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1、2.生物医学传感器及信号检测 （测量） 2.1 传感器的认识 2.2 传感器的特性 2.3 信号检测 2.4 信号放大 2.5 生物医学传感器的特殊性 2.6 人体信息的检测与传感器 2.7 生物医学传感器的地位和用途 2.8 生物医学传感器的干扰和噪声 2.9 医用传感器的安全性 2.10 传感器的标定2.1传感器认识传感器(Sensor)曾称为换能器或变送器(Transducer)。国家标准“传 感器通用术语”中的定义：“传感器是能感受规定的被测量并按一定规律将 其转换为有用信号的器件或装置”。又指出：“传感器通常由敏感器件、转 换器件和电子线路组成”。生物医学传感器（Biomedical
2、 Sensors）是获取 人体或生物体的生理和病理信息的工具，是生物医学工程学中的重要领域和 分支，对于化验、诊断、监护、控制、治疗和保健等都有重要作用。传感器的作用，就是替代人的五种感觉(视、听、触、嗅、味)器官的装置 ，如图2.1所示。传感器像人的五官那样收集所需要的各种信息 ,这些信息输入 电脑或运算处理电路后,由电脑或运算处理电路进行判断运算,并输出各种控制 信号去控制执行机构或显示单元。 广义传感器的构成广义的传感器（基本的测量仪器）一般如图2.2所示 。由信号检出器(敏感器件和转换器件)和信号处理(信息 的运算处理或称为信号的调理)两部分组成。信号检出 器件的任务是检测出测量环境下
3、的被测信号。例如在测 量烘烤箱(测量环境)的温度(被测信号)时，将热敏电阻( 信号检出器件)插入烤箱中，热敏电阻的阻值便随着温 度的变化而变化。这种能感应被测量的变化并将其转换 为其它参数变化的器件，是狭义的传感器(Sensor)。也 就是说信号检出器就是传感器。广义的传感器（测量仪器）所输出的信号形式一般为 直流电流、直流电压和数字信号等标准形式；信号处理 部分的作用就是将各种传感器的不同输出信号形式转换 成所希望的电信号形式。测量仪器也称为检测仪器，其 输出可用显示器显示或送至控制器用以调节控制，或送 至计算机作进一步的信息处理。所以从广义的角度来说 ，信号检出器和信号处理部分总称为传感器
4、。此处热敏电阻传感器的敏感器件和转换器件是合二 为一的 ，这是一种特例。在大多数狭义的传感器中，敏 感器件和转换器件通常是由两个器件构成的。 被测对象涉及的领域 最初的测量对象是长度、体积、质量和时间 。18世纪以来科学技术取得飞速发展被测对 象范围迅速扩大，力学领域有速度、加速度、 力、功和能量等电磁学领域中有电流、电压 、电阻、电容、磁场等，化学领域中有浓度、 成分、pH值等工业领域中除上所述之外，还 有流量、压力、温度等被测量。 在生物医学工程领域，被测对象广泛，有人 体的心电、脑电波等体表电位的测量，有心音 声波的测量，有各种生理和病理信息的测量， 还有生物体的断面图像的测量等等。2.
