第一篇：《生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用》考試大綱

《生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用》考試大綱

一、考試要求：

課程要求：掌握生物醫(yī)學(xué)傳感器基本原理、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型和分析計(jì)算理論方法；掌握生物醫(yī)學(xué)傳感器基本分類和應(yīng)用；能動(dòng)手設(shè)計(jì)基本的物理傳感器并分析其機(jī)理和提出應(yīng)用解決方案。

答題要求：答題，思路清晰，條理清楚，按技術(shù)點(diǎn)給分。

二、考試內(nèi)容：

1、傳感器的基本概述（傳感器定義，基本參數(shù)，發(fā)展概況）；

2、檢測技術(shù)數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)，主要包括最小二乘原理的數(shù)據(jù)擬合方法；

3、傳感器特性靜態(tài)特性，靜態(tài)特性指標(biāo)；

4、傳感器動(dòng)態(tài)特性，動(dòng)態(tài)模型的數(shù)學(xué)表示，包括：傳遞函數(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)，傳感器的其他基本常識(shí)（噪聲，干擾，對系統(tǒng)的影響）；

5、壓電式傳感器：超聲換能器，壓電效應(yīng)，逆壓電效應(yīng)，超聲醫(yī)學(xué)儀器的應(yīng)用；

6、壓阻式傳感器：壓阻效應(yīng)以及壓阻系數(shù)，壓阻器件，相關(guān)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(diǎn)和相互關(guān)系；

8、電容、電阻式傳感器及其特點(diǎn)和相互關(guān)系；

9、生理參數(shù)測量中實(shí)際的傳感器應(yīng)用，如：血壓測量，心音測量，多普勒血流測量，溫度測量；

10、運(yùn)用上述傳感器原理綜合設(shè)計(jì)數(shù)字醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)應(yīng)用中信息檢測傳感裝置，并分析其特點(diǎn)。

三、考試題型：

名詞解釋（20%）、計(jì)算題（30%）、分析題（30%）、綜合設(shè)計(jì)題（20%）；括號(hào)內(nèi)為該題型大約占比，實(shí)際分值以考題為準(zhǔn)。

四、參考書目：

《生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用》，彭承琳主編，高等教育出版社，2000。

第二篇：傳感器原理與應(yīng)用

傳感器原理與應(yīng)用（專業(yè)限選課）

Principle and Application of Sensor

【課程編號(hào)】XZ260111

【學(xué)分?jǐn)?shù)】2

【學(xué)時(shí)數(shù)】24+6+9（實(shí)驗(yàn)課時(shí)）【課程類別】專業(yè)限選 【編寫日期】2010.3.30 【先修課程】電路分析、模電、數(shù)電

【適用專業(yè)】電子信息工程類

一、教學(xué)目的、任務(wù)

《傳感器原理和應(yīng)用》是電子及自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)課。它有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過學(xué)習(xí)本課程使學(xué)生掌握各類傳感器的基本原理、主要性能及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；能合理地選擇和使用傳感器； 掌握常用傳感器的工程設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法；了解傳感器的發(fā)展動(dòng)向。

二、課程教學(xué)的基本要求

現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱是傳感器技術(shù)﹑通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，它們分別構(gòu)成了信息系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。在機(jī)械工程中,傳感器對于機(jī)械電子、測量、控制、計(jì)量等領(lǐng)域都是必不可少的獲取信息的關(guān)鍵部件。

鑒于上述認(rèn)識(shí)并考慮學(xué)科特色,在本課程有限學(xué)時(shí)內(nèi),要求學(xué)生重點(diǎn)掌握下列幾方面的知識(shí)：⑴傳感器的基本概念﹑術(shù)語和特性；⑵常用傳感器的原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用；⑶傳感器測量電路；⑷傳感器的典型應(yīng)用。

三、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配

第1章 傳感與檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ)自學(xué)

主要內(nèi)容：

1.1測量概論

1.2測量數(shù)據(jù)的估計(jì)和處理

教學(xué)要求：

了解測量的基本概念，測量系統(tǒng)的特性，測量誤差及數(shù)據(jù)處理的各種方法。

第2章 傳感器概述2學(xué)時(shí)

2.1傳感器的組成與分類

2.2傳感器的基本特性

教學(xué)要求：

熟悉傳感器的輸出--輸入特性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的外部特性，掌握其靜態(tài)特性，動(dòng)態(tài)特性的分析方法。

