1μV，自發(fā)腦電信號(hào)約5～150μV，體表心電信號(hào)相對(duì)較大，最大可達(dá)5mV。

因此，在處理各種生理信號(hào)之前要配置各種高性能的放大器。

（2）噪聲強(qiáng)：噪聲是指其它信號(hào)對(duì)所研究對(duì)象信號(hào)的干擾。如電生理信號(hào)總是伴隨著由于肢體動(dòng)作、精神緊張等帶來(lái)的干擾，而且常混有較強(qiáng)的工頻干擾；誘發(fā)腦電信號(hào)中總是伴隨著較強(qiáng)的自發(fā)腦電；從母腹取到的胎兒心電信號(hào)常被較強(qiáng)的母親心電所淹沒(méi)。這給信號(hào)的檢測(cè)與處理帶來(lái)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(jīng)頻譜分析可知，除聲音信號(hào)（如心音）頻譜成分較高外，其它電生理信號(hào)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(hào)的獲取、放大、處理時(shí)要充分考慮對(duì)信號(hào)的頻率響應(yīng)特性。

（4）隨機(jī)性強(qiáng)：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是隨機(jī)信號(hào)，一般不能用確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)描述，它的規(guī)律主要從大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果中呈現(xiàn)出來(lái)，必須借助統(tǒng)計(jì)處理技術(shù)來(lái)檢測(cè)、辨識(shí)隨機(jī)信號(hào)和

估計(jì)它的特征。而且它往往是非平穩(wěn)的，即信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征（如均值、方差等）隨時(shí)間的變化而改變。這給生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理帶來(lái)了困難。

因此在信號(hào)處理時(shí)往往進(jìn)行相應(yīng)的理想化和簡(jiǎn)化。當(dāng)信號(hào)非平穩(wěn)性變化不太快時(shí)，可以把它作為分段平穩(wěn)的準(zhǔn)平穩(wěn)信號(hào)來(lái)處理；如果信號(hào)具有周期重復(fù)的節(jié)律性，只是周期和各周期的波形有一定程度的隨機(jī)變異，則可以作為周期平穩(wěn)的重復(fù)性信號(hào)來(lái)處理。更一般性的方法是采用自適應(yīng)處理技術(shù)，使處理的參數(shù)自動(dòng)跟隨信號(hào)的非平穩(wěn)性而改變。

二、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)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(yī)學(xué)研究中也叫平均誘發(fā)反應(yīng)法,簡(jiǎn)稱方法所謂誘發(fā)反應(yīng)是指肌體對(duì)某個(gè)外加刺激所產(chǎn)生的反應(yīng),AEV方法常用來(lái)檢測(cè)那些微弱的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)如希氏束電圖、腦電圖、耳蝸電圖等希氏束電圖的信號(hào)幅度僅一拼, 它們?cè)谟醚痉椒z測(cè)出之前, 幾乎或完全淹沒(méi)在很強(qiáng)的噪聲中, 這些噪聲包括自發(fā)反應(yīng), 外界干擾, 儀器噪聲方法要求噪聲是隨機(jī)的, 并且其協(xié)方差為零, 信號(hào)是周期或可重復(fù)產(chǎn)生的, 這樣經(jīng)過(guò)平方次疊加, 信噪比可提高N倍, 使用方法的關(guān)鍵是尋找疊加的時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)。

（2）生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的混沌測(cè)量

傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)以線性方法為主, 強(qiáng)調(diào)的是穩(wěn)定、平衡和均勻性而非線性系統(tǒng)是在不穩(wěn)定、非平衡的狀態(tài)中提取信息、處理信息, 從而顯示它特有的優(yōu)點(diǎn)混沌用于測(cè)量閉可以說(shuō)是一種嘗試, 也許人們很難想象一個(gè)極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng)能進(jìn)行精確的測(cè)量, 可是生物的感覺(jué)器官就是極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng), 其檢測(cè)靈敏度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前的科技水平, 這是一個(gè)全

混沌系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是初值敏感性和參數(shù)敏感性, 即所謂蝴蝶效應(yīng)混沌測(cè)量的基本思路就是把蝴蝶效應(yīng)倒過(guò)來(lái)應(yīng)用將敏感元件作為混沌電路的一部分, 其敏感參數(shù)隨待測(cè)量變化而變化, 并使系統(tǒng)的混沌軌道變化, 測(cè)出餛沌軌道的變化就可得到待測(cè)量, 這是一種不同于傳統(tǒng)測(cè)量的新方法。

三、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理方法

簡(jiǎn)單的信號(hào)處理是建立在線性時(shí)不變系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上的，這種理論只適用于平穩(wěn)信號(hào)的處理，非平穩(wěn)信號(hào)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(hào)。由于生物體對(duì)處界刺激的適應(yīng)能力，生物體在接受外界刺激的適應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的生物信號(hào)就具有這樣的特點(diǎn)。均值變化的規(guī)律稱為趨勢(shì)函數(shù)，一旦從這類信號(hào)中除去趨勢(shì)函數(shù)，信號(hào)就變成了平穩(wěn)的。因而在分析這種信號(hào)時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行消除趨勢(shì)函數(shù)處理；另一類非平穩(wěn)的信號(hào)可近似地看成是分段平穩(wěn)的。腦電信號(hào)常具有這個(gè)特點(diǎn)，因?yàn)槟X電信號(hào)隨著精神狀態(tài)的改變而改變，造成逐段平穩(wěn)的狀態(tài)。在處理這類信號(hào)的第一步是把它正確地分段，使它的每一段都可以認(rèn)為是平穩(wěn)的，再用平穩(wěn)信號(hào)處理方法處理它們。

