提取过程中的干扰1

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1、第四章 生物医学测量的干扰和噪声,常向荣 ,主要内容,4.1 人体测量的干扰 干扰的引入 干扰的屏蔽 4.2 噪声和低噪声放大器 补充 例：心电测量中的噪声及抑制方法,生物医学测量中抑制干扰和滤除噪声的重要性,显然在50Hz干扰信号下，医生是无法进行心电检测,生物医学测量的干扰和噪声,生物医学电子测量显著特点： 信号弱，噪声强 交流50Hz干扰 生物体本身属于电的良导体,高灵敏度装置，更易于引入噪声 放大处理，噪声同样被放大,生物信号及干扰源的频率分布,可见，大部分生理信号中包含了50Hz的频率成分， 值得注意的是：生物医学信号的强度远远小于50Hz干扰，在测量中应对其做特殊处理。,4.1 人

2、体电子测量的干扰4.1.1.干扰的引入,干扰的形成包括三个环节 抑制干扰也应从上述三个环节着手。 干扰源 干扰的引入 传导耦合 经公共阻抗耦合 电容性耦合 电感性耦合 干扰的排除：合理的接地与屏蔽,电场和磁场耦合,（1）.干扰源,定义： 能产生一定电磁能量，而影响周围电路正常工作的物体或设备。 主要形式： 自然界中的干扰源： 宇宙射线 太阳辐射 太阳黑子产生的周期电扰动 周围各种电气、电子设备产生的各种电现象 发电机点火 继电器触点开闭引起火花或电弧 旋转电机的电刷火花 照明灯管的辉光放电、弧光放电 电容、电感的过渡过程，产生的瞬变电压、电流等 工业上的大功率电路， 各种变压器，广播、电视、雷

3、达、导航等装置所传播的电磁波 周围220V交流电源，50Hz的干扰 仪器本身为干扰源，对外或其内部产生干扰,电磁兼容设计（EMC),EMC (Electo-Magnetic Compatibility) 是指，在电子系统之间，实现互不相干扰，协调混同工作的考虑。 包括：抑制所有对测量系统的干扰，和抑制测量系统对外界其它设备的干扰 是提高测量系统可靠性的重要方面。,例：生物医设备为干扰源,高能量治疗机，与精密测量仪器并用时 治疗机产生很强的能量干扰，使得精密测量仪器误动作、误输出 除颤时，产生患者对地电位的瞬时高压，干扰心电监护的输入回路。 手术电刀，本身就是一个干扰源，直接影响心电监护设备 对

4、监护类仪器，具有输入滤波保护线路时，抗干扰能力交大的改善,例：生物医设备为干扰源,埋藏型心脏起搏器干扰： 50Hz的工频漏电流，经过躯体或通过强的交流电场加到躯体上时，若电流大于某一阈值，启动器发生自动起搏，从而改变原来的按需起搏功能。使得起搏紊乱 周围高频仪器、微波治疗仪、电刀、电子透镜、产生火花的电焊机等，可能使得起搏器停止或固定频率化 考虑埋藏地方的肌电，也会使得按需电路停止振荡 危险：对频发期外收缩患者特别危险,（2） 干扰耦合通道,传导耦合 经导线传播，把干扰引入测试系统。 例： 交流电源线、测量系统中的长线 这些电线，有天线的效果，能够拾取周围空间的干扰，引入测试系统。 交流供电线

5、路的大功率负载 如马达、高频炉、产生的干扰波；仪器启运、故障过渡过程、三相不同投入等，这些干扰通过电网可以传导到测量系统,1,经公共阻抗耦合,在测试系统内部各单元之间，或两种测试系统之间，存在公共阻抗。电流流经公共阻抗形成压降造成干扰。,2,电场和磁场耦合,电荷的运动产生电磁场，即，泛带电的元件、导线、结构件等都能形成电磁场。 对于近场：电场和磁场分开讨论 场的特性取决于： 场源的性质、场周围的介质、观察点与源之间的距离 近场远场的定义：,近场：小于,远场：大于,为电磁波的波长,电场和磁场的特性,两类源的场与传播特性 ：,两类源的场波阻抗 ：,两类源的屏蔽的分类 ：,远场时，波阻抗等于介质特性