5、2传感器的特性传感器的输入设为X（被测信号），传感器的输出设为Y ，传感器 的灵敏度（比例系数）记为K；则它的特性用函数Y=f（X）的表达为 Y KX (21) 这是理想的线性关系，只能近似成立。因为有避免不了的非线性(Y与 X的关系为单调的递增或递减函数)和零位输出(当X=0时：Y0)； 传感器在响应被测信号的同时，还受到各环境因素的影响。设各种 环境因素以综合变量N（干扰信号）表示，环境变量有时间、温度、 湿度、振动、加速度、空气情况等。则传感器的输出可改写为 Y f（X ，N） (22) 由于环境是变动的，因此这种变化将影响传感器的输出。 变量N引起零位输出的变化，称为漂移（drift）
6、。由于漂移与传感 器本身的输出无法区分，因此应尽量抑制。 传感器的灵敏度，也随环境而发生变化。 环境变量中的时间是重要参数，它影响传感器的稳定性(灵敏度的 变化或漂移)。评估传感器输出随时间变化的特性，可用小时稳定性或 年稳定性表示；评估传感器接近理想传感器的特性，可用线性度表示 。此外，还有响应速度、重复、滞后、动态范围和准确度等的评估指 标。 应用或设计传感器时要尽量减小环境变量的影响。2.3信号检测 传感器的输出有各种形式:如热电偶、pH电极等输 出为直流电压，光电二极管输出为直流电流，热敏 电阻或应变计(电阻型)、半导体气体传感器输出为 电阻值，电感式位移传感器输出为电感量,电容式位
7、移传感器输出为电容量。 另一方面，广义传感器的输出信号须转化成电压 、电流或数字量。信号处理(signal conditioning) 就是通过对信号进行转换、放大等调理方法，得到 输出是可识别的电信号。这是在测量中使用的共同 技术,称为信号检测。 用电阻式传感器为例来说明差动法的实现信号 检测的原理。电阻式传感器的输出假设为下列线 性关系 RX=kX+R0 (2 4) 式中，X为输入信号，k为比例系数（灵敏度）， RX为传感输出电阻；R0是当X为0时，Rx的初始 电阻；X可以是心音信号, 也可以是其它信号，如 ：力、压力、加速度、温度等各种不同的被测信 号。 需要注意的是对于各种各样的被测信
8、号，采用电 阻式传感器时，必须根据被测信号的不同种类， 选用或设计制造与被测信号相对应结构的电阻式 传感器。 电阻（ RX=kX+R0）转换为电压的简单电路如图 2.3(a)所示，输出电压由式(25)表示。 UO=ERX/(R1+RX) （2.5） 图2.3(a)所示的检测方法：在输入信号X=0时， 由于RX=R0，因此，输出就存在零位电压： ER0(R1+R0) ； 若增加抵消零位电压的电路，如图23(b)所示，输出 电压由式(26)表示。 在输入X=0时：由于RX=R0（ RX=kX+R0），要使零位电压UO=0； 只需取:R0R1R2R3, 就可使下式成立，在X=0时零位电压被抵消 。
9、当KXR0时，结合RX=kX+R0式，就可 容易地证明(26)式可用下式替代。 上式描述了传感器电路的输出信号电压U0 与被测输入信号X之间为线性关系。 由于K，E，R0为已知量，故令： SKE/4R0，则(28)式变为 U0SX (29) 式中，常数S称为测量系统（广义传感器）的 电压灵敏度（比例系数）。 24信号放大 传感器的输出电压通常很小(毫伏级)，需要放大到伏级。传感器的输 出电压U0可以等效为信号源(电压源)Us,作为放大器的输入电压信号。 首先看看放大器输入电压信号，作为信号源(电压源)Us的二种情况 。 图2.4(a)为信号源与电阻相串联的情况，前面的电阻式传感器的输 出的等效
10、电路属于此种类型；放大器输入电压信号，通常还使用如图 2.4(b)所示的等效电路。这种等效电路有两个电压源，电压信号US的“ 中间1/2处”对地有一电位UC。因为UC同时加在两个输出端故称为共模 (common mode)电压；对应的US称为差模或常模(normal mode)电 压，且Rs1= Rs2。在人体的心电或脑电波的测量中，电极(传感器)间 的电压信号就是这种情况。传感器的输出所产生的共模电压UC，通常 是环境干扰和器件本身造成的。 放大器的输入电压记为Us，输出电压记为U0，它的输出和 输入为一元线性函数关系U0f（Us），其表达式如下 U0G Us （或：GU0/ Us）； G为