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及與發(fā)展，以及數(shù)字處理方法的通用性和靈活性，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)己成了信號(hào)處理技術(shù)的主流。為了進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，必須在正式處理前先把模擬信號(hào)時(shí)間離散化、量化。在數(shù)字信號(hào)處理中已經(jīng)指出，采樣導(dǎo)致信號(hào)頻譜的周期延托，周期延拓結(jié)果造成頻譜混疊。對(duì)一個(gè)頻帶寬度有限的信號(hào)，只要采樣頻率大于信號(hào)最高頻率的兩倍，就可以避免這種頻譜混疊。然而，實(shí)際信號(hào)的頻譜并不像理想的那樣，在高于某個(gè)最高頻率的區(qū)域上幅度就截然變?yōu)榱悖皇潜容^小而已。因此，采樣定理只能近似地滿足，實(shí)際頻譜混疊仍然存在。為了克服這個(gè)問(wèn)題，必須在采樣以前，將信號(hào)通過(guò)一個(gè)高頻抑制能力較理想的低溫濾波器(稱為抗混迭濾波器)進(jìn)行限帶濾波處理。

根據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)任務(wù)要求，有時(shí)在取得信號(hào)后，不需立即得到處理結(jié)果，這時(shí)就可以來(lái)用離線處理。大多數(shù)情況下，要求處理結(jié)果在采集同時(shí)或采集結(jié)束后立即得到，就要用實(shí)時(shí)的或在線的處理方法。在實(shí)時(shí)和在線的處理中，處理(運(yùn)算)速度要足夠快，占用內(nèi)存空間也有一定限制，均比離線處理要求高，有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)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(xiàn)：

《現(xiàn)代儀器分析在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用》化學(xué)工業(yè)出版社錢(qián)小紅 謝劍煒 主編 《生物醫(yī)學(xué)測(cè)量與儀器》西安交通大學(xué)出版社李天鋼馬春排主編

《生物傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)》 馬莉萍毛斌 等著

《生物醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)字處理技術(shù)及應(yīng)用》 科學(xué)出版社聶能 堯德中 等著

《生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理》 電子科技大學(xué)出版社 李凌 饒妮妮 著

第二篇：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理總結(jié)

一、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理緒論

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的對(duì)象：由生理過(guò)程自發(fā)產(chǎn)生的；把人體作為通道，外界施加于人體產(chǎn)生的電生理信號(hào)和非電生理信號(hào)。

生物信號(hào)的主要特點(diǎn)：復(fù)雜性，隨機(jī)性強(qiáng)，噪聲干擾強(qiáng)，非平穩(wěn)性等

二、數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)

傅立葉變換的意義：把一個(gè)無(wú)論多復(fù)雜的輸入信號(hào)分解成復(fù)指數(shù)信號(hào)的線性組合，那么系統(tǒng)的輸出也能通過(guò)圖2.1的關(guān)系表達(dá)成相同復(fù)指數(shù)信號(hào)的線性組合，并且在輸出中的每一個(gè)頻率的復(fù)指數(shù)函數(shù)上乘以系統(tǒng)在那個(gè)頻率的頻率響應(yīng)值。使得分析、處理信號(hào)變得簡(jiǎn)單。

數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)：IIR濾波器的設(shè)計(jì)：利用傳統(tǒng)的模擬濾波器設(shè)計(jì)方法。

切比雪夫低通濾波器：

%低通濾波器設(shè)計(jì)0~35Hz

wp=35;ws=45;%WP通帶截止頻率，WS阻帶截止頻率

Rp=1;Rs=71;%Rp通帶內(nèi)的最大衰減,Rs阻帶內(nèi)的最小衰減

fs=1000;%采樣頻率

[N,wn]=cheb1ord(wp/(fs/2),ws/(fs/2),Rp,Rs);

[B,A]=cheby1(N,Rp,wn);

freqz(B,A,[],fs)%幅頻特性

FIR濾波器設(shè)計(jì)：多采用窗函數(shù)和頻率取樣設(shè)計(jì)法。橢圓帶通濾波器

[b_alpha,a_alpha] = ellip(5,1,40,[8 13]*2/500);

freqz(b_alpha,a_alpha,[],500)

例題2-11選擇合適的窗設(shè)計(jì)FIR低通濾波器，畫(huà)出濾波器的單位脈沖響應(yīng)和該濾波器的幅度響應(yīng)：

解：

wp = 0.2*pi;ws = 0.3*pi;%給出通帶頻率和阻帶頻率

tr_width = ws-wp;%求過(guò)渡帶寬度

%，hamming window即可滿足該條件，查表求得窗長(zhǎng)度

M = ceil(6.6*pi/tr_width);

n=[0:1:M-1];

wc =(ws+wp)/2;%求截止頻率

b= fir1(M,wc/pi);%求FIR低通濾波器的系數(shù)，默認(rèn)就是hamming window

h=b(1:end-1);

[hh,w] = freqz(h,[1],'whole');%求濾波器的頻率響應(yīng)

hhh=hh(1:255);ww=w(1:255);%由于對(duì)稱性，畫(huà)一半圖即可

% 畫(huà)圖

subplot(1,2,1);stem(n,h);title('實(shí)際脈沖響應(yīng)')

axis([0 M-1-0.1 0.3]);xlabel('n');ylabel('h(n)')

subplot(1,2,2);plot(ww/pi,20*log10(abs(hhh)));title('幅度響應(yīng)（單位： dB）');grid

axis([0 1-100 10]);xlabel('頻率（單位：pi）');ylabel('分貝')

set(gca,'XTickMode','manual','XTick',[0,0.2,0.3,1])

set(gca,'YTickMode','manual','YTick',[-50,0])

例2-12】最常碰到的信號(hào)處理任務(wù)是平滑數(shù)據(jù)以抑制高頻噪聲。求幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值是減弱高頻噪聲的一種簡(jiǎn)單方法，這種濾波器被稱為平滑濾波器或中值濾波器。

Y = MEDFILT1(X,N)，如果沒(méi)有給出N的值，則默認(rèn)N=3；

當(dāng)N是奇數(shù)時(shí)Y是X(k-(N-1)/2 : k+(N-1)/2)的平均；

當(dāng)N是偶數(shù)時(shí)，Y是X(k-N/2 : k+N/2-1)的平均。

三、隨機(jī)信號(hào)基礎(chǔ)

平穩(wěn)各態(tài)遍歷的隨機(jī)過(guò)程：如果隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性與開(kāi)始進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的時(shí)刻無(wú)關(guān)，則為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，否則為非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。

如果所有樣本在固定時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)特征和單一樣本在全時(shí)間上的統(tǒng)計(jì)特征一致，則為各態(tài)遍歷的隨機(jī)過(guò)程。

隨機(jī)信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)的四個(gè)關(guān)系式

1.Py(ej?)?H(ej?)Px(ej?)

