生物医学传感传感器基本知识2

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1、7/27/20241第第2 2章章 传感器的基本知识传感器的基本知识17/27/20242 传感器的定义传感器的定义传感器的定义传感器的定义内容回顾内容回顾 传感器的组成传感器的组成传感器的组成传感器的组成 生物医学传感器的用途和分类生物医学传感器的用途和分类生物医学传感器的用途和分类生物医学传感器的用途和分类7/27/20243第第2章章 传感器基本知识传感器基本知识3学习内容：学习内容：传感器的基本特性：静态特性、动态特性传感器的基本特性：静态特性、动态特性传感器的基本特性：静态特性、动态特性传感器的基本特性：静态特性、动态特性知识要点：知识要点： 1 1、 传感器的静态特性方程，传感器的

2、静态特性方程，传感器的静态特性方程，传感器的静态特性方程，静态特性指标静态特性指标静态特性指标静态特性指标2 2 2 2、传感器的动态特性的一般数学模型、传感器的动态特性的一般数学模型、传感器的动态特性的一般数学模型、传感器的动态特性的一般数学模型3 3 3 3、传感器动态特性：、传感器动态特性：、传感器动态特性：、传感器动态特性： 传递函数、动态响应及动态传递函数、动态响应及动态传递函数、动态响应及动态传递函数、动态响应及动态特性指标特性指标特性指标特性指标7/27/202444传感器或测量系统功能框图传感器或测量系统功能框图传感器或测量系统功能框图传感器或测量系统功能框图不失真地完成信号的

3、转换不失真地完成信号的转换不失真地完成信号的转换不失真地完成信号的转换概概 述述7/27/20245传感器特性传感器特性传感器特性传感器特性主要是指输出与输入间的关系主要是指输出与输入间的关系 静态特性：静态特性：静态特性：静态特性：输入量为常量，或变化极慢输入量为常量，或变化极慢 动态特性：动态特性：动态特性：动态特性：输入量随时间较快地变化时输入量随时间较快地变化时传感器的静态特性只是动态特性的一个特例传感器的静态特性只是动态特性的一个特例传感器的静态特性只是动态特性的一个特例传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。概概 述述7/27/202462-1 2-1 传感器的静态特性传感器的静态

4、特性 定义：定义： 传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输入量为恒定值而不随时间变化时，其相应输出量亦输入量为恒定值而不随时间变化时，其相应输出量亦不随时间变化，这时输出量和输入量之间的关系称为不随时间变化，这时输出量和输入量之间的关系称为静态特性静态特性静态特性静态特性。1. 1. 1. 1. 传感器的静态特性传感器的静态特性传感器的静态特性传感器的静态特性不含有时间变量不含有时间变量不含有时间变量不含有时间变量7/27/20247(2-(2-(2-(2-1)1)1)1) 传感器静态特性数学模型传感器静态特性数学模型传感器静态特性数学模型传感器静态特性

5、数学模型传感器的静态特性可由下列方程式表示传感器的静态特性可由下列方程式表示：7/27/20248有以下四种情况有以下四种情况有以下四种情况有以下四种情况：（1 1）线性特性）线性特性（图（图a a）X 高次项为零，线性方程为：高次项为零，线性方程为：此时，此时，此时，此时，称为传感器的灵敏度称为传感器的灵敏度称为传感器的灵敏度称为传感器的灵敏度线性传感器线性传感器线性传感器线性传感器7/27/20249 (2)(2)(2)(2)非线性项仅有奇次项非线性项仅有奇次项非线性项仅有奇次项非线性项仅有奇次项（图（图（图（图b b b b）注意，注意，在图在图 (b)(b)中中, ,原点附近较原点附近

