传感器的基本特性.ppt

绪论传感器的基本特性生物医学传感器阮萍生物医学工程系E-mail:[e-mail]1绪论传感器的基本特性1、自动门，利用人体的红外微波来开关门。2、烟雾报警器，利用烟敏电阻来测量烟雾浓度，从而达到报警目的。3、手机，数码相机的照相机，利用光学传感器来捕获图象。4、电子称，利用力学传感器。5、水位报警，温度报警，湿度报警，光学报警等是智能传感器。在工业生产中，利用传统的传感器无法对某些产品质量指标（例如，黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等）进行快速直接测量并在线控制。而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量（如温度、压力、流量等）。6、医疗器械应用中的传感器，呼吸器械：麻醉机、睡眠呼吸机、制氧机和呼吸机。输液泵：触力传感器、霍尔效应磁位置传感器、红外传感器。诊断用器械：血液分析仪、血细胞分析仪、免疫测定分析仪、临床化学分析仪、质谱仪、色谱仪（气相、液相、高效液相）和实验室的自动系统等。传感器的应用2绪论传感器的基本特性《生物医学传感器》是生物医学工程专业主要专业课程。通过该课程的学习，掌握生物医学传感器工作原理，为传感器的选择、使用、设计以及进一步深入研究具备良好的基础。课程简介生物医学传感器是构成各种医疗设备和检测仪器的关键设备。医学传感技术是获取人体乃至生物信息的关键技术，它综合了生物、医学、电子、信息等技术，是生物医学领域最重要的学科之一。3绪论传感器的基本特性重点：各类生物医学传感器的工作原理、典型应用。4绪论传感器的基本特性学习资料：1.教科书：《医用传感器》-----普通高等教育“十一五”国家级规划教材，陈安宇主编，第二版，2008年5月2.参考书：《现代生物医学传感技术》------浙大王平主编，第二版，2005年版《生物医学传感器原理及应用》-----彭承琳主编九五国家级重点教材，2000年版5绪论传感器的基本特性6绪论传感器的基本特性相关期刊•中国医疗器械世界医疗器械•中国生物医学工程学报中国医学物理学杂志•医疗卫生装备传感器技术•传感技术学报仪表技术与传感器•BiosensorsandBioelectronics•BioMedicalEngineeringOnLine•JournalSensorsandActuators•NatureScience7绪论传感器的基本特性网上资源8绪论传感器的基本特性9绪论传感器的基本特性3.网上资源10绪论传感器的基本特性11绪论传感器的基本特性总学时：72学时，其中理论54学时，实验18学时。学分：4学分课程性质：专业必修课理论课:每周1次，每次3节，周一下午6-8节实验课:6次，每次3节；时间第4~16周，周一3-5节单周:生物医学电子仪器方向双周:医学影像技术方向（地点：生物医学工程实验室–四楼）教学安排12绪论传感器的基本特性考核形式：理论考试占60-70%，实验成绩占20%。平时成绩占10-20%。理论考试：期终考试。实验成绩：实验报告和平时实验操作。平时成绩：学习态度，平时作业、表现专题展示等。13绪论传感器的基本特性关于实验报告要求:每次实验前预习，撰写实验报告。实验报告内容包括：实验名称、实验目的、实验内容、实验步骤和实验结果。•认真、独立、按时完成并提交实验报告•实验报告使用学校印刷的实验报告本14绪论传感器的基本特性学习方法：1．上课认真听课，关注教学知识。2．课后及时复习，注意教师课件。3．多种方式查阅资料，拓展学习内容。4．完成课后老师布置的练习。5．每章必须自行小结。15绪论传感器的基本特性二、传感器的作用一、传感器的定义三、传感器的分类四、传感技术的发展趋势16绪论传感器的基本特性一、传感器的定义能感受(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，称为传感器。传感器通常由敏感元件、转换元件和电子线路组成。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：17绪论传感器的基本特性敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。电子线路，由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算、调制等。18绪论传感器的基本特性例：应变式力传感器弹性膜片—敏感元件，将力转换为弹性膜片的变形应变片—转换元件，将弹性膜片的变形转换成电阻值的变化19绪论传感器的基本特性传感器的物理定义:传感器是指能将各种非电量转换成电信号的部件，这是因为电信号是最适合于处理、传输、转换和定量运算。•传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的处理、传输、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。20绪论传感器的基本特性生物医学传感器顾名思义，它是应用于生物医学领域的那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息，而它的输出常以电信号来表现。生物医学传感器的定义：传感器通常是将其它形式的能量转换成电能，所以又把传感器叫做换能器。21绪论传感器的基本特性1．信息的收集二、传感器的作用2．信息数据的转换3．控制信息的采集检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。