生物医学传感器-绪论

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1、生物医学传感器 原理及应用,主讲老师：冉鹏,第一章 传感器技术概述,1.1 关于课程学习 主讲老师简介 学习要求 课程简介与安排计划 1.2 关于传感器技术 传感器技术简介 传感器技术发展,主讲老师简介,简历（冉鹏） 本科 重庆大学 生物医学工程 硕士 The University of Manchester 电气与电子工程 博士 重庆大学 电气工程 现主要从事研究方向 生物电磁场测量与计算，图像采集与处理，生物医学新技术及 相关装置研发 教学课程 生物医学工程概论医学成像技术 生物医学传感器原理及应用 联系方式 电 话：15123208718 E-MAIL： 办公地点：老一教1214房间 /

2、 生物信息学院办公楼3楼,学习要求,课堂要求 课程学时：（理论教学40学时/学分2.5） 适应专业：生物医学工程专业 先修课程：人体解剖生理学、信号与系统、电路基础、数模电基础课程 课程性质与任务 该课程介于专业基础课和专业课之间的一门必修课程。本课程的任务是要求学生掌握生物医学传感器的基本理论方法，常用传感器敏感材料，物理、化学、生物各种传感器的原理以及应用，并结合生物医学实际设计、使用普通传感器。掌握传感器构成的医学信息处理系统的基本框架和应用。 考核要求 平时考核：考勤与作业，成绩占20 讨论与提问：10% 期末考试：闭卷，成绩占70%。,学习资料,教材： 生物医学传感器原理及应用 -彭

3、承琳 主编 ，,参考书 1.传感器与检测技术- 西安电子科技大学 彭军主 编，第一版， 2003年版 2.医用传感器- 普通高等教育，陈安宇主编，“十一五”国家级规划教材， 第二版， 2008年,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 Biosensors and Bioelectronics BioMedical Engineering OnLine Journal Sensors and Actuators Nature Science,相关期刊,课程简介,课程地位和作用,研究对象 传感器技术的基本概念和

4、理论、常用传感器的工作原理和应用技术。,课程性质 课程属于专业基础课，在专业人才培养中具有提高学生相关专业基础理论的认知能力、增强学生从事传感与检测技术研究与应用工作的适应能力和开发创新能力的作用。,课程简介,学习目的与要求 （1）建立传感器技术的整体概念； （2）掌握传感器技术的基本理论、常用传感器的工作原理和应用技术； （3）获得应用传感器设计、组建测控系统的基本技能； （4）培养学生进一步学习、研究和应用传感器技术的兴趣； （5）为学习后续课程和独力解决实际问题打下必要的基础。,课程简介,主要考核目标（包括重点及难点） （1）掌握传感器的基本概念和基本特性； （2）掌握常用传感器的工作原

5、理（实验方法）； （3）掌握常用传感器的基本应用（实验技术）； （4）了解应用传感器设计、组建测控系统的基本方法； （5）了解传感器技术的发展前沿和趋势。,重点：传感器的工作原理 难点：传感器的应用技术； 内容涉及知识面广，理论性、综合性和实践性强。,课程简介,第一章 绪 论,三、开发新型传感器的途径,四、生物医学传感器的地位与用途,一、传感器的定义,五、生物医学传感器的分类,六、生物医学传感器的特殊性,二、传感器的发展方向,一、传感器技术概述,“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为

6、人们认识自然、改造自然的有力工具。,传感器技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。 在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。,第一章 绪 论,传感器技术简介,一、传感器技术概述,一、传感器技术概述,传感器技术简介,传感器 感觉，感知；传送 （Sensor、Transducer） 人体系统： 人类有五大感觉器官，即眼、耳、鼻、舌、皮肤。通过这些感觉器官感知外界信息。 机器系统： 机器系统中，传感器是各种机械

