医用传感器_重点习题解答例题解答_仅供参考

医用传感器第一章***PPT重点：1.传感器的定义和组成⑴定义：传感器：能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置——《传感器通用术语》生物医学传感器：能将各种被观测的生物医学中的非电量转换为易观测的电学量的一类特殊的电子器件⑵组成：2.传感器的作用①提供信息②监护③生化检验④自动控制⑤参与治疗3.医用传感器的特性和要求⑴特性：①足够高的灵敏度②尽可能高的信噪比③良好的精确性④良好的稳定性⑤足够快的响应速度⑥较好的互换性⑵要求：①生物相容性②物理适形性③电的安全性④使用方便性***课后习题：1.生物医学信号有那些特点？由此对医用传感器有那些要求？答：生物医学信号的特点：非电量、信号微弱、信噪比低、频率低；对医用传感器的要求：高灵敏度、高信噪比、良好的精确性、足够快的响应速度、良好的稳定性和较好的互换性。2.为什么说检测类仪器的整体结构中，传感器起着关键性的作用？答：由于生物医学信号所具有的特点，使得仅仅依靠放大电路的模拟滤波和计算机的数字滤波很难达到检测的要求，而传感器是将非电量转换为电学量的器件，决定着检测的可能性和检测仪器的精确性、可靠性和应用范围。3.医用传感器有那些用途和分类方法？答：⑴用途：①提供信息②监护③生化检验④自动控制⑤参与治疗；⑵分类方法：㈠按工作原理分类：①物理传感器②化学传感器③生物传感器㈡按被测量的种类分类：①位移传感器②流量传感器③温度传感器④速度传感器⑤压力传感器㈢按与人体感官相对应的传感器的功能分类：①视觉传感器②听觉传感器③嗅觉传感器4.医用传感器主要是用于人体的，与一般传感器相比，还必须满足那些条件答：生物相容性；物理适形性；电的安全性；使用方便性。（此处应简要说明这4种特性）第二章PPT重点1.传感器的静态特性当输入量处于稳定状态或发生较为缓慢的变化时的输入量与输出量之间的关系。通常由传感器的物理、化学和生物的性质来决定。2.掌握静态特性方程⑴在不考虑迟滞、蠕变和不稳定性等因素：y是输出信号2012nnyaaxaxaxx是输入信号a0是无输入时的输出，零位输出（即传感器的零偏）a1：传感器的线性灵敏度a2、a3、…an：传感器的非线性项系数⑵不考虑零位输出：㈠理想线性特性，如图2-1（a）㈡非线性项次数为偶数，如图2-1（b）㈢非线性项次数为奇数，如图2-1（c）㈣一般情况，如图2-1（d）3.掌握静态特性指标⑴测量范围①传感元件测量范围有限制②变换电路工作范围有限制⑵灵敏度传感器达到稳定后输出变化量△y对输入变化量△x的比值，通常用k表示：灵敏度与测量范围有关！⑶线性度传感器特性曲线与你和直线间最大偏差（△Y_max）与传感器满量程（FS）输出值（Y_fs）的百分比，用L代表线性度⑷迟滞对应于统一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不等，这种现象称为迟滞。大小用正向和反向行程的输出信号间的最大偏差（△H_max）与满量程输出值（Y_fs）的百分比来表示各种传感元件材料的物理性质是产生迟滞现象的原因⑸稳定性传感器输入端加进同样大小的输入时，最理想的情况是不管什么时候输出值的大小保持不变。漂移：传感器在连续使用过程中，即使输入保持一定，有时也会出现输出朝一个方向偏移的现象。输入值是零也会发生漂移。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移习题：1、传感器的静态特性是什么？有哪些性能指标？如何计算和处理？参考上面总结归纳的第二章重点1.2.3.2、用传感器静态方程说明差动测量方法的优点。例题：第三章***PPT重点电阻式传感器1.应力和应变参考课本p202.应变片式传感器：⑴金属应变效应金属导体的电阻值随其机械变形而发生变化的现象。⑵性能指标：㈠灵敏系数应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数K0。原因主要是胶层传递变形失真及横向效应。金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。㈡横向效应因弯折处应变的变化使灵敏系数减小的现象称之为应变片的横向效应㈢温度特性应变片电阻随温度变化，产生原因有二①应变感栅的金属电阻本身随温度发生变化②试件材料与应变材料的线膨胀系数不同引起应变片附加形变△Rt/R0=α·△t+κ·(βs-βg)·△t令αt=α+κ·(βs-βg)则△Rt=R0·αt·△tRt：温度为t时的电阻值；R0：温度为t0时的电阻值；α：电阻温度系数βg:应变片线膨胀系数βs:试件线膨胀系数㈣最高工作频率①机械应变以相同于声波速度的应变波形式在材料中传播。*垂直方向传播：可忽略。*在敏感栅长度方向传播：应变片反映应变片长度内应变量的平均值。②应变片的最高工作频率与应变片线栅的长度（或称基长）有关。金属应变效应与半导体压阻效应的异同3.固态压阻式传感器半导体的压阻效应：半导体材料在机械应力的作用下，材料本身的电阻率会发生较大的变化4.电阻式传感器测量电路直流电桥差动电桥⑴单臂U0=0.25U*△R/R⑵双臂U0=0.5U*△R/R⑶四臂（全桥电路）U0=U*△R/R注意：全臂电桥的通用表达式习题：P415、8.