第3章 應(yīng)變式傳感器4學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

3.1 工作原理

3.2 應(yīng)變片的種類、材料及粘貼

3.3 電阻應(yīng)變片的特性

3.4 電阻應(yīng)變片的測量電路

3.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

教學(xué)要求：

熟悉應(yīng)變片傳感器的工作原理及外部特性，了解其應(yīng)用范圍，掌握測量電路的分析方法。其它教學(xué)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)一應(yīng)變片性能測試實(shí)驗(yàn)3學(xué)時(shí)

實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：金屬箔式應(yīng)變片性能——單臂電橋、半橋和全橋。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：掌握使用金屬箔式應(yīng)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(shí)電路的輸出特性。

注意要點(diǎn)：確保接線正確，電源電壓不能用錯(cuò)。

第4章 電感式傳感器3 學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

4.1自感式電感傳感器

4.2差動(dòng)變壓器式傳感器

4.3電渦流式傳感器

教學(xué)要求：

了解電感式傳感器的應(yīng)用范圍，工作特點(diǎn)，掌握其組成的各種測量電路的分析方法及組成特點(diǎn)。其它教學(xué)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)二電渦流式傳感器的靜態(tài)位移性能3學(xué)時(shí)

實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：電渦流式傳感器的工作原理和工作情況，動(dòng)手自制一個(gè)渦流探頭，利用實(shí)驗(yàn)室放大器

及振蕩器對不同被測材料（即混料）進(jìn)行分選。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：研究電渦流傳感器特性，被測材料（物質(zhì)）對傳感器的特性的影響以及電渦流

傳感器的應(yīng)用。

注意要點(diǎn)：確保接線正確，激勵(lì)、響應(yīng)線圈不能用錯(cuò)。

第5章電容式傳感器3 學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

5.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)

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(yīng)用

教學(xué)要求：

熟悉電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)，掌握其在非電量測量與自動(dòng)檢測中的應(yīng)用。

其它教學(xué)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)三 變面積式電容傳感器的性能1學(xué)時(shí)

實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：變面積式電容傳感器的工作原理和工作情況。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c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(dòng)式電容傳感器特性。注意要點(diǎn)：確保接線正確，電源電壓不能用錯(cuò)。

第6章 壓電式傳感器3 學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

6.1壓電效應(yīng)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(yīng)用

教學(xué)要求：

了解壓電式傳感器具有的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍，掌握其組成的測量電路分析及應(yīng)用。

第7章 磁電式傳感器4學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

7.1磁電感應(yīng)式傳感器

7.2 霍爾式傳感器

教學(xué)要求：

掌握磁電式傳感器的各種不同類型及應(yīng)用范圍。

其它教學(xué)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)四 霍爾傳感器特性研究及應(yīng)用2學(xué)時(shí)

實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：霍爾傳感器在交、直流信號(hào)激勵(lì)下的特性。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：了解霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理；實(shí)驗(yàn)研究霍爾傳感器在交、直流信號(hào)激勵(lì)

下的特性；掌握霍爾傳感器測量振幅和稱重應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)方法。

注意要點(diǎn)：確保接線正確，電源電壓不能超出規(guī)定值。

第8章 光電式傳感器3 學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

8.1光電器件

8.2光纖傳感器

教學(xué)要求：

熟悉典型的光電器件的特性和應(yīng)用，了解光纖傳感器及其技術(shù)發(fā)展方向，掌握紅外傳感器的應(yīng)用。

第9章 半導(dǎo)體傳感器2學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

9.1半導(dǎo)體氣敏傳感器

9.2濕敏傳感器

9.3色敏傳感器

9.4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用

教學(xué)要求：

了解以半導(dǎo)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(yīng)用及其電路分析。

第10章 超聲波傳感器2學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

10.1超聲波及其物理性質(zhì)

10.2超聲波傳感器

10.3超聲波傳感器應(yīng)用用

教學(xué)要求：

熟悉超聲波傳感器的工作原理及其物理性質(zhì)，掌握超聲波傳感器的應(yīng)用。

第11章 微波傳感器1學(xué)時(shí)

主要內(nèi)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(yīng)用

教學(xué)要求：

了解壓電式傳感器具有的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍，掌握其組成的測量電路分析及應(yīng)用。

第12章 輻射式傳感器1 學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

12.1紅外傳感器

12.2核輻射傳感器

教學(xué)要求：

了解輻射式傳感器的特性及應(yīng)用。

第13章 數(shù)字式傳感器自學(xué)