22绪论传感器的基本特性AirflowSensorWaterTemperatureOilPressureAccelerometerCOSensor汽车中的传感器23绪论传感器的基本特性AirflowSensorWaterTemperatureOilPressureAccelerometerCOSensor跨江大桥现场物理层传感器及数据采集传输系统数据层数据处理及数据库管理系统信息层信息处理及应用系统应用层数据采集及通信软件综合数据库管理软件安全营运及预警报告系统软件维护决策支持系统软件健康状况评估专家系统软件信息查询统计分析远程管理状态评估养护决策费用分析预警预报灾害处理环境载荷检测温度、风速风向、雨量等车辆载荷检测车速、交通量、视频、称重等结构响应检测张力、应变、线型、位移等24绪论传感器的基本特性Straingauge25绪论传感器的基本特性电动机转速测量26绪论传感器的基本特性CCD图像传感器用于图像记录27绪论传感器的基本特性“电五官”人体与自动化测控系统的对应关系28绪论传感器的基本特性传感器在医学中的作用医学研究和进行疾病诊断都要求获得人体各方面的信息。如心脏疾病的诊断，它要求来自从系统到器官、组织、细胞、分子等各层次的信息，即心音、血压、心电、心肌组织信息等。实现这些生物信息的检测手段就是依靠各种各样的医用传感器（medicalsensor）。医用传感器就是感知生物体内各种生理的、生化的和病理的信息，把它们传递出来并转化为易处理的电信号装置。29绪论传感器的基本特性随着科学技术的发展，医学科学已进入崭新的阶段，从定性医学走向定量医学，从宏观的人体组织到微观的细胞和分子，生物医学传感器起了重要作用，它延伸了医生的感觉器官，可帮助医生进行客观正确的定量分析。如用压电传感器测手的微振动，测心室内部压力，测心内瓣膜振动等；用固态压阻传感器测指尖、桡骨和手腕等部位的脉压；用电阻应变片测呼吸气流、脉象和肌肉力等。30绪论传感器的基本特性医用传感器的用途有：（1）提供诊断用信息：检测正常或异常生理参数。如心音、血压、脉搏、血流、呼吸、体温等信息，供临床诊断和医学研究用。如：先心病病人手术前须用血压传感器测量心内压力，估计缺陷程度。31绪论传感器的基本特性（2）监护：长时间连续测定某些参量，监视这些参量是否处于规定的范围内，以便了解病人的恢复过程，出现异常时及时报警。在ICU病房，对危重病人的体温、脉搏、血压、呼吸、心电等进行连续监护的监护仪。32绪论传感器的基本特性（3）疾病治疗和控制：利用检测到的生理参数控制人体的生理过程。例如：自动呼吸器就是用传感器检测病人的呼吸信号来控制呼吸器的动作，使之与人体呼吸同步。电子假肢就是用测得的肌电信号控制人工肢体的运动。体外循环中的血流、血压控制等。33绪论传感器的基本特性（4）临床检验：除直接从人体收集信息外，临床上常从各种体液（血、尿、唾液等）样品获得诊断信息，即生化检验信息。它是利用化学传感器和生物传感器来获取，是诊断各种疾病必不可少的依据。34绪论传感器的基本特性三、传感器的分类传感器种类繁多,功能各异。由于同一被测量可用不同转换原理实现探测,利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器,而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域,故传感器有不同的分类法。35绪论传感器的基本特性按大类分传感器物理传感器:利用物理性质和物理效应制成的传感器。化学传感器:把人体内某些化学成分、浓度等转换成与之有确切关系的电学量的器件。生物传感器：利用生物活性物质具有的选择识别待测生物化学物质的能力而制成传感器。36绪论传感器的基本特性分类方法传感器的种类说明按输入量分类位移传感器、温度传感器、压力传感器、、、传感器以被测物理量命名按工作原理分类应变式、电容式、电感式、压电式、热电式、传感器以工作原理命名按物理现象分类结构型传感器传感器依赖其结构参数变化实现信息转换物性型传感器传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换按能量关系分类能量转换型传感器传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量能量控制型传感器由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量按输出信号分类模拟式传感器数字式传感器输出为模拟量输出为数字量37绪论传感器的基本特性四、传感技术的发展趋势1.原理、新材料、新工艺的新开发利用新原理的新型物性型传感器件，是发展高性能多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。38绪论传感器的基本特性2.微型化、智能化、多功能传感器同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。同时测量几种不同被测参数，将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。39绪论传感器的基本特性2.微型化、智能化、多功能传感器智能传感器指具有判断能力、学习能力的传感器。事实上是一种带微处理器的传感器，它具有检测、判断和信息处理功能。智能微尘传感器：智能微尘（是一种具有电脑功能的超微型传感器。从肉眼看来，它和一颗沙粒没有多大区别。但内部却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。40绪论传感器的基本特性3.无线网络化传感器智能传感器的另一发展方向就是网络传感器。网络传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。被测模拟量→数字传感器→数字量→微处理器→测量结果→网络。可实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享，在更换传感器时无须进行标定和校准，可做到“即插即用”。41绪论传感器的基本特性第二章传感器的基本特性第一节传感器的静态特性第二节传感器动态特性本章小结42绪论传感器的基本特性传感器的特性是它转换信息的能力和性质。这种能力和性质常用传感器的输入和输出的对应关系来描述。一个高质量的传感器，必需不失真地完成信号的转换。在选择合适而有效的传感器组建测量系统时，除了需要了解被测信号的特点外，还需了解传感器的基本特性。传感器的输入量可分为静态和动态两大类，所以传感器的特性由静态特性和动态特性决定。43绪论传感器的基本特性•传感器特性主要是指输出与输入间的关系•静态特性：输入量为常量，或变化极慢•动态特性：输入量随时