2.Ry(m)?Rx(m)?h(?m)?h(m)

3.Pxy(ej?)?H(ej?)Px(ej?)

4.Rxy(m)?Rx(m)?h(m)

四、數(shù)字卷積和數(shù)字相關(guān)

卷積和相關(guān)運(yùn)算的程序編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)

線性相關(guān)函數(shù)：2

rxy(m)?

n????x(n)y(n?m)??

相關(guān)函數(shù)和功率譜的估計(jì)

估計(jì)質(zhì)量的評(píng)估

五、維納濾波

相關(guān)函數(shù)法推導(dǎo)維納濾波器的維納－霍夫方程

FIR法解維納霍方程

預(yù)白化法解維納霍夫方程

六、卡爾曼濾波

卡爾曼濾波的狀態(tài)方程和量測(cè)方程

卡爾曼濾波的信號(hào)模型和估計(jì)模型

卡爾曼濾波的原理

七、隨機(jī)信號(hào)的參數(shù)建模

AR模型中Y-W方程的推導(dǎo)

Y-W方程的估計(jì)法：L-D算法推導(dǎo)和編程

八、自適應(yīng)濾波

LMS濾波過(guò)程

自適應(yīng)濾波的實(shí)現(xiàn)

第三篇：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理

1.生物醫(yī)學(xué)簡(jiǎn)述

1.1生物醫(yī)學(xué)信號(hào)概述

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是人體生命信息的體現(xiàn)，是了解探索生命現(xiàn)象的一個(gè)途徑。因此，深入進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理理論與方法的研究對(duì)于認(rèn)識(shí)生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、探索疾病預(yù)防與治療的新方法以及發(fā)展醫(yī)療儀器這一高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)都具有極其重要的意義。國(guó)內(nèi)外對(duì)于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)處理理論與方法的研究都給予極大的重視。人體給出的信號(hào)非常豐富，每一種信號(hào)都攜帶著對(duì)應(yīng)的一個(gè)或幾個(gè)器官的生理病理信息。由于人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此可以從人體的不同的“層次”得到各類信號(hào)，如器官的層次、系統(tǒng)的層次以及細(xì)胞的層次,這些信號(hào)大致分為電生理信號(hào)、非電生理信號(hào)、人體生理信號(hào)、生化信號(hào)、生物信息以及醫(yī)學(xué)圖像[1]。1.2生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，它是由復(fù)雜的生命體發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號(hào)，從信號(hào)本身特征、檢測(cè)方式到處理技術(shù)，都不同于一般的信號(hào)。

⑴信號(hào)弱，如心電信號(hào)在mV級(jí)，腦電信號(hào)在μV級(jí)，而誘發(fā)電位信號(hào)的幅度更小。⑵噪聲強(qiáng)，人體是電的導(dǎo)體，易感應(yīng)出工頻噪聲；其次是信號(hào)記錄時(shí)受試者移動(dòng)所產(chǎn)生的肌電噪聲，由此引起電極移動(dòng)所產(chǎn)生的信號(hào)基線漂移。另外，凡是記錄中所含有的不需要成分都是噪聲，如記錄胎兒心電時(shí)混入的母親的心電。⑶隨機(jī)性強(qiáng)且一般是非平穩(wěn)信號(hào)，由于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)要受到生理和心理的影響，因此屬于隨機(jī)信號(hào)。

⑷非線性，非線性信號(hào)源于非線性系統(tǒng)的輸出，人體體表采集到的電生理信號(hào)都是細(xì)胞膜電位通過(guò)人體系統(tǒng)后在體表疊加的結(jié)果，因此這些信號(hào)嚴(yán)格地說(shuō)都是非線性信號(hào)，但目前都是把他們當(dāng)作線性信號(hào)來(lái)處理[2]。

2.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)是對(duì)生物體中包含地生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)和成分等信息進(jìn)行檢測(cè)和量化地技術(shù)，涉及到人機(jī)接口技術(shù)、低噪聲和抗干擾技術(shù)、信號(hào)拾取、分析與處理技術(shù)等工程領(lǐng)域。絕大部分生物醫(yī)學(xué)信號(hào)都是信噪比很低地微弱信號(hào)，且一般都是伴隨著噪聲和干擾地信號(hào),對(duì)于此類信號(hào)必須采用抑制噪聲地處理技術(shù)。由于生物系統(tǒng)十分復(fù)雜，生物體內(nèi)的信息豐富，生物信號(hào)檢測(cè)技術(shù)十分重要。生物信號(hào)的檢測(cè)一般需要通過(guò)以下步驟：①生物醫(yī)學(xué)信號(hào)通過(guò)電極拾取或通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；②放大器及預(yù)處理器進(jìn)行信號(hào)放大和預(yù)處理；③經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)；④輸入計(jì)算機(jī)；⑤通過(guò)各種數(shù)字信號(hào)處理算法進(jìn)行信號(hào)分析處理，得到有意義的結(jié)果[3]。

圖1 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)流程

生物醫(yī)學(xué)的檢測(cè)技術(shù)分為以下幾類：①無(wú)創(chuàng)檢測(cè)、微創(chuàng)檢測(cè)、有創(chuàng)檢測(cè)；②在體檢測(cè)、離體檢測(cè)；③直接檢測(cè)、間接檢測(cè)；④非接觸檢測(cè)、體表檢測(cè)、體內(nèi)檢測(cè)；⑤生物電檢測(cè)、生物非電檢測(cè)；⑥形態(tài)檢測(cè)、功能檢測(cè)；⑦處于拘束狀態(tài)下的生物體檢測(cè)、處于自然狀態(tài)下的生物體檢測(cè)；⑧透射法檢測(cè)、反射法檢測(cè)；⑨一維信號(hào)檢測(cè)、多維信號(hào)檢測(cè)；⑩分子級(jí)檢測(cè)、細(xì)胞級(jí)檢測(cè)、系統(tǒng)級(jí)檢測(cè)[4]。