6、较大范围内输出、输入特性基本上大范围内输出、输入特性基本上是线性的。是线性的。另外另外，输出输入特性曲线关于，输出输入特性曲线关于原点对称（奇函数性质）原点对称（奇函数性质）: :7/27/202410(3) (3) (3) (3) 非线性项仅有偶次项非线性项仅有偶次项非线性项仅有偶次项非线性项仅有偶次项（图（图（图（图c c c c）注意，注意，在图在图 (c)(c)中中, , 相对相对线性范围中心偏离原点。线性范围中心偏离原点。另外另外，输出输入特性曲，输出输入特性曲线无对称性。线无对称性。7/27/202411(4)(4)(4)(4)奇偶次项都有的非线性奇偶次项都有的非线性奇偶次项都有的

7、非线性奇偶次项都有的非线性( ( ( (图图图图d)d)d)d)7/27/202412 在设计传感器时，应将在设计传感器时，应将测量范围选取在静态特性最接测量范围选取在静态特性最接近直线的一小段近直线的一小段，静态特性可近似线性。此时原点可能，静态特性可近似线性。此时原点可能不在零点，以图不在零点，以图(c)(c)为例，如取为例，如取abab段，则其原点在段，则其原点在c c点。点。注意：注意：注意：注意：7/27/202413传感器的静态特性是在静态标准条件下校准的传感器的静态特性是在静态标准条件下校准的. 校准方法：校准方法：在静态标准工作状态下，在静态标准工作状态下，1.1.利用一定精度

8、等级的校准设备；利用一定精度等级的校准设备；2.2.对传感器进行反复循环测试，即可得到输出一输入数据；对传感器进行反复循环测试，即可得到输出一输入数据；3.3.将这些数据列成表格，再画出各被测量值的正行程输出值将这些数据列成表格，再画出各被测量值的正行程输出值和反行程输出值的平均值连接起来的曲线，即和反行程输出值的平均值连接起来的曲线，即传感器的静态传感器的静态校准曲线校准曲线。 静态标准条件：静态标准条件：传感器的静态校准传感器的静态校准传感器的静态校准传感器的静态校准7/27/202414 1 1 ）测量范围）测量范围）测量范围）测量范围 传感器的测量范围传感器的测量范围是指按其标定的精确

9、度可进行是指按其标定的精确度可进行是指按其标定的精确度可进行是指按其标定的精确度可进行测量的被测量的变化范围测量的被测量的变化范围测量的被测量的变化范围测量的被测量的变化范围，而测量范围的上限值，而测量范围的上限值 Ymax与下限值与下限值Ymin 之差就是传感器的之差就是传感器的量程量程 YFS ，即，即YFS = Ymax - Ymin例如例如: :某温度计的测量范围为某温度计的测量范围为-20 100C，则其量程，则其量程 YFS = 100 C - ( - 20 C ) = 120 C 2. 2. 衡量传感器静态特性的指标衡量传感器静态特性的指标7/27/2024152 2 2 2）线

10、性度）线性度）线性度）线性度( ( ( (非线性误差非线性误差非线性误差非线性误差) ) ) ) 传感器的线性度传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。 7/27/2024162 2 2 2）线性度）线性度）线性度）线性度( ( ( (非线性误差非线性误差非线性误差非线性误差) ) ) )定义：定义：定义：定义：在规定条件下在规定条件下, ,传感器传感器校准曲线校准曲线与与某一选定的拟某一选定的拟合直线合直线间的最大偏差与满量程间的最大偏差与满量程(F.S)(F.S)输出平均值的百分输出平均值的百分比比, ,称为线性度称为线性度 L L 。7/27/202417采用拟合直线

11、的方法不同，则其拟合后所得到的基准直采用拟合直线的方法不同，则其拟合后所得到的基准直线不同，计算出的线性度也会不一样。线不同，计算出的线性度也会不一样。所以要所以要特别注意特别注意：说明某传感器的线性度是多少时，：说明某传感器的线性度是多少时，不不能笼统的说线性度或非线性误差，必须同时说明所依据能笼统的说线性度或非线性误差，必须同时说明所依据的基准直线，即采用什么样的拟合方法。的基准直线，即采用什么样的拟合方法。注意：注意：注意：注意：7/27/202418 a)a)理论直线拟合理论直线拟合（理论线性度）（理论线性度） 利用静态方程的第一种情况：利用静态方程的第一种情况：几种常用的拟合直线方法