6、，空气中E/H370欧。 近场时：如果大电流低电压：E/H370，则近场为电场。,电场和磁场耦合,由附近设备造成的干扰，均可视为近场耦合形成 例，频率低于1MHz时，近场的距离。,近场感应耦合, 电容性耦合 一个导体上的电压干扰成分，通过分布电容，使其它导体上的电位受到影响 例：,注意：尽量缩短导线2的信号线，伸出屏蔽层的长度。,生物电测量中的容性耦合,主要干扰形式： 干扰源与人体之间的分布电容 市电50Hz的干扰电磁场作用 人体的接地，使得干扰电流集聚，形成电极端的干扰电压 如图，50Hz、220V电线与人体之间的分布电容,若：,则，耦合到人体的电流为2V,例，50Hz工频干扰对心电检测的影

7、响,a）导联线形成的容性耦合,导联线间的电容忽略。,干扰：UAB 若电路完全对称，则位移电流形成的电压相互抵消。 若电路不平衡，设Z1，Z2之间存在5K的不平衡。Id1Id2=6nA,例，50Hz工频干扰对心电检测的影响,b)人体表面形成的容性耦合,总的位移电流：,一般小于1A,现取Id0.2 A，则干扰电压：,电感性耦合,干扰电流产生的磁通量的变化，形成干扰电压 产生原因： 系统内部：线圈和变压器的漏磁 线圈内部：电流在线圈内流动，产生正比于电流的磁通 ， 系统外部：两根导线在长距离平行架设中形成干扰电压 当一个电路中产生的磁通，穿过另一个电路时，存在一个互感M12， 感应电压：,4,电感耦

8、合等效电路,减小感性干扰的方法： 远离干扰源， 采用绞合线，的走线方式，每个绞和结构的微小面积引起的感应电压大致相等，由于相邻绞和方向相反，使得局部感应电压互相抵消 尽量减小耦合通道，即减小面积A和夹角的余弦值。 注意： 感性耦合中，干扰电压的等效电压源是串连在信号回路中，它的大小与信号回路的阻抗无关,生物测量中的感性耦合,干扰电压幅值：ABcos。 一般病室内的Bcos约为3.210-7/m2，则50Hz的磁场时。若要使得干扰电压小于10V，则回路面积应小于0.1m2。,二、减小或消除干扰的方法,合理的接地 对信号系统的屏蔽,1 合理的接地,接地：是指印刷版上的局部电路中或测试系统整机中地线

9、的布置 分为： 安全接地： 保护接地，地线必须是大地电位 工作接地 对信号建立基准电位 敏感回路接地,a）安全接地,仪器机壳接地的目的： 保证人经常接触的机壳保持零电位。 机壳电位产生：杂散阻抗形成漏电流，产生绝缘击穿的偶然情况。,安全接地的几种形式,电源接地 保护接地 等电位接地 电源接地：,电源和负载分别接地,电源和负载一条线接地,负载另配备一条线接地,接触电压和接地电阻的变化,由图上可以看出。为把接触电压限制在12V一下，则接地电阻应小于1.5,保护接地,是为了把漏电流和绝缘失效时的事故电流，安全地流入大地，附加的接地保护。,Rb人体等效电阻,再增加一层绝缘体,过流保护器切断过大电流,等

10、电位接地,如果仪器产生的接地电位与人体的电位相等，则虽然有接地电流，也不会流过人体。 措施：可以把仪器周围的所有导电部分（如水管、暖气等各种金属管）和仪器外壳连结在一起，形成等电位。 安全标准中规定：离患者2.5m以内的范围要取得等电位化。,多台仪器同时工作接地措施,2. 工作接地,建立测量系统中的基准电位 接地设计应考虑： 所有导线都具有一定的阻抗 高频时，导线的表面呈现一定的电抗 两个分开的接地点不是等电位的 交流电源的地线不能用作信号地线 一段电源地线两点间会达到数百毫伏、甚至几伏电压 接地方式 安全接地一般采用：一点接地方式 工作接地采用：一点接地和多点接地 1MHz一下，此用一点接地

11、，1MHz以上采用多点接地,2. 工作接地,（a）串连方式下： A点电位并不为零： B点电位： C点电位：,（b）并联方式下： 各点的电位只与本电路中的地电流、地线电阻有关 但不适合高频电路,高频电路的工作接地,注意事项： 考虑各地线的感抗 各地线之间的电感耦合 地线之间的分布电容 地线的长度为/4的奇数倍时，地线有天线的作用，向外辐射干扰 地线的长度应短于波长的1/10 解决方法：,1.地线分别连接到最近的低阻抗地线排上 2.地线排一般用大面积镀银铜皮。 3.各接地点的间距应小于0.15 。 多点接地可以减小阻抗，有利于减小干扰。,对于一个系统的工作地线,考虑： 区分低电平电路与高电平电路