3.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是研究被干擾和噪聲淹沒(méi)的信號(hào)中提取有用的生物醫(yī)學(xué)信息的特征并作模式分類的方法。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的目的是要區(qū)分正常信號(hào)與異常信號(hào)，在此基礎(chǔ)上診斷疾病的存在。近年來(lái)對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理廣泛地使用了數(shù)字信號(hào)分析處理方法。以下為幾種常用地處理方法：

⑴小波變換方法。在信號(hào)處理、圖像處理、語(yǔ)音分析、模式識(shí)別、量子物理及眾多非線性科學(xué)領(lǐng)域小波變換受到廣泛地應(yīng)用，被認(rèn)為是近年來(lái)在工具及方法上地重大突破。所謂地小波變換是指把某一被稱作為基本小波地函數(shù)作位移τ后，在不同尺度α下與待分析信號(hào)作內(nèi)積[5]。小波變換具有以下特點(diǎn)：時(shí)頻局部化特點(diǎn)，即可以同時(shí)提供時(shí)域和頻域局部化信息;多分辨率，即多尺度的特點(diǎn)，可以由粗到細(xì)逐步觀察信號(hào)；帶通濾波的特點(diǎn)，可以根據(jù)中心頻率的變化調(diào)節(jié)帶寬，中心頻率的高低與帶寬成反向變化，可以觀測(cè)出信號(hào)的低頻緩變部分和高頻突變部分[6]。這種變焦特性決定了它對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)處理的特殊功能。在生物醫(yī)學(xué)工程中的信號(hào)處理，信號(hào)壓縮，醫(yī)學(xué)圖像處理中，小波變換均有應(yīng)用。

⑵頻域?yàn)V波。頻域?yàn)V波是數(shù)字濾波中常用的一種方法，是消除生物醫(yī)學(xué)信號(hào)中噪聲的另一種有效方法，當(dāng)信號(hào)頻譜與噪聲頻譜不相重疊時(shí)，或雖有重疊，但信號(hào)在重疊部分的能量很小時(shí)，可用頻域?yàn)V波法來(lái)消除干擾。數(shù)字濾波器由于可做到非因果性，所以具有較模擬濾波器更為優(yōu)越的頻響特性，較之能更接近理想濾波器對(duì)數(shù)字濾波器的要求時(shí)相頻線性，通帶平坦，過(guò)度帶窄[7]。

⑶生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的混沌測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)以線性方法為主，強(qiáng)調(diào)的是平穩(wěn)、平衡和均勻性。而非線性系統(tǒng)是在不穩(wěn)定、非平衡的狀態(tài)中提取信息、處理信息，從而顯示它特有的優(yōu)點(diǎn)。混沌用于測(cè)量可以說(shuō)是一種嘗試，也許人們很難想象一個(gè)極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng)，其檢測(cè)靈敏度卻明顯超出目前的科技水平，這是一個(gè)全新的測(cè)量概念，是很有發(fā)展前途的領(lǐng)域。該方法的最大的特點(diǎn)是初值敏感性和參數(shù)敏感性，即蝴蝶效應(yīng)。其基本的思路就是把蝴蝶效應(yīng)倒過(guò)來(lái)應(yīng)用，將敏感元件作為混沌電路的一部分，其敏感參數(shù)隨待測(cè)量變化而變化，并使系統(tǒng)的混沌軌道變化，測(cè)出混沌軌道的變化就可得到待測(cè)量。

⑷人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN),人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指由大量簡(jiǎn)單元件廣泛相互連接而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很多具體模型，其共同的基本特征是以大規(guī)模并行處理為主，采用分布式存儲(chǔ)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性和聯(lián)想功能，強(qiáng)調(diào)自適應(yīng)過(guò)程和學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程[8]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最新發(fā)展使其成為信號(hào)處理的強(qiáng)有力工具，對(duì)于那些用其他信號(hào)處理技術(shù)無(wú)法解決的問(wèn)題，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域，許多ANN的算法和它們的應(yīng)用已廣泛的在自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域被應(yīng)用。這些網(wǎng)絡(luò)模型中，多層感知器被認(rèn)為是最有用的學(xué)習(xí)模型，廣泛應(yīng)用于腦電信號(hào)、心電信號(hào)的處理中。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以把專家知識(shí)和先驗(yàn)知識(shí)結(jié)合進(jìn)一個(gè)數(shù)學(xué)框架來(lái)完成特征提取和分類識(shí)別等功能，而不需要任何對(duì)數(shù)據(jù)和噪聲的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)假設(shè)，也不需要把專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)歸納成嚴(yán)密清晰的條文，所以最適應(yīng)用于研究和分析生物醫(yī)學(xué)信號(hào)。

4.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的應(yīng)用及發(fā)展前景

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)至今已在臨床和生命學(xué)科的研究中獲得了廣泛的應(yīng)用，而基于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的醫(yī)療儀器已成為現(xiàn)代醫(yī)院的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已由過(guò)去的定性診斷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)定量診斷。而定量診斷的依據(jù)即是病人的生理信號(hào)、醫(yī)學(xué)圖像和生化指標(biāo)等。

