医学传感器复习题目答案

1.传感器定义，重要性P1-P2+PPT传感器的定义：能感受或响应规定的测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。重要性:各个学科的发展与传感器技术有十分密切的关系。例如：工业自动化、农业现代比、航天技术、军事工程、机器人技术、资源开发、海洋探测、环境监测、安全保卫、医疗诊断、交通运输、家用电器等方面都与传感器技术密切相关。这些技术领域的发展都离不开传感器技术的支持，同时也是传感器技术发展的强大动力。离开传感器就没有我们今天的生活。2.医用传感器定义。PPT能够感知多数为非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。3.为何转换成电信号P2+PPT反映生命的信息绝大多数属于非电量，其放大和处理是十分困难的。而医学传感器把生物信号换成电信号，经放大器及预处理器进行信号放大和预处理，然后经A/D转换器进行采样，将模拟信号转变为数字信号，输入计算机，然后通过各种数字信号处理算法进行信号分析处理，得到有意义的结果4.传感器，换能器，执行器的关系传感器：这种装置用来感知被监测系统的参数，它能把特定的被测参数的信息（包括物理量、化学量和生物量等）按一定规律转换为某种便于处理，易于传输的信号（如电信号、光信号等）。换能器：它是一种装置，这种装置可将能量从一个域（如电能）变换到另一个域（如超声波），反之亦然。推广来讲，它可将能量从一种类型转变成另一种类型。因此对transducer确切翻译应为换能器。执行器：它也是一种装置，这种装置接收电能后可对系统状态施加影响，如电机（它可施加扭矩）、水泵（它施加压力或改变流体速度）、电动移动工作台等。5.医疗哪三个环节需要传感器，举例诊断（心音、血压、脉搏、呼吸、体温等信息）、治疗（自动呼吸机、电子价值）、监护（监视体温、脉搏、动脉压、静脉压、呼吸和心电等一系列参数的而变化情况），三个环节都离不开传感器。6.传感器的基本分类一.传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和生物型三大类。二.按功能分类：电传感器、磁传感器、位移传感器、压力传感器、振动传感器、声传感器、速度传感器、加速度传感器、流量传感器、流速传感器、真空度传感器、温度传感器、湿度传感器、光传感器、射线传感器、分析传感器、仿生传感器、气体传感器和离子传感器等。三.按行业：工业、环保、军用、宇航、医用7.医用传感器的分类、举例答：医用传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和生物型三大类。物理传感器是利用物理性质和物理效应制成的传感器；化学传感器是利用化学性质和化学效应制成的传感器；生物传感器是利用生物活性物质作为分子识别系统的传感器。例如，物理传感器有半导体压阻式传感器，压电效应传感器，光电效应传感器等。化学传感器有湿度传感器，不同种类的离子敏感电极，离子敏场效应管等。生物传感器有酶传感器，微生物传感器，免疫传感器等。8.被测医学量特点答：1.被测量生理参数均为低频或超低频信息．频率分布范围在直流一300Hz。2.生理参数的信号微弱，测量范围分布在μv—mv数量级。3.被测量的信噪比低．且噪声来源可能是多方面的。人体是一导电体，体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰生理信息的检测。4.人体是一有机整体，各器官功能密切相关，传感器所拾取信息往往是由多种参数综合而形成的。5.随机性信号较多----不确定性因素9.医用传感器发展方向趋势答：1.微系统2.智能化3.多参数4.光传感器5.无创检测6.新材料、新原理10.静态特性和动态特性定义及区别，传感器何种情况下需要评价动态特性区别：静态特性：输入量为常量，或者变化极慢。动态特性：输入量随时间较快地变化。输入信号随着时间变化较快的时候需要评价动态特性。11.静态数学模型，主要指标指标：线性度，迟滞，重复性，灵敏度，灵敏度误差，分辨力，阈值，稳定性，温度稳定性，抗干扰稳定性，静态误差。