主要內(nèi)容：

13.1光柵傳感器

13.2編碼器

13.3感應(yīng)同步器

教學(xué)要求：

了解數(shù)字式傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用。

第14章 智能式傳感器自學(xué)

主要內(nèi)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(xué)要求：

了解集成智能感器的特性及應(yīng)用。

第15章 傳感器在工程檢測中的應(yīng)用4學(xué)時(shí)

主要內(nèi)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(xué)要求：

了解熱電偶的結(jié)構(gòu)和原理、熱電效應(yīng)的構(gòu)成成份。掌握熱電偶的基本定律、冷端補(bǔ)償方法、測量計(jì)算方法。了解熱電阻的工作原理、結(jié)構(gòu)，掌握應(yīng)用方法。了解傳感器在工程檢測中的作用及其應(yīng)用。

四、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)及教學(xué)方法

重點(diǎn)：各種常見的、應(yīng)用廣泛的傳感器的基本原理、基本特性、轉(zhuǎn)換電路以及工程應(yīng)用，及分析、設(shè)計(jì)方法。以課堂講授為主，通過實(shí)驗(yàn)加深對所學(xué)各類傳感器的性能及工作原理理解。

難點(diǎn)：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(yīng)用》（第三版），郁有文等編著，西安科技大學(xué)出版社，2008年參考書：

1．王化祥，《傳感器原理與應(yīng)用》，天津大學(xué)出版社，第七版，2003

3．劉君華，《智能傳感器系統(tǒng)》，西安電子科技大學(xué)出版社，第一版，1999

4．單成祥，《傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用》，國防工業(yè)出版社，1999

4．趙負(fù)圖，《現(xiàn)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(yīng)用

壓電傳感器原理及其應(yīng)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(diǎn)。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(yīng)用也十分的廣泛，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航、振動(dòng)測量、機(jī)械沖擊都有不錯(cuò)的涉及。

關(guān)鍵字： 壓電傳感器

壓電原理

應(yīng)用

壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)的。居里兄弟在研究熱電性與晶體對稱，發(fā)現(xiàn)正負(fù)電荷，而且電荷密度與壓力大小成正比。居里兄弟所報(bào)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(yīng)用熱力學(xué)原理預(yù)言了逆壓電效應(yīng)，即電場可以引起與之成正比的應(yīng)變。很快這一預(yù)言被居了里兄弟用實(shí)驗(yàn)所證實(shí)了。自發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)以來，這種類型的壓電傳感器就廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，壓電傳感器的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝都有了很大的進(jìn)步。而這些對改善傳感器的性能起到了至關(guān)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(zhì)（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(jī)械力作用下，都會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。即：在這些電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力而產(chǎn)生變形時(shí)，就會(huì)引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對表面（極化面）上出現(xiàn)符號(hào)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(yīng)力張量T成正比；當(dāng)外力消失，又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)。

基于壓電效應(yīng)人們研究出一種可以自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)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(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)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(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因?yàn)榻?jīng)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(shí)才得到保存。實(shí)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(dòng)態(tài)的應(yīng)力。2.壓電材料

在自然界中，大多數(shù)的材料都具有壓電效應(yīng)，但是十分微弱。隨著人們對壓電材料的不斷研究與發(fā)現(xiàn)，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(dòng)了壓電傳感器的進(jìn)步。從最開始的石英到BaTi03壓電陶瓷，錯(cuò)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(shù)的進(jìn)展培育了許多實(shí)用化的壓電材料，薄膜工藝的進(jìn)展為壓電器件的平面化、集成化創(chuàng)造了條件。壓電材料的這一系列進(jìn)步為設(shè)計(jì)大量高性能的壓電元件提供了技術(shù)保障。

二． 壓電傳感器的應(yīng)用及發(fā)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(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)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(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)特性好。當(dāng)采用大時(shí)間常數(shù)的電荷放大器時(shí)，可測量準(zhǔn)靜態(tài)力。按測力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們在結(jié)構(gòu)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(jī)床動(dòng)態(tài)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?；鶅?nèi)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(yán)格的要求，否則會(huì)使橫向靈敏度增加或使片子因應(yīng)力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進(jìn)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(jì)。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，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(jié)構(gòu)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(zhì)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(chǎn)生的電荷量與所感受到的加速度值成正比。