4.1心電信號(hào)的應(yīng)用 心電信號(hào)中最重要的特征是R波、P波、T波的位置、幅度和形態(tài)，此外還有S-T段的形態(tài)、Q波、S波、QRS寬度、U波、心室晚電位及T波交替等。心電R波檢測(cè)是所有其他心電特征檢測(cè)和自動(dòng)診斷的基礎(chǔ)，其檢測(cè)的精度直接影響到儀器的性能，檢測(cè)精度至少在99%以上。R波自動(dòng)檢測(cè)已有近40年的歷史，從早期的差分域值法、模板匹配法、積分法、濾波器法，發(fā)展到20世紀(jì)90年代，基于小波變換的算法逐漸成為主流。至今新的R波檢測(cè)算法仍然在不斷的被提出，例如將R波檢測(cè)和心電數(shù)據(jù)壓縮相結(jié)合的算法，目的是使算法在用于可穿戴心電監(jiān)護(hù)儀時(shí)具有實(shí)時(shí)分析功能并降低儀器的功耗，算法對(duì)R波的檢測(cè)精度達(dá)到了99.64%。由于P、S、T等波形的幅度遠(yuǎn)低于P波，且形態(tài)多變，因此，用于對(duì)它們的檢測(cè)非常困難。完成了P、Q、R、S和T等波形的檢測(cè)，即可算出R-R間隔，從而得到瞬時(shí)心率以及P-R間隙、QRS寬度、P-T間隙以及S-T段形態(tài)等參數(shù)。這些參數(shù)總的又可分為兩類：①心電形態(tài)學(xué)的信息②心電節(jié)律的信息，它們時(shí)心電圖臨床診斷的重要依據(jù)。根據(jù)檢測(cè)出的參數(shù)、心臟疾病的原理和醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，建立起各種心律異常的數(shù)學(xué)模型，從而對(duì)心電信號(hào)作出判別，決定是否異常，若異常時(shí)屬于哪一種異常。這一工作即是心電的自動(dòng)診斷，它也是信號(hào)處理的應(yīng)用。

4.2腦電信號(hào)的應(yīng)用

人類大腦無(wú)疑是自然界中最精密也是最復(fù)雜的巨系統(tǒng)。開(kāi)展腦科學(xué)研究的目的：①闡明腦的功能和機(jī)理；②保護(hù)大腦，即腦疾病的預(yù)防、治療及延緩衰老；③進(jìn)一步開(kāi)發(fā)大腦；腦科學(xué)的研究主要有兩大研究方向：①微觀層次的研究，包括神經(jīng)生物學(xué)、分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等學(xué)科；②宏觀層次的研究，即通過(guò)大腦宏觀層次的測(cè)量來(lái)分析大腦內(nèi)部隱含的生理、病理信息。目前，大腦宏觀層次的測(cè)量主要是腦電圖和腦部成像兩大類。腦電圖是無(wú)創(chuàng)并低價(jià)的腦測(cè)量手段，無(wú)論是在神經(jīng)內(nèi)科還是在神經(jīng)外科都獲得了廣泛的應(yīng)用，幾乎是神經(jīng)門(mén)診的必做項(xiàng)目之一，同時(shí)它在腦的認(rèn)知研究中也起著重要的作用。

5.結(jié)語(yǔ)

由于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)來(lái)自于人體器官、組織及細(xì)胞，因此存在信號(hào)的多樣性、復(fù)雜性及應(yīng)用的特殊性等突出特點(diǎn)。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對(duì)定量診斷和精確治療的要求越來(lái)越高，因此，生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越迅速擴(kuò)展。正因?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號(hào)的上述屬性，因此吸引了眾多學(xué)科的信號(hào)處理工作者到該領(lǐng)域來(lái)探索。可以說(shuō)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域充滿了挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新機(jī)會(huì)，其給科研工作者帶來(lái)了勇攀高峰的激情和期待。

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生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志 第３３卷

［ Ｊ］．自動(dòng)化儀表，２０１３，３４（１１）： １３ － １６

第四篇：傳感器信號(hào)調(diào)理電路

傳感器信號(hào)調(diào)理電路

傳感器信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理往往是把來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過(guò)程、執(zhí)行計(jì)算顯示讀出和其他目的的數(shù)字信號(hào)。模擬傳感器可測(cè)量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運(yùn)動(dòng)、位置、PH、光強(qiáng)等。通常，傳感器信號(hào)不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這是因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪窍喈?dāng)小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之前必須進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理就是放大，緩沖或定標(biāo)模擬信號(hào)，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。然后，ADC對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并把數(shù)字信號(hào)送到微控制器或其他數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。此鏈路工作的關(guān)鍵是選擇運(yùn)放，運(yùn)放要正確地接口被測(cè)的各種類型傳感器。然后，設(shè)計(jì)人員必須選擇ADC。ADC應(yīng)具有處理來(lái)自輸入電路信號(hào)的能力，并能產(chǎn)生滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分辨率、精度和取樣率的數(shù)字輸出。

傳感器

傳感器根據(jù)所測(cè)物理量的類型可分類為：測(cè)量溫度的熱電偶、電阻溫度檢測(cè)器(RTD)、熱敏電阻；測(cè)量壓力或力的應(yīng)變片；測(cè)量溶液酸堿值的PH電極；用于光電子測(cè)量光強(qiáng)的PIN光電二極管等等。傳感器可進(jìn)一步分類為有源或無(wú)源。有源傳感器需要一個(gè)外部激勵(lì)源(電壓或電流源)，而無(wú)源傳感器不用激勵(lì)而產(chǎn)生自己本身的電壓。通常的有源傳感器是RTD、熱敏電阻、應(yīng)變片，而熱電偶和PIN二極管是無(wú)源傳感器。為了確定與傳感器接口的放大器所必須具備的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)人員必須考慮傳感器如下的主要性能指標(biāo)：

·源阻抗

——高的源阻抗大于100KΩ

——低的源阻抗小于100Ω

·輸出信號(hào)電平

——高信號(hào)電平大于500mV滿標(biāo)

——低信號(hào)電平大于100mV滿標(biāo)

·動(dòng)態(tài)范圍

在傳感器的激勵(lì)范圍產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)量的輸出信號(hào)。它取決于所用傳感器類型。

放大器功用

放大器除提供dc信號(hào)增益外，還緩沖和定標(biāo)送到ADC之前的傳感器輸入。放大器有兩個(gè)關(guān)鍵職責(zé)。一個(gè)是根據(jù)傳感器特性為傳感器提供合適的接口。另一個(gè)職責(zé)是根據(jù)所呈現(xiàn)的負(fù)載接口ADC。關(guān)鍵因素包括放大器和ADC之間的連接距離，電容負(fù)載效應(yīng)和ADC的輸入阻抗。