传感器的静态模型常为多项式y=a0+a1x+a2x2+a3x3+···在经过零点校正后（a0=0）y=a1x+a2x2+a3x3+···12.线形度三种求法，两端点连线法计算。如何补偿，哪些传感器是线形的，哪些是非线性的。线性度三种求法：端点连线法，最佳直线法，最小二乘法。两端点连线的计算：请参照第二章PPT《传感器的基本知识》第26页例题中的第二小问。电容传感器就是非线性传感器，y=a1x。线性传感器——理想，近似。如电位器式传感器。实际的输出——输入曲线与拟合曲线（工作曲线，一般为直线）间必有偏差，其最大偏差的相对值El即为线性度。补偿方法：同时测量两侧头反向移动信号，再经相减，可消除偶次项。13.灵敏度定义，求法，与分辨率的关系定义：传感器的灵敏度指传感器达到稳定后输出变化量△y对输入量△x的比值。求法：k=△y/△x与分辨率的关系：分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量的最小变化的能力。灵敏度越高，分辨率越好。14.重复性，回程误差，稳定性的区别重复性：反映了传感器在输入量按同一方向（增或减）全量程多次测试时，所得到的特性曲线的不一致程度。回程误差：也称迟滞误差。常用绝对误差表示。检测回程误差时可选择几个测试点。对应每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出的信号差值的最大者即为回程误差。稳定性：传感器在相当长的时间内仍保持其原性能的能力。15.准确度与精密度，正确度关系准确度：被测量结果与约定真值一致的程度，是精密度和正确度的综合。精密度：同一测量条件下测量指示值不一致的程度，反映随机误差大小。正确度：测量结果有规律偏离真值的程度，反映测量结果中系统误差大小。16.举例说明0阶，一阶，二阶的医用传感器零阶传感器：y(t)=kx(t)传感器的动态特性用上述方程式来描述的就称为零阶系统。如：电位器式传感器一阶传感器：)()()(tkxtydttdy传感器的动态特性用上述方程式来描述的就称为一阶系统。如：玻璃液体温度计二阶传感器：)()()(2)(2222tkxtydttdydttydnnn传感器的动态特性用上述方程式来描述的就称为二阶系统。如：测血压、生理压力传感器、加速度型心音传感器等。17.传递函数是怎么来的当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数18.动态特性评价最常用何种方法，简单计算最常用的阶跃响应法和频率响应法，输入信号为时域内阶跃信号和频域内正弦信号。19.一阶，二阶阶跃特性取决于哪个参数一阶传感器动态响应取决于τ，τ越小越好。τ是一阶系统决定参数阻尼比ξ是二阶系统决定参数20.干扰来源1.外部原因对传感器的不良影响1)生理作用：麻醉扰乱血压传感器正常值2)传感器本身的阻碍，使血流不正常3)机械干扰：振动、冲击4)热干扰：热膨胀、温差5）音响干扰2.人体静电的影响当由于精密仪器设备所处的环境中湿度太低、空气太干燥、穿绝缘底鞋在化纤地毯上行走、化纤衣服相互磨摔、接近高压电场等，都会在人身上产生静电，最高时可达上万伏特。3.交变电场的影响在我们所处的环境中有相当多的交流电，人体处于交变电声之中会感应交变电荷，其能量的等级虽然较低，但由于精密仪器设备所测试的信息源的能量等级更低，如对人进行生物电如心电、脑电测量时，被测信号微弱的在μＶ量级甚至更低，所以在此环境中不采取抗干扰措施，干扰将会把检测信号淹没，无法得出正确数据。4.强磁场的影响对策由于特殊诊断的需求，有储如磁共振等医疗设备周围分布着强磁场，它会使显像管、Ｘ射线影像增强器显示图像变形失真；加速器射线偏移；计算机磁盘、磁卡记录数据破坏；呼吸机工作失灵；还有可能发生心脏起博器工作失效而危及患者的生命。5.高频辐射的影响在我们生活的空间充满了来自各方面的电磁辐射。如无线电台发射的电磁波、移动电话、各种电火花、高频设备、日光灯、可控电路、各种电机、汽车、雷电、太阳异常活动等等，均会产生高频电磁污染，有些还会串入电网，干扰使用设备，精密仪器设备的安装布线不合理也会产生不良耦合。21.安全要求一.安全性标准国正在拟定GB9706.1标准的并列标准GB9706.1.1医用电气系统安全要求。二.