12、几种常用的拟合直线方法: : 特点特点：方法比较明确和方法比较明确和方便方便，但拟合精度较低但拟合精度较低7/27/202419b b） 端基法端基法 把传感器校准数据的零点输出平均值把传感器校准数据的零点输出平均值a a0 0和满量程输和满量程输出平均值出平均值b b0 0连成的直线连成的直线abab作为传感器特性的拟合直线。作为传感器特性的拟合直线。 方法简单，但因未考虑到方法简单，但因未考虑到所有校准点数据的分布，所有校准点数据的分布，拟合精度较低。拟合精度较低。 端基线性度拟合直线端基线性度拟合直线式中式中 Y输出量输出量 X输入量输入量 a0Y轴上截距轴上截距 K直线直线a0b0的斜

13、率的斜率7/27/202420c c）最小二乘法）最小二乘法假设拟合直线的方程式为假设拟合直线的方程式为： 而实际测量了而实际测量了n n个点，则有个点，则有n n个校准数据个校准数据Y Y1 1、Y Y2 2、Y Yn n。自然就可知，每个数据点都与拟合直线有偏差，自然就可知，每个数据点都与拟合直线有偏差，i i（i i1 1，n n）。）。 xY=a0+KXy最小二乘法拟合直线最小二乘法拟合直线7/27/202421最小二乘法的原则就是使这些最小二乘法的原则就是使这些i i之和最小。之和最小。亦即使对亦即使对K和和a0的一阶偏导数等于零。来求出的一阶偏导数等于零。来求出K和和a0的表达式的

14、表达式7/27/202422d)d)差动测量方法差动测量方法 采用此方法，由于采用此方法，由于消除了消除了X X偶次项偶次项而使非线性误差大而使非线性误差大大减小，大减小，灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍，零点偏移也消除零点偏移也消除了了。7/27/2024233) 迟滞迟滞 迟滞迟滞是是描述传感器的正向和反向特性不一致的程度描述传感器的正向和反向特性不一致的程度. 迟滞特性迟滞特性 传感器在全量程范围内最大的迟滞差值传感器在全量程范围内最大的迟滞差值Hmax与满量与满量程输出值程输出值YFS之比称为之比称为迟滞误差迟滞误差，用，用H表示，即表示，即7/27/2024244) 重复性重复性重复性重

15、复性是指在同一工作条件下，是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致的程全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致的程度度。重复性误差属于随机误差，在数值上用各测量值正、。重复性误差属于随机误差，在数值上用各测量值正、反行程标准偏差最大值的两倍或三倍与满量程反行程标准偏差最大值的两倍或三倍与满量程 的百的百分比。即：分比。即： 重复性重复性7/27/202425标准偏差标准偏差 用贝塞尔公式计算用贝塞尔公式计算：7/27/2024265)5)灵敏度灵敏度K 传感器的灵敏度传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量指到达稳定工作状态

16、时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。与引起此变化的输入变化量之比。灵敏度反映了传感器对被测参数变化的灵敏程度灵敏度反映了传感器对被测参数变化的灵敏程度灵敏度反映了传感器对被测参数变化的灵敏程度灵敏度反映了传感器对被测参数变化的灵敏程度7/27/2024277/27/202428习习习习 题题题题1 1、测得某检测装置的一组输入输出数据如下测得某检测装置的一组输入输出数据如下x0.92.53.34.55.76.7y1.11.62.63.24.05.0试用最小二乘法用最小二乘法拟合直合直线，求其，求其线性度和灵敏度；性度和灵敏度；7/27/202429习习习习 题题题题2 2 2 2 试求下