選擇放大器與傳感器正確接口時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須使放大器與傳感器特性匹配。可靠的放大器特性對(duì)于傳感器——放大器組合的工作是關(guān)鍵性的。例如，PH電極是一個(gè)高阻抗傳感器，所以，放大器的輸入偏置電流是優(yōu)先考慮的。PH傳感器所提供的信號(hào)不允許產(chǎn)生任何相當(dāng)大的電流，所以，放大器必須是在工作時(shí)不需要高輸入偏置電流的型號(hào)。具有低輸入偏置電流的高阻抗MOS輸入放大器是符合這種要求的最好選擇。另外，對(duì)于應(yīng)用增益帶寬乘積(GBP)是低優(yōu)先考慮，這是因?yàn)閭鞲衅鞴ぷ髟诘皖l，而放大器的頻率響應(yīng)不應(yīng)該妨礙傳感器信號(hào)波形的真正再生。

傳感器和放大器匹配電路

PH電極緩沖器

高阻抗PH傳感器可與具有低功率電路(僅需要2個(gè)1.5V電池供電)的放大器配對(duì)。放大器MOS輸入晶體管為傳感器提供高阻抗，傳感器輸出阻抗為1MW或更大。此放大器的輸入偏置電流小于1pA，所以，放大器工作消耗非常小的電流。放大器的失調(diào)電壓小于1mV。放大器提供軌到軌工作并具有高驅(qū)動(dòng)能力，能在長(zhǎng)線上發(fā)送信號(hào)(放大器遠(yuǎn)離ADC的情況)。在電路中增加了一個(gè)精密溫度傳感器，可以測(cè)量PH傳感器的溫度。這使得具有精確的PH溫度補(bǔ)償值。

完整的傳感器橋接口

·測(cè)量應(yīng)變片傳感器通常要通過(guò)橋網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)變片構(gòu)成橋的兩個(gè)(或4個(gè))臂。應(yīng)變片是低源阻抗器件，其輸出信號(hào)范圍是小的(幾百微伏~幾毫伏)。圖3所示的電路能為精確測(cè)量傳感器信號(hào)提供測(cè)量橋穩(wěn)定激勵(lì)電壓和高共模電壓抑制(CMR)，消除了任何共模電壓。用高精度和非常低漂移(隨溫度)的精密電壓基準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)放大器A1。這可為橋提供非常精確、穩(wěn)定的激勵(lì)源。因?yàn)楣材ｋ妷捍蠹s為激勵(lì)電壓的一半，所以被測(cè)信號(hào)僅僅是橋臂之間小的差分電壓。放大器A2、A3、A4必須提供高共模抑制比(CMRR)，所以僅測(cè)量差分電壓。這些放大器也必須具有低值輸入失調(diào)電壓(VOS)漂移(也稱之為失調(diào)電壓溫度系數(shù)TCVOS)和輸入偏置電流，以使得從傳感器能精確地讀數(shù)。放大器A1~A4連接成儀表放大器以達(dá)到上述目標(biāo)。這種配置的電壓增益(AV)為：AV=(1+2R2/bR2)(aR1/R1)，其中a和b是確定總增益的比值。

輻射分析儀通道

輻射譜測(cè)量來(lái)自輻射源的發(fā)射能量的分布，輻射源可以是粒子，X射線或γ射線。輻射照到閃光晶體上并發(fā)射強(qiáng)度正比于能量的短脈沖。然后由PIN光電二極管把光轉(zhuǎn)換為電流。放大器(見(jiàn)圖4)用做首置放大器和PIN光電二極管輸出的電流/電壓轉(zhuǎn)換器。此電路為用于基本輻射譜的單通道分析儀。信號(hào)的脈沖幅度包含重要信息，所以低輸入失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓漂移是重要的。寬帶寬為處理脈沖(可窄到幾納秒)提供快速響應(yīng)。首置放大器輸出(VOUT)到脈沖幅度分析儀(如快速ADC)來(lái)測(cè)量和儲(chǔ)存每個(gè)峰值發(fā)生的數(shù)。分布是單個(gè)源的光譜。反饋電阻R1值取決于來(lái)自PIN光電二極管的最大電流和到ADC的最大輸出電壓。因此，R1=(MaxVOUT)/(MaxISIGNAL)。電容C1用于PIN光電二極管寄生電容的補(bǔ)償。R2和C2相當(dāng)于R1和C1用于補(bǔ)償放大器非倒相輸入的輸入偏置電流。

熱電耦接口電路

熱電偶根據(jù)兩個(gè)不同金屬線結(jié)點(diǎn)之間的溫度差提供電壓信號(hào)。熱電偶溫度傳感器具有一個(gè)感測(cè)端(金屬A/金屬B連接端)和一個(gè)參考端(金屬A和金屬B與銅導(dǎo)線連接端)。冷端參考溫度與熱電偶信號(hào)一道進(jìn)行控制和測(cè)量。熱電偶具有大約10mV/℃~80mV/℃的小信號(hào)電平范圍和小的源阻抗。配置成差分放大器的單放大器(圖5)把信號(hào)放大到ADC輸入所需的電平。差分放大器增益為：

AV=xR/R

其中x是電阻比，它決定增益。差分配置有助于抑制熱電偶線的共模拾取。放大器應(yīng)具有低失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓漂移。

信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)的最后級(jí)——ADC

信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)的基本目標(biāo)是盡可能快速、完整和便宜地把模擬傳感器數(shù)據(jù)變換為數(shù)字形式，此任務(wù)就落在ADC身上。所用ADC的類型由一系列參數(shù)決定。這包括所需的分辨率(位數(shù))、速度(數(shù)據(jù)吞吐率)、ac或dc信號(hào)輸入、精度(dc和ac)、等待時(shí)間(取樣周期開(kāi)始和第一個(gè)有效數(shù)字輸出之間的時(shí)間)和電源電平。在輸出端(接口到微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器)的重要參數(shù)包括串行或并行、處理器的輸入電壓電平、有效的電源電壓和功耗考慮。