电气安全医用电气设备的安全检测是十分重要的，如仪器漏电流100μA，直接通过人的心脏，就有室颤的危险对组成系统的外壳漏电流的要求正常状态下在患者环境内来自系统或系统部件之间的允许的外壳漏电流不得超过0.1mA。即使在任何非永久性安装的保护接地导线断开的情况下，在患者环境内来自系统或系统部件之间的允许的外壳漏电流不得超过0.5mA。正常状态下，B型设备和BF型设备的患者漏电流不得超过0.1mA，CF型设备的患者漏电流不得超过0.01mA。B型：可用于除心脏外的体内外CF型：可用于心脏保护接地导线的连接应做成：在去除系统中某一台设备时，若不同时断开来自相关部分的供电源，便不能断开保护供电电源；在设备外面保护接地导线应与网电源供电线一起布线三.生物医学材料安全性传感器材料对人效应要求：1.无毒2.无热源反应3.不致癌4.不引起过敏，干扰免疫机制反应5.不发生材料表面钙化沉着对传感器材料要求1.生物医用材料应具有良好的血液相容性和组织相容性。2.要求耐生物老化。即对长期植入的材料，其生物稳定性要好；对于暂时植入的材料，要求在确定时间内降解为可被人体吸收或代谢的无毒单体或片断。3.物理和力学性质稳定、易于加工成型、价格适当。4.便于消毒灭茵、无毒无热源、不致癌不致畸也是必须考虑的。常用医用传感器材料1.金属：铂、金、不锈钢、钛、钽银只能作为皮肤电极，铜不可用2.非金属：生物陶瓷、生物玻璃、碳素材料3.高分子材料：合成、天然四.激光安全第一级激光器：即无害免控激光器。这一级激光器发射的激光，在使用过程中对人体无任何危险，即使用眼睛直视也不会损害眼睛。对这类激光器不需任何控制。第二级激光器：即低功率激光器。输出激光功率虽低，用眼睛偶尔看一下不至造成眼损伤，但不可长时间直视激光束。否则，眼底细胞受光子作用而损害视网膜。但这类激光对人体皮肤无热损伤。第三级激光器：即中功率激光器。这种激光器的输出功率如聚焦时，直视光束会造成眼损伤，但将光改变成非聚焦，漫反射的激光一般无危险，这类激光对皮肤尚无热损伤。第四级激光器：即大功率激光器，此类激光不但其直射光束及镜式反射光束对眼和皮肤损伤，而且损伤相当严重，并且其漫反射光也可能给人眼造成损伤。22.电位器式传感器主要特点，如何作为医用传感器应用。特点：空载特性，有载特性，阶梯特性，分辨率和阶梯特性。可以通过阶梯特性的改进作为医用传感器应用。23.应变电阻传感器有几种，有何不同（灵敏度、温度系数），测量原理，特性如何分为丝式，箔式，半导体式三种。金属应变计有:丝式和箔式。优点:稳定性和温度特性好；.缺点:灵敏度系数小.测量原理：电阻应变计把机械应变信号转换成ΔR/R后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路或仪器，把应变计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。特性：1、高灵敏度系数(小的应变引起电阻大的变化)。2、高的直线性。3、应变次数。4、高疲劳寿命。5测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测，误差小于1%。6应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便。7测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量。8测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1%～0.2%。9适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。10便于多点测量、远距离测量和遥测。11价格便宜，品种多，工艺较成熟。24.直流电桥电路图25.单桥，半桥，全桥的应变灵敏度26.半桥，全桥的应变片布置法27.全桥的好处28.应变片测量如何补偿温度影响答：1.自补偿法：分单丝自补偿法（适当选取栅丝的温度系数及膨胀系数，以满足εt=0）和组合式自补偿法（应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成）；2.线路补偿法（电桥补偿法）3.采用热敏电阻进行补偿4串联负温度系数二