解：根据灵敏系数的概念可知：RkR所以，432002.06100.240.241.210200RRkRR根据单臂变化的等臂电桥的输出电压公式：340.250.2531.210910oRUUR9、10、这个做的不对！第四章**重点一、电容式传感器基本工作原理、结构和特点二、电容式传感器测量电路交流电桥变压器电容电桥差动脉宽调制电路运算放大器测试电路三、电容式传感器的应用**例题置于某储存罐的电容式液位传感器由半径为20mm和4mm的两个同心圆柱体组成，并于存储罐等高。存储罐也是圆柱体，半径为25cm，高为1.2m，被储存液体的介电常数为2.1.试计算传感器的最大电容和最小电容以及传感器用在该存储器内时的灵敏度。**习题1.已知：平板电容传感器极板间介质为空气，极板面积2)22(cmaaS，间隙mmd1.00。试求传感器初始电容值；若由于装配关系，两极板间不平行，一侧间隙为0d，而另一侧间隙为)01.0(0mmbbd。求此时传感器电容值。解：初始电容值pFdSdSCr37.3501.06.322000式中.1;/6.310rcmpF如图3-1所示两极板不平行时求电容值pFdbbadxabdxabdbaxabdadxCrarar7.33)11.001.0ln(001.06.322)1ln()(02000000006.二极管环形检波测量电路。C1和C2为差动式电容传感器，C3为滤波电容，RL为负载电阻。R0为限流电阻。UP是正弦波信号源。设RL很大，并且C3C1,C3C2。⑴试分析此电路工作原理；xdxbd0a图3-1⑵画出输出端电压UAB在C1=C2、C1C2、C1C2三种情况下波形图；⑶推导),(21CCfUAB的数学表达式。解：⑴工作原理：UP是交流波信号源，在正、负半周内电流的流程如下。正半周F点点点点点BREDCIBRCDCLA0321311)(//负半周B点点点点点FCDERIFCDARCL1402223)(//由以上分析可知：在一个周期内，流经负载电流RL的电流I1与C1有关，I2与C2有关。因此每个周期内流过负载对流I1+I2的平均值，并随C1和C2而变化。输出电压UAB可以反映C1和C2的大小。⑵UAB波形图如图3-5(b）所示。由波形图可知0,0,0,212121ABABABUCCUCCUCC⑶),(,21332211CCCCUCjIUCjIPP阻抗可忽略，，则ABABZIIU)(21=332111)(CjRcjRUCCjLLP（RL很大故可化简，31Cj可忽略）BC3D3D2～D1D4C1C2R0RLAUPFEC1=C2UABt0ABUC1C2UABt0ABUC1C2UABt0ABU(a)(b)图3-5=PPUCCCUCjCCj321321)输出电压平均值PABUCCCKU321，式中K为滤波系数。第五章**重点一、电涡流式电感传感器原理二、相敏检波电路工作原理第六章**例题一、已知某压电式传感器测量低信号频率f=1Hz，现要求在1Hz信号频率时其灵敏度下降不超过5%，若采用电压前置放大器输入回路总电容C1=500pF。求该前置放大器输入总电阻Ri是多少？这样写就太简单了！应写出理想与实际情况下输入电压的表达式！二、如图所示电荷前置放大器电路，已知Ca=100pF，Ra=∞，CF=10pF。若考虑引线Cc的影响，当A0=104时，要求输出信号衰减小于1%。求使用90pF/m的电缆其最大允许长度为多少？同上一题！第七章**例题已知某霍尔元件尺寸为长l=10mm，宽b=3.5mm，厚d=1mm。沿l方向通以电流I=1.0mA，在垂直于b×l面方向上加均匀磁场B=0.3T，输出霍尔电势UH=6.55mV。求该霍尔元件的灵敏度系数KH和载流子浓度n是多少？第八章**例题例1.热端为100℃、冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势？例2.用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为2.436mV。再用温度计测出环境温度为30℃(且恒定)，求池水的真实温度。**习题用补偿热电偶可以使热电偶不受接线盒所处温度t1变化的影响如图所示接法。试用回路电势的公式证明解：如图1.118(a)所示，AB为测温热电偶，CD为补偿热电偶，要求补偿热电偶CD热电性质与测温热电偶AB在0-100℃范围内热电性质相近，即有EAB(t)=ECD(t)。1.118电路图根据热电特性，可以画出如图1.120(b)等效图。因此回路总电势EABCD(t，tl，t0)主要是由四部分接触电势组成。则有:EABCD(t,t1,t0)=EAB(t)+ECD(t0)+EBD(t1)+EAC(t1)(1)根据热电势特性，当回路内各点温度相等时，回路电势为零。即当t=t0=t1时，EABCD=0得：EBD(t1)=EAC(t1)+ECD(t1)+EAB(t1)(2)因为EAB(t1)=ECD(t1)，故(2)式等于零。此时将(2)式代人(1)式有：EABCD(t,t1,t0)=EAB(t)+ECD(t0)+EAB(t)+EAB(t0)+EAB(t,t0)由以上结果可知与接线盒处的温度t1无关，只要保持补偿热电偶处t0恒定即可正常测温。