12、区分功率相差很多的电路部分 区分干扰电平相差很大的电路 解决方法： 低电平信号地线 功率地线（干扰地线） 包括继电器、电动机、大电流驱动电源 机壳地线（金属件地线） 包括机架、机箱,例. 九通道数字磁带机接地系统,（3）. 敏感回路接地,对于干扰较敏感的输入回路（如放大器的输入端） 例： 生物电极拾取信号， 电极到前置放大极间的距离为1m。则信号地和放大器的地电位不相等。 若采用两点接地，地电位UG叠加在信号Us上。如下图 由于 可求得放大器输出端的干扰电压UN：,如典型值：RG0.01 UG100mV，Rs500 ，R1R21 则可求得UN95mV,对上图的改善，增加一个ZsG,如图所示：,

13、由于， ， ，则UN,若ZsG=1M ,则UN下降到0.95V，改善了100dB,例，对于心电信号测量，右腿接地（放大器侧的地），但如果人体不悬浮，则干扰非常大，无法测量。 这就是ZsG太小的原因,屏蔽线、屏蔽罩一点接地,生物电测量采用的屏蔽导线或前置放大器采用的屏蔽罩都是为了减少电磁干扰设计的，必须采用一点接地。,4.1.2.2 电磁场屏蔽,定义： 在两个空间区域加以金属隔离，用以控制从一个区域到另一个区域电场或磁场的产波。 主动屏蔽： 用屏蔽体把干扰源包围起来，使电磁场不向外扩散。 被动屏蔽： 屏蔽体，防止外界电磁辐射。,(2). 脑电测量屏蔽,人体、电极、连接箱及转换器置于屏蔽室内。 信

14、号放大、处理、记录、电源等放置于屏蔽室外,屏蔽效果,用屏蔽后场强被衰减的程度。 电磁波入射到金属表面时所产生的损耗有两种： 反射损耗：入射波的一部分从金属表面反射回 决定于场的形式和波阻抗 吸收损耗：穿过金属板，并被衰减 对远场、近场、电场、磁场都是一样的效果,吸收损耗,电磁波通过介质时，其幅度以指数方式衰减 E、H为电磁波在介质内 距离处的场强。为集肤深度，是衰减到原理入射波的1/e（37）时的距离 导磁率，导电率,吸收损耗,若屏蔽体的厚度为一个集肤深度，吸收率为9dB。 吸收损耗随屏蔽体厚度和电磁场频率的增加而增加。,反射损耗,反射损耗取决于介质的阻抗特性和场的具体形式。 反射损耗，阻抗为

15、Z1的介质到阻抗为Z2的介质，场强的变化：,电磁波通过屏蔽壳体时，经过两个界面，在第二个界面后场强变为：,反射损耗,以波阻抗ZwZ1，屏蔽阻抗ZsZ2，则反射损耗R为：,对于远场（平面波），波阻抗等于自由空间的特性阻抗Z0（377） 金属的屏蔽阻抗： 则，反射损耗为,结论： 屏蔽阻抗愈低，反射损耗越大，为增强屏蔽效果，可选择高导电率，低导磁率的材料,屏蔽损耗总结,吸收损耗：,反射损耗：,1.电磁波的频率：反射损耗随之增加而降低， 吸收损耗随之而增加。 对于高频率的干扰，主要来自吸收损耗,2.近场内情况： 电场为高阻抗场，磁场为低阻抗场，反射损耗为波阻抗和屏蔽阻抗之比的函数，反射损耗随着波阻抗的的变化而变化， 高阻抗的电场反射损耗强；低阻抗的磁场反射损耗弱,3. 其它抑制干扰的的措施,(1) 隔离 使两部分电路互相独立，不成回路，从而切断从一个电路进入另一个电路的干扰通路 （2）去耦 去除电源线中的干扰经传导耦合进入测量系统，用RC或LC滤波环节消除直流电源因负载变化引起的干扰 （3）滤波 通过低通滤波器，消除频率较高的干扰电压。,