7、和电子设备的感觉器官。感知光、色、温度、压力、声音、湿度、气味及辐射等。,传感器技术简介,一、传感器技术概述,外 界 信 息,人机系统的机能对应关系,传感器有些性能超过人的感官：,例如： 温度传感器：-196 1800 压力传感器：0.01 10000kPa 精度：0.1% 0.01% 可靠度：8 9 级,一、传感器技术概述,传感器技术简介,传感器技术简介,二、传感器技术的作用和地位,现代信息技术的三大支柱之一 传感器技术（信息采集） 通信技术 （信息传输） 计算机技术（信息处理） 在信息系统中分别起到 “感官”、“神经”和“大脑”的作用。,现代测量与自动控制的首要环节 传感器是信息采集系统的

8、首要部件，计算机的“五官”。 没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实现的。,传感器技术简介,二、传感器技术的作用和地位,衡量国家综合实力的重要标志 传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。 日本：传感器技术列为计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器等六大核心技术之一。在21世纪技术预测中将传感器列为首位。 美国：传感器及信号处理列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一。 欧洲：传感器技术作为优先发展的重点技术。 中国：在国家重点科技项目中，传感器也列在重要位置。,传感

9、器技术简介,二、传感器技术的作用和地位,传感器技术的应用遍及各个领域 传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等极其广泛的领域。 毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。 传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器技术的应用领域,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,自动检测与自动控制系统 石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业。,造纸,木材烘干,烟草加工,芯片生产,化工,纺织,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,汽车

10、与传感器 传统：行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量。 安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、汽车“黑匣子”。 环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置。,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器在机器人上的应用 单能机器人：生产用的自动机械式（加工、组装、检验）。检测臂的位置和角度传感器。,隧道凿岩机器人,汽车焊装生产线,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器在机器人上的应用 智能机器人：判断能力。视觉传感器、触觉传感器。,用于水下探测的机器人,用于家庭服务的机器人,传感器技术简介,远程环境监测,三、传感器技术的应用,传感器技术简介,三、传感器

11、技术的应用,传感器与家用电器 自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院。,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器与遥感技术 飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波。 船舶：超声波传感器。,红外接收传感器,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器在机器人上的应用 智能机器人：埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘。,法老咒语：“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”,小机器人挑战法老咒语，代替科学家勇探胡夫金字塔内部秘道。,“金字塔漫游者”机器人 511，地面探测雷达、超声波传感器（

12、测石头厚度）。,21世纪的农业将是知识 密集、技术密集的产业，设 施农业可以有效提高农业生 产效益和增强抗灾能力，借 助温室及其配套装置来调节 和控制作物生产环境条件， 摆脱自然制约，以达到高产、 高效、优质。 信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于温度、湿度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤养分等参数的测量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。,农业,传感器与农业,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器在军事技术领域的应用 “改变那种认为军事力量主要是军

13、舰、坦克和飞机的概念，把我们的注意力放在思考信息和电信技术所能提供的军事力量上来。这场军事革命标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转为重视诸如传感器这类东西的作用。” “信息时代的军事革命” 美国参联会副主席欧文斯上将,特种武器观察、侦察、探测,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,4D彩超捕捉到难得一见的胎儿出生前微笑（美联社图片）,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器技术的应用遍及各个领域 传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等极其广泛的领域。 毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不

14、开各种各样的传感器。 传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。,开发新型传感器 开发新材料 新工艺的采用 集成化、多功能化 智能化,传感器的发展动向 开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺，实现传感器的集成化与智能化等。,传感器技术的发展趋势,研发新型传感器的重要途径： 传感器的工作机理是基于各种效应和定律，因此进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。 结构型传感器：发展较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。 物性型传感器：大

15、致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而成为一个值得注意的发展动向。,1、开发新型传感器 新型传感器主要三个方面：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器。,传感器技术的发展趋势,2、开发新材料 传感器材料是传感器技术的重要基础。材料科学的进步，人们可任意控制成分，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。,（1）半导体敏感材料 （2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）智能材料,半导体氧化物可制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重

16、大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。,传感器技术的发展趋势,3、新工艺的采用 在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。 微机械加工技术：近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。,例如：利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。,纳米堆垛,传感器技术的发展趋势,同一功能的多元件并列化：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