國內(nèi)在壓電加速度傳感器方面的研究起步較晚，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝水平落后于國外。目前國內(nèi)壓電傳感器的主要結(jié)構(gòu)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(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)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(shù)研究所和西安204所做得較好。3.壓電傳感器用于報(bào)警裝置

玻璃破碎報(bào)警裝置它利用壓電元件對振動(dòng)敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出幾千赫茲至幾十千赫茲的振動(dòng)，使用時(shí)將高分子壓電薄膜傳感器粘貼在玻璃上，感受這一振動(dòng)，然后通過電纜和報(bào)警電路相連，將壓電信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。為了提高報(bào)警器的靈敏度，信號(hào)經(jīng)放大后，再經(jīng)帶通濾波器進(jìn)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(dòng)的波長在音頻和超聲波的范圍內(nèi)，這就使濾波器成為電路中的關(guān)鍵。只有當(dāng)傳感器輸出信號(hào)高于設(shè)定的閾值時(shí)，才會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。玻璃破碎報(bào)警器可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其他商品柜臺(tái)保管等場合 4.壓電陶瓷應(yīng)用

壓電陶瓷具有極高的靈敏度，壓電高壓發(fā)生器利用正壓效應(yīng)可以把振動(dòng)轉(zhuǎn)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(jī)、炮彈的引爆壓電雷管等點(diǎn)火。

壓電傳感器發(fā)展迅速，當(dāng)今世界各國壓力傳感器的研究領(lǐng)域也十分廣泛。歸納起來主要有以下幾個(gè)趨勢。（1）小型化。小型化會(huì)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(jīng)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(tǒng)，集成系統(tǒng)在過 程控制和工廠自動(dòng)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(xiàn)，在集成電 路中可添加一些微處理器，使得傳 感器具有自動(dòng)補(bǔ)償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。（4）系統(tǒng)化。單一化產(chǎn)品在市場上沒有大的競爭力。市場風(fēng)云突變，一旦失去 市場，發(fā)展則停滯不前，經(jīng)濟(jì)效益差，資金浪費(fèi)大，產(chǎn)品成本高。（5）標(biāo)準(zhǔn)化。傳感器的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如 IEC、ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)，美國的 ANSIC、ANSC、MIL-T 和 ASTME 標(biāo)準(zhǔn)，日本 JIS 標(biāo)準(zhǔn)，法國 DIN 標(biāo)準(zhǔn)。

三、總結(jié)

壓電式傳感器，作為傳感器的一種，它具有自己鮮明的特點(diǎn)。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(yīng)用也十分的廣泛，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航、振動(dòng)測量、機(jī)械沖擊都有不錯(cuò)的涉及。

但是，壓電傳感器在擁有眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在著許多缺點(diǎn)，展望今后的研究重點(diǎn)，可能會(huì)有以下幾個(gè)方面：(1)從研究的成果來看，理論研究離工程實(shí)用還有一定的差距，工程實(shí)用化方面研究也相當(dāng)薄弱，具體表現(xiàn)在理論及仿真研究較多，而實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相對較少，研究對象以簡單的梁板結(jié)構(gòu)較多，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究還相當(dāng)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(tǒng)只能在一定范圍內(nèi)滿足近似的線性要求，并容易受外界多種環(huán)境的影響。非線性特性的存在使壓電元件重復(fù)性差、檢測精度低，瞬態(tài)位置響應(yīng)速度慢，可控性變差，成為壓電元件進(jìn)一步工程應(yīng)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(fā)揮壓電元件的性能，國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)從壓電元件非線性特性形成機(jī)理、外環(huán)及內(nèi)環(huán)非線性特性及控制方法等方面開展了相關(guān)研究。(3)壓電材料的壓電特性有待于進(jìn)一步提高，這使得壓電材料的應(yīng)用受到極大限制。各國學(xué)者正在努力開發(fā)，一旦找到一種優(yōu)異的壓電材料，將會(huì)取代傳統(tǒng)的、笨重的機(jī)電換能設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、馬達(dá)等。到那時(shí)，壓電研究將會(huì)全方位地發(fā)展，甚至可能影響到我們生活的各個(gè)方面。我相信隨著科技的發(fā)展，人工材料會(huì)制作的更加完美，壓電式傳感器會(huì)更加適合人們的要求。壓電式傳感器和科技將會(huì)互相推動(dòng)互相發(fā)展。