17、列一组数据的各种线性度：试求下列一组数据的各种线性度：1)1)理论（绝对）线性度，给定方程为理论（绝对）线性度，给定方程为y=2.0x;y=2.0x;2)2)端点线性度；端点线性度；3)3)最小二乘线性度。最小二乘线性度。x123456y2.204.005.987.910.1012.057/27/2024306) 6) 精密度和正确度精密度和正确度精密度和正确度精密度和正确度( 1( 1）精密度精密度 是描述在同一测量条件下，测量仪表指示是描述在同一测量条件下，测量仪表指示值不一致的程度，反应测量结果中的值不一致的程度，反应测量结果中的随机误差的大小随机误差的大小。 由两个因素确定：由两个因素

18、确定：重复性、重复性、 仪表能显示的有效位数。仪表能显示的有效位数。 精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。随机误差小。7/27/202431( 2( 2）正确度正确度 说明传感器输出值与真值的偏离程度。说明传感器输出值与真值的偏离程度。 正确度是系统误差大小的标志，正确度高意味着系正确度是系统误差大小的标志，正确度高意味着系统误差小。统误差小。 表示测量结果有规律的偏离真值的程度，它反映了表示测量结果有规律的偏离真值的程度，它反映了测量结果中测量结果中系统误差的大小系统误差的大小。注意：注意：精密度高不一定正确度高，同样，正确度高

19、精密度高不一定正确度高，同样，正确度高不一定精密度高。不一定精密度高。7/27/2024327) 7) 7) 7) 精精精精 度度度度 又称为又称为精确度精确度或或准确度准确度，表示测量的结果与约定，表示测量的结果与约定真值间的一致程度。真值间的一致程度。 精度是衡量仪器、传感器总误差的一个尺度，它精度是衡量仪器、传感器总误差的一个尺度，它不考虑误差的类型和原因，不考虑误差的类型和原因，是精密度与正确度两者的是精密度与正确度两者的综合综合。（a a）正确度高而精密度低）正确度高而精密度低 （b b）正确度低而精密度高）正确度低而精密度高 （c c）精度高）精度高7/27/202433 精度等级

20、精度等级精度等级精度等级，用用用用A A A A来表示。来表示。来表示。来表示。A A A A定义为：仪表在规定工定义为：仪表在规定工定义为：仪表在规定工定义为：仪表在规定工作条件下，其最大绝对允许误差值相对仪表测量范作条件下，其最大绝对允许误差值相对仪表测量范作条件下，其最大绝对允许误差值相对仪表测量范作条件下，其最大绝对允许误差值相对仪表测量范围的百分数，即：围的百分数，即：围的百分数，即：围的百分数，即：A A为传感器的为传感器的绝对误差。绝对误差。传感器与测量仪表精度等级传感器与测量仪表精度等级A A以一系列标准百分数值以一系列标准百分数值来进行分档。（来进行分档。（0.0010.00

21、1，0.0050.005，0.020.02，0.050.05，0.10.1，0.20.2，0.30.3，0.50.5，1.01.0，1.51.5，2.52.5，4.04.0）7/27/202434 注意：注意：被测值及其误差必须用一致的数值表示。也即，被测值及其误差必须用一致的数值表示。也即，测量的数值结果的有效数字不应超过考虑到结果的不确测量的数值结果的有效数字不应超过考虑到结果的不确定性而确定的可靠测量结果的有效数字。定性而确定的可靠测量结果的有效数字。 例如：例如：测温，测温，202011是对的，是对的，而而20200.10.1，20.520.511和和20.520.51010是不正确的

22、。是不正确的。7/27/202435 习题习题3 3：用量程为用量程为5 5安培，精度等级为安培，精度等级为0.50.5级的电流级的电流表测量表测量5 5安培和安培和2.52.5安培的电流，问其绝对误差各为多安培的电流，问其绝对误差各为多少？少？ 习题习题4 4： 1.01.0级量程级量程0 0100V100V电压表，电压表， 0.50.5级量程级量程0 0400V400V的电压表，的电压表， 要测量要测量90V90V的电压哪一个的电压哪一个较好？较好？7/27/2024368 8）灵敏限）灵敏限（分辨力）（分辨力） 灵敏限灵敏限是指输入量的变化不一致引起输出量任何是指输入量的变化不一致引起输