11、比例常数，称为电压放大倍数；G取正数或负数，由具体放大器所 决定,下面用G1的放大器讨论。 图2.5所示，三角形符号表示集成运算放大器器件，具有“+，-”两 个输入端，放大后的输出电压为U0，U0以地线“”为参考点输出。 图2.5（a）放大器，在R20时：GU0/ Us1+R1/R2； 图2.5（b）差动放大器，在R1R2，R20时： GUo/ UsR1/R2 ； 图2.5(a)是简单的电压放大器,它适用于输入没有共 模电压的电压信号源的情况。 图2.5(b)是差动放大器的基本电路，当输入信号存 在共模电压时，差动放大器仅对差模电压进行放大，由 于U1=Uc+Us/2, U2=Uc-Us/2,
12、电路的结构有U1- U2 = Us，可见共模电压被消掉了，仅有差模电压Us得到放 大，因此它广泛用于输入电压信号源存在共模电压时， 对差模电压信号的放大。2.5生物医学传感器的特殊性 生物医学传感器是在工程学与生物医学相结合的基础 上发展起来的。生物医学传感器的设计与应用必须考虑 人体因素的影响及生物信号的特殊性；必须考虑生物医 学传感器的生物相容性(植入人体内材料与生物体相互作 用问题)、可靠性、安全性；必须考虑使用对象的特殊性 及复杂性等，这是生物医学传感器与工业传感器的显著 区别。 生物医学传感器的使用对象极为广泛，有医生、护 士、患者，从男到女，从少到老。使用环境亦是多种多 样，体内、
13、体外、医院、家庭、野外，甚至太空等等。 这就要求生物医学传感器的设计应能分别适应各种对象 和环境。例如，对少儿用传感器，应更多地考虑如何使 测量变得安全、简单而易于接受，如何避免意外情况发 生，如儿童误食或摔打传感器等；对家庭用传感器则应 考虑使用成本及质量等。 总的说来，和一般工业用传感器相比生物医学传感器 应更注重使用方便、舒适、稳定、可靠、安全、耐用、 快捷。2.6 人体信息的检测与传感器最身边的测量对象就是我们人类，传感器可取得 人的多种状况和数据，人就能以更自然的方式使用计 算机。这种系统利用网络可实现远程医疗和远程会议 。2.7生物医学传感器的地位和用途 生物医学传感器的作用是将被
14、测的生 理参数转换为与之相对应的电学量输出， 以提供生物医学基础和临床诊断的研究与 分析所需的数据。随着科学的发展和其他 学科的渗透以及生物医学学科的进步，使 医学科学进入到一个定量医学新阶段。从 定性医学到定量医学的发展过程中，传感 器起了重要的作用。它延伸了医生的感觉 器官，扩大了医生的观察范围，并把定性 的感觉扩展为定量的测量。2.8生物医学传感器的干扰和噪声生物医学信号大都是很微弱的低频信号，如果传感器没有任何干扰和噪声存在，则不管信号 多么微弱，总可以用适当的传感器和高倍数的放 大器将信号检测出来。实际上传感器总是存在着一定噪声的，外界干 扰也是普遍存在的，对于微弱的生物医学信号的
15、测量，各种干扰和噪声尤其容易串入，且其幅度 常常超过了被测信号。因此，干扰和噪声的抑制 和消除是传感器设计时要解决的一项关键问题。 这方面的创新有可能导致新的测量方法与技术的 诞生。 在研制和使用医学电子仪器时，既要考虑到 电子仪器在诊断或治疗中的有效性，又要考虑 到对人体的安全性。由于医疗仪器使用的对象 是人体，并且主要是病人，而病人往往处于脆 弱状态，甚至处于失去知觉状态，因而仪器的 安全性就具有重要的意义，因为涉及到生命安 全。 生物医学传感器是用于生物体的，除了一般 测量对传感器的电气安全（绝缘性能）要求高 外，还必须考虑到生物体的解剖结构和生理功 能，尤其是材料的安全性问题更应特别重视。29医用传感器的安全性1. 传感器的标定是指一个传感器装配完成后，要用精 度足够高的基准设备对传感器的输入输出信号的函数 关系进行