第四篇：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，它們通過接收人體信號(hào)，對人體信息進(jìn)行檢測，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(jīng)系統(tǒng)傳遞給大腦進(jìn)行加工處理。傳感器則是一個(gè)測量控制系統(tǒng)的“電五官”，他感測到外界的信息，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)沒有傳感器，就相當(dāng)于人沒有五官。

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，才使得我們在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)特征的檢測、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，它能把各種被觀測的生物醫(yī)學(xué)中的非電量轉(zhuǎn)換為易觀測的電量，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的量劃分為以下三類：

（1）物理傳感器：用于測量和監(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。

（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。

（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。

傳感器按尺寸劃分有：常規(guī)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(xì)胞檢測）和納米傳感器（納米級，可用于細(xì)胞內(nèi)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(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)被噪聲淹沒的現(xiàn)象，無法獲得有用的信號(hào)，測量無效。

（2）有良好的線性和較高的響應(yīng)速度

線性好是指傳感器的輸出信號(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)性好是指傳感器反復(fù)使用，其性能不變。一致性好是指傳感器的互換性強(qiáng)，在生產(chǎn)與修理中尤為重要。選擇性好是指傳感器只對確定目標(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)給人體帶來毒性。傳感器的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)應(yīng)與待測部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，對被測對象的影響要小，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)，每例測定僅需要幾分錢人民幣，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)上不僅提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，更是縮短了整個(gè)過程所需的時(shí)間，進(jìn)一步提供了救治病人的先機(jī)。

（3）操作系統(tǒng)比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(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)開發(fā)的儀器也已問世，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合可取代光度法測定，有潛在應(yīng)用前景；測定胸外科病人乳酸指標(biāo)的生物傳感器也已開始應(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, 血流速度測定, 生物信號(hào)的混沌測量等等。

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，腦干聽覺誘發(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)對所研究對象信號(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。這給信號(hào)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(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，必須借助統(tǒng)計(jì)處理技術(shù)來檢測、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,簡稱方法所謂誘發(fā)反應(yīng)是指肌體對某個(gè)外加刺激所產(chǎn)生的反應(yīng),AEV方法常用來檢測那些微弱的生物醫(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, 它們在用丫方法檢測出之前, 幾乎或完全淹沒在很強(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)的混沌測量

傳統(tǒng)的測量技術(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)混沌用于測量閉可以說是一種嘗試, 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)行精確的測量, 可是生物的感覺器官就是極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng), 其檢測靈敏度卻遠(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)混沌測量的基本思路就是把蝴蝶效應(yīng)倒過來應(yīng)用將敏感元件作為混沌電路的一部分, 其敏感參數(shù)隨待測量變化而變化, 并使系統(tǒng)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(tǒng)測量的新方法。

三、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理方法

簡單的信號(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)律稱為趨勢函數(shù)，一旦從這類信號(hào)中除去趨勢函數(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)問題，必須在采樣以前，將信號(hào)通過一個(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)出版社錢小紅 謝劍煒 主編 《生物醫(yī)學(xué)測量與儀器》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》 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

第五篇：傳感器原理與應(yīng)用復(fù)習(xí)

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(gè)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(jié)果顯示為1.2MPa，求1）最大引用誤差δnm；2）可能出現(xiàn)的最大絕對誤差Δm；3）示值相對誤差δx＝？

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

例4：機(jī)械式指針位移傳感器，當(dāng)輸入信號(hào)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(jìn)行某動(dòng)態(tài)壓力測量時(shí)，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(tái)筆式記錄儀上，記錄儀的靈敏度為20mm/V。試計(jì)算這個(gè)測量系統(tǒng)的總靈敏度。當(dāng)壓力變化為3.5MPa時(shí)，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(shù)是1，真空中介電常數(shù)為8.85×10-12F/m,試計(jì)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(yīng)變片，其靈敏度為2，電阻溫度系數(shù)為20×10-6/oC，敏感柵材料的線膨脹系數(shù)為15×10-6/oC，鋼件的線線膨脹系數(shù)為11×10-6/oC，彈性模量E為2×1011N/m2,求：（1）當(dāng)環(huán)境溫度變化為10oC時(shí)，應(yīng)變熱輸出為多少？相當(dāng)于試件產(chǎn)生多大應(yīng)力？

（2）當(dāng)=1000uε時(shí)，由于熱輸出產(chǎn)生的溫度誤差γt是多少？

例8：半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度為120，電阻為120歐姆，金屬電阻應(yīng)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(yīng)變?yōu)槎嗌伲?/p>