23、出量任何可见变化的量值范围。是传感器可见变化的量值范围。是传感器能确切反映被测量的能确切反映被测量的最低极限量最低极限量，灵敏限灵敏限愈小，表示传感器检测微量的能愈小，表示传感器检测微量的能力越高。力越高。 例如：某血压传感器当压力小于例如：某血压传感器当压力小于0.15KPa0.15KPa时时无输出，则其灵敏限为无输出，则其灵敏限为0.15KPa0.15KPa。 阈值阈值： 当一个传感器的输入从零开始缓慢地增当一个传感器的输入从零开始缓慢地增加时，只有在达到某一个最小值后，才能测得输出，加时，只有在达到某一个最小值后，才能测得输出，这个最小值就称为传感器的阈值。这个最小值就称为传感器的阈值。

24、7/27/2024377/27/2024389 9）漂移）漂移（稳定性（稳定性/ /长时间工作稳定性）长时间工作稳定性） 漂移漂移漂移漂移是指传感器在输入量不变时，输出量随时是指传感器在输入量不变时，输出量随时是指传感器在输入量不变时，输出量随时是指传感器在输入量不变时，输出量随时间发生的变化。间发生的变化。间发生的变化。间发生的变化。零点漂移零点漂移零点漂移零点漂移温度漂移温度漂移温度漂移温度漂移产生漂移的原因：产生漂移的原因：产生漂移的原因：产生漂移的原因： 1 1 1 1、传感器自生结构参数的变化；、传感器自生结构参数的变化；、传感器自生结构参数的变化；、传感器自生结构参数的变化； 2

25、2 2 2、外界工作环境参数的变化。、外界工作环境参数的变化。、外界工作环境参数的变化。、外界工作环境参数的变化。7/27/202439 传感器无输入传感器无输入( (或某一输入值不变或某一输入值不变) )时，每隔一时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值段时间进行读数，其输出偏离零值( (或原指示值或原指示值) )，即为，即为零点漂移零点漂移。 零点漂移零点漂移7/27/202440 温度漂移温度漂移 温漂表示温度变化时，传感器愉出值的偏离程度。温漂表示温度变化时，传感器愉出值的偏离程度。一般以温度变化一般以温度变化1 1 输出最大偏差与满量程的百分比输出最大偏差与满量程的百分比来表示。来表

26、示。7/27/2024411. 1. 1. 1. 传感器的静态特性方程传感器的静态特性方程传感器的静态特性方程传感器的静态特性方程传感器的四种静态特性传感器的四种静态特性2. 2. 衡量传感器静态特性的指标衡量传感器静态特性的指标 测量范围、测量范围、测量范围、测量范围、线性度、线性度、迟滞、迟滞、迟滞、迟滞、重复性、灵敏度、重复性、灵敏度、精精精精密度和正确度、准确度、灵敏限密度和正确度、准确度、灵敏限密度和正确度、准确度、灵敏限密度和正确度、准确度、灵敏限 、零点漂移、温漂零点漂移、温漂零点漂移、温漂零点漂移、温漂内容小结内容小结内容小结内容小结7/27/202442 所谓动态特性是指传感

27、器对于随时间变化的输所谓动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性入量的响应特性。对于任何传感器只要输入量是时对于任何传感器只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间的间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间的关系要用动态特性来说明。关系要用动态特性来说明。2-2 2-2 传感器的动态特性传感器的动态特性 动动态态特特性性好好的的传传感感器器，其其输输出出变变化化曲曲线线可可以以完完全全再再现输入变化曲线，即二者有相同的时间函数。现输入变化曲线，即二者有相同的时间函数。 除理想状态，输出信号一定不会与输入信号有相除理想状态，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这