大多數(shù)信號(hào)調(diào)理應(yīng)用采用逐次逼近(SAR)或積分型ADC。這兩種ADC能很好地處理dc信號(hào)，而SAR型ADC對(duì)快速ac信號(hào)能提供更好的支持。SAR轉(zhuǎn)換器是所有ADC中最通用的，這種轉(zhuǎn)換器把高分辨率(高達(dá)

16位)和高吞吐能力結(jié)合在一起。

積分ADC具有長(zhǎng)操作時(shí)間，這是因?yàn)樗棉D(zhuǎn)換方法的原因，但通過(guò)信號(hào)平均使其具有噪音低的特點(diǎn)。對(duì)于中頻ac信號(hào)，D-S轉(zhuǎn)換器是最好的選擇，因?yàn)樗鼈兙哂懈叻直媛屎透呔取-S轉(zhuǎn)換器分辨率高達(dá)24位，但以降低速度為代價(jià)，其等待時(shí)間非常長(zhǎng)。其他兩類ADC—流水線和分段ADC是高速器件，非常適合用于轉(zhuǎn)換高頻ac信號(hào)。

第五篇：傳感器與信號(hào)處理

傳感器

一、名詞解釋

1．傳感器;能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)化成可用輸出信號(hào)的器件和裝置。

2．應(yīng)電效應(yīng)

某些電介質(zhì)在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

3．壓阻效應(yīng)

4．霍爾效應(yīng)

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流I通過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

5．熱電效應(yīng)

將兩種不同的導(dǎo)體A和B連成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)。

6．光電效應(yīng)

光電效應(yīng)是物體吸收到光子能量后產(chǎn)生相應(yīng)電效應(yīng)的一種物理現(xiàn)象。

二、填空題

1．傳感器通常由三部分組成。

2．按工作原理可以分為、。

3．誤差按出現(xiàn)的規(guī)律分、。

4．對(duì)傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)的主要目的是檢測(cè)傳感器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。

1．敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路

2．電容傳感器、電感傳感器、電阻傳感器、壓電式傳感器

3．系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、粗大誤差

4．標(biāo)定(或校準(zhǔn)或測(cè)試)

5．傳感器的過(guò)載能力是指?jìng)鞲衅髟诓恢乱鹨?guī)定性能指標(biāo)永久改變的條件下，允許超過(guò)

6．傳感檢測(cè)系統(tǒng)目前正迅速地由模擬式、數(shù)字式，向

7．已知某傳感器的靈敏度為K0，且靈敏度變化量為△K0，則該傳感器的靈敏度誤差計(jì)算公式為

5．測(cè)量范圍

6．智能化

7．(△K0 / K0)×100%

8．電容式壓力傳感器是變

9．圖像處理過(guò)程中直接檢測(cè)圖像灰度變化點(diǎn)的處理方法稱為。

8．極距(或間隙)

9．微分法

10．目前應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有、、。

11．根據(jù)電容式傳感器的工作原理，電容式傳感器有、12．熱敏電阻按其對(duì)溫度的不同反應(yīng)可分為三類、。

13．光電效應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生結(jié)果的不同，通常可分為、三種類型。

14．傳感器的靈敏度是指穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出與輸入的比值。對(duì)線性傳感器來(lái)說(shuō)，其靈敏度是。

10．壓電晶體、壓電陶瓷、有機(jī)壓電材料

11．變間隙型、變面積型、變介電常數(shù)型

12．負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）、臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）

13．外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)

14．變化量、變化量、常數(shù)

15．用彈性元件和電阻應(yīng)變片及一些附件可以組成應(yīng)變片傳感器，按用途劃分用應(yīng)變式傳感器、應(yīng)變式傳感器等（任填兩個(gè)）。

16．采用熱電阻作為測(cè)量溫度的移時(shí)，為了得到較好的線性度和較好的靈敏度，應(yīng)該讓的距離小于。元件是將的測(cè)量轉(zhuǎn)換為的測(cè)量。

17．利用渦流式傳感器測(cè)量位

式電容傳感器

15．壓力加速度

16．溫度、電阻

17．線圈與被測(cè)物、線圈半徑

18．差動(dòng)

19．由光電管的光譜特性看出，檢測(cè)不同顏色的光需要選用不同的光電管，以便利用光譜特性的區(qū)段。

20．按熱電偶本身結(jié)構(gòu)劃分，有熱電偶、鎧裝熱電偶、21．硒光電池的光譜響應(yīng)區(qū)段與

19．光電陰極材料、靈敏度較高

20．普通、薄膜

21．人類

22．當(dāng)半導(dǎo)體材料在某一方向承受應(yīng)力時(shí)，它的發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。

23．磁敏二極管工作時(shí)加。

24．可以測(cè)量加速度的傳感器有

22．電阻率

23．正向、弱磁場(chǎng)

24．電容式傳感器、壓電式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器18．空氣介質(zhì)變隙式電容傳感器中，提高靈敏度和減少非線性誤差是矛盾的，為此實(shí)際中大都采用

三、選擇題

1．電阻應(yīng)變片的初始電阻數(shù)值有多種,其中用的最多的是（B）。

A 60ΩB 120ΩC 200ΩD 350Ω

2．電渦流式傳感器激磁線圈的電源是（C）。

A 直流B 工頻交流C 高頻交流D 低頻交流

3．變間隙式電容傳感器的非線性誤差與極板間初始距離d0之間是（C）。

A 正比關(guān)系B 反比關(guān)系C 無(wú)關(guān)系

4．單色光的波長(zhǎng)越短，它的（A）。

A 頻率越高，其光子能量越大B 頻率越低，其光子能量越大

C 頻率越高，其光子能量越小D 頻率越低，其光子能量越小

5．熱電偶可以測(cè)量（C）。

A 壓力B 電壓C 溫度D 熱電勢(shì)

6．光敏電阻適于作為（B）。

A 光的測(cè)量元件B 光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)元件C 加熱元件D 發(fā)光元件