28、种输入输出之间的差异就是同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是动态误动态误动态误动态误差差差差。7/27/202443动态测温动态测温 例如：例如： 影响动态特性的影响动态特性的影响动态特性的影响动态特性的“固有因素固有因素固有因素固有因素” 任何传感器都有任何传感器都有任何传感器都有任何传感器都有，只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。 7/27/202444 标准输入信号：标准输入信号：标准输入信号：标准输入信号： 正弦输入信号正弦输入信号 阶跃输入信号阶跃输入信号 线性输入信号线性输入信号其中前两种最常用。其中前两种最常用。 通常根据标准输入特性来研究传感器的动态特性。通常根据标准输

29、入特性来研究传感器的动态特性。7/27/202445 对于对于线性系统的动态响应线性系统的动态响应研究，最广泛使用的数学研究，最广泛使用的数学模型是模型是线性常系数微分方程式线性常系数微分方程式。只要对微分方程求解，。只要对微分方程求解，就可以得到动态特征指标。就可以得到动态特征指标。一动态特性的一般数学模型一动态特性的一般数学模型 对于线性定常（时间不变）系统，其数学模型为对于线性定常（时间不变）系统，其数学模型为高阶常系数线性微分方程，即高阶常系数线性微分方程，即7/27/202446(2-9)(2-9)高阶常系数线性微分方程：高阶常系数线性微分方程：高阶常系数线性微分方程：高阶常系数线性

30、微分方程：7/27/202447若用算子若用算子D D表示表示 利用拉氏变换，可以化为：利用拉氏变换，可以化为：(2-10)(2-10)(2-11)(2-11)7/27/202448零阶传感器零阶传感器二阶传感器二阶传感器一阶传感器一阶传感器电位器式传感电位器式传感器、器、变面积式变面积式的电容传感器的电容传感器玻璃液体温度玻璃液体温度计、计、不带套管不带套管热电偶测温系统热电偶测温系统测血压、生理压测血压、生理压力传感器、加速力传感器、加速度型心音传感器等。度型心音传感器等。医用传感器的三种典型形式医用传感器的三种典型形式7/27/2024491 1 1 1、零阶传感器、零阶传感器、零阶传感

31、器、零阶传感器描述描述零阶零阶零阶零阶传感器微分方程为传感器微分方程为: :即即其中其中K K为静态灵敏度为静态灵敏度(2-12)(2-12)7/27/202450 【例例1】线性电位器就是一个零阶传感器线性电位器就是一个零阶传感器。7/27/2024512 2、一阶传感器、一阶传感器描述一阶传感器的描述一阶传感器的一阶微分方程为：一阶微分方程为：(2-14)(2-14)(2-15)(2-15)用算子用算子D D表示，则为：表示，则为：一阶系统又称为一阶系统又称为惯性系统惯性系统7/27/202452 【例例2 2】 表示玻璃液体温度计的感温部，其质量为表示玻璃液体温度计的感温部，其质量为m

32、，比热，比热为为c c ，其表面积为，其表面积为S，被测介质和温度计之间的热传导系数为，被测介质和温度计之间的热传导系数为h 。如不考虑由辐射的传热，根据热平衡原理有。如不考虑由辐射的传热，根据热平衡原理有温度计感温部温度计感温部 式中式中T是温度计的温度，是温度计的温度，Ti是被测介质的是被测介质的温度，温度，t 是时间，上式可写成微分方程是时间，上式可写成微分方程或或7/27/2024533 3、二阶传感器、二阶传感器二阶传感器的数学模型：二阶传感器的数学模型：(2-19)(2-19)用算子用算子D D表示为：表示为： K 传感器的传感器的静态灵敏度静态灵敏度， 0 0 传感器的无阻尼传感

33、器的无阻尼固有频率固有频率， 传感器的传感器的阻尼系数阻尼系数， 7/27/202454图图2-9 2-9 液体耦合导管液体耦合导管- -压力传感器压力传感器 【例例3 3】测量心内压的液体耦合导管测量心内压的液体耦合导管- -压力传感器，由经血管插压力传感器，由经血管插入心内的入心内的充液导管充液导管和体外的和体外的膜片压力传感器膜片压力传感器组成组成, ,如图如图2-9a2-9a所示。所示。设导管和压力室中液体的等效质量设导管和压力室中液体的等效质量为为m，弹性元件的弹性系数为，弹性元件的弹性系数为k ，液体的粘性阻尼为，液体的粘性阻尼为c，当导管端的受到，当导管端的受到压力为压力为压力为