7．目前我國(guó)使用的鉑熱電阻的測(cè)量范圍是（D）。

A-200～850℃B-50～850℃

C-200～150℃D-200～650℃

8．下列被測(cè)物理量適合于使用紅外傳感器進(jìn)行測(cè)量的是（C）

A．壓力B．力矩C．溫度D．厚度

9．屬于傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)的是（D）

A．重復(fù)性B．線性度C．靈敏度D．固有頻率

10．按照工作原理分類，固體圖象式傳感器屬于（A）

A．光電式傳感器B．電容式傳感器

C．壓電式傳感器D．磁電式傳感器

11．測(cè)量范圍大的電容式位移傳感器的類型為（D）

A．變極板面積型B．變極距型

C．變介質(zhì)型D．容柵型

12．利用相鄰雙臂橋檢測(cè)的應(yīng)變式傳感器，為使其靈敏度高、非線性誤差小（C）

A．兩個(gè)橋臂都應(yīng)當(dāng)用大電阻值工作應(yīng)變片

B．兩個(gè)橋臂都應(yīng)當(dāng)用兩個(gè)工作應(yīng)變片串聯(lián)

C．兩個(gè)橋臂應(yīng)當(dāng)分別用應(yīng)變量變化相反的工作應(yīng)變片

D．兩個(gè)橋臂應(yīng)當(dāng)分別用應(yīng)變量變化相同的工作應(yīng)變片

13．影響壓電式加速度傳感器低頻響應(yīng)能力的是（D）

A．電纜的安裝與固定方式B．電纜的長(zhǎng)度

C．前置放大器的輸出阻抗D．前置放大器的輸入阻抗

14．將電阻R和電容C串聯(lián)后再并聯(lián)到繼電器或電源開(kāi)關(guān)兩端所構(gòu)成的RC吸收電路，其作用是（D）

A．抑制共模噪聲B．抑制差模噪聲

C．克服串?dāng)_D．消除電火花干擾

四、問(wèn)答題

1．傳感器有哪些組成部分？在檢測(cè)過(guò)程中各起什么作用？

1．答：傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及測(cè)量電路三部分組成。

各部分在檢測(cè)過(guò)程中所起作用是：敏感元件是在傳感器中直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成一定聯(lián)系的另一物理量的元件，如電阻式傳感器中的彈性敏感元件可將力轉(zhuǎn)換為位移。轉(zhuǎn)換元件是能將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電參量的元件，如應(yīng)變片可將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻量。測(cè)量電路可將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電量信號(hào)。

5.熱電阻傳感器有哪幾種？各有何特點(diǎn)及用途？

5.答：熱電阻可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩類。前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。以熱電阻或熱敏電阻為主要器件制成的傳感器稱為熱電阻傳感器或熱敏電阻傳感器。

熱電阻傳感器主要是利用電阻隨溫度變化而變化這一特性來(lái)測(cè)量溫度的。

熱敏電阻按其對(duì)溫度的不同反應(yīng)可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）三類，7.電阻應(yīng)變傳感器主要由哪幾部分組成？

8.概述電渦流式傳感器的工作原理。

9．電容式傳感器有什么主要特點(diǎn)？可用于哪些方面的檢測(cè)？

9．答：電容式傳感器具有以下特點(diǎn)：功率小，阻抗高，動(dòng)態(tài)特性良好，具有較高的固有頻率和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；可獲取比較大的相對(duì)變化量；能在比較惡劣的環(huán)境條件下工作；可進(jìn)行非接觸測(cè)量；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造；輸出阻抗較高，負(fù)載能力較差；寄生電容影響較大；輸出為非線性。

電容式傳感器可用于直線位移、角位移、尺寸、液體液位、材料厚度的測(cè)量。

10． 根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？各自用途是什么？

10． 答：根據(jù)電容式傳感器的工作原理，電容式傳感器有三種基本類型，即變極距(d)型（又稱變間隙型）、變面積(A)型和變介電常數(shù)(ε)型。變間隙型可測(cè)量位移，變面積型可測(cè)量直線位移、角位移、尺寸，變介電常數(shù)型可測(cè)量液體液位、材料厚度。

11．常用壓電材料有那幾種？

11．答：應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有三類：一類是壓電晶體，另一類是經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷，；第三類是有機(jī)壓電材料。

12．霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小、方向與哪些因素有關(guān)？

12．答：霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小正比于激勵(lì)電流I與磁感應(yīng)強(qiáng)度B，且當(dāng)I或B的方向改變時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的方向也隨著改變，但當(dāng)I和B的方向同時(shí)改變時(shí)霍爾電動(dòng)勢(shì)極性不變。

13．試說(shuō)明熱電偶的測(cè)溫原理。

13．答：兩種不同材料構(gòu)成的熱電變換元件稱為熱電偶，導(dǎo)體稱為熱電極，通常把兩熱電極的一個(gè)端點(diǎn)固定焊接，用于對(duì)被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行溫度測(cè)量，這一接點(diǎn)稱為測(cè)量端或工作端，俗稱熱端；兩熱電極另一接點(diǎn)處通常保持為某一恒定溫度或室溫，稱冷端。熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)由溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)兩種電勢(shì)組成。熱電偶接觸電勢(shì)是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，在熱電極接點(diǎn)接觸面處產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象；擴(kuò)散的結(jié)果，接觸面上逐漸形成靜電場(chǎng)。該靜電場(chǎng)具有阻礙原擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行的作用，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在熱電極接點(diǎn)處便產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定電勢(shì)差，稱為接觸電勢(shì)。其數(shù)值取決于熱電偶兩熱電極的材料和接觸點(diǎn)的溫度，接點(diǎn)溫度越高，接觸電勢(shì)越大。

14．光電效應(yīng)有哪幾種類型？與之對(duì)應(yīng)的光電元件各有哪些？簡(jiǎn)述各光電元件的優(yōu)缺點(diǎn)。

14．答：光電效應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生結(jié)果的不同，通常可分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種類型。

15．抑制干擾有哪些基本措施？

15．答：第一，消除或抑制干擾源。

第二，破壞干擾途徑。

第三，削弱接收電路對(duì)干擾信號(hào)的敏感性。