34、压力为P P（t t）作用作用时，通时，通过液体耦合导管导致传感器膜片偏移产生一过液体耦合导管导致传感器膜片偏移产生一体积位移体积位移体积位移体积位移V V V V（t t t t）。该。该系统的状态可用下列微分方程式表示：系统的状态可用下列微分方程式表示：(2-20)(2-20)7/27/202455(2-23)(2-23)7/27/202456二、传递函数二、传递函数二、传递函数二、传递函数 传递函数是输出量和输入量之间关系的数学表示传递函数是输出量和输入量之间关系的数学表示传递函数是输出量和输入量之间关系的数学表示传递函数是输出量和输入量之间关系的数学表示。如果传递函数巳知，那么由任一输

35、入量求出相应输出如果传递函数巳知，那么由任一输入量求出相应输出量。量。 7/27/202457若用算子若用算子D D表示表示 ，得到算子形式的传递函数：得到算子形式的传递函数： (2-24)(2-24)需注意：需注意：需注意：需注意： 算子形式的传递函数只是输入信号与输出信号之间算子形式的传递函数只是输入信号与输出信号之间关系的关系的数学表达式数学表达式，书写时一定写成，书写时一定写成 , ,不能只写不能只写 ，更，更不能理解为不能理解为 随时间而变化的瞬时比。随时间而变化的瞬时比。传递函数的定义传递函数的定义是输出信号与输入信号之比。是输出信号与输入信号之比。7/27/202458 同样，如

36、果用拉氏变换法，同样，如果用拉氏变换法， 传感器的传递函数用传感器的传递函数用H（s）表示，把输出的拉氏变换）表示，把输出的拉氏变换 Y(s) 与输入与输入 的拉氏变换的拉氏变换 X(s)之比为传递函数之比为传递函数:(2-25)(2-25) 就传递函数来说，就传递函数来说，拉氏变换形式的传递函数和算子形拉氏变换形式的传递函数和算子形式的传递函数可以互相转换式的传递函数可以互相转换。 这两种形式的传递函数都可这两种形式的传递函数都可以用来描述传感器系统的动态特性，有时统称为系统的传以用来描述传感器系统的动态特性，有时统称为系统的传递函数。递函数。7/27/202459三、动态响应特性三、动态响

37、应特性三、动态响应特性三、动态响应特性 传感器的动态响应就是传感器的动态响应就是传感器对输入的动态传感器对输入的动态信号（周期信号、瞬变信号、随机信号）产生的输信号（周期信号、瞬变信号、随机信号）产生的输出出，即微分方程式（，即微分方程式（2-92-9）的解，）的解，与输入类型有关与输入类型有关。瞬态响应：瞬态响应：输出信号到达新的稳定状态以前的响应 特性称为瞬态响应。 稳态响应：稳态响应：当时间t 趋于无穷大时传感器的输出状 态称为稳态响应。 7/27/202460传感器动态特性的分析方法传感器动态特性的分析方法传感器动态特性的分析方法传感器动态特性的分析方法分别用时域分析法和频域分析法分析

38、它们的特征分别用时域分析法和频域分析法分析它们的特征采用阶跃信号和正弦信号作为典型实验信号采用阶跃信号和正弦信号作为典型实验信号7/27/202461 输入信号为正弦波输入信号为正弦波X(t)X(t)AsinAsin t t，输出量，输出量Y(t)Y(t)与输入量与输入量X(tX(t）的）的频率相同频率相同，但，但幅值不等幅值不等，并有，并有相位差相位差。而且，。而且，Y(t)Y(t)幅值幅值和相位随输入信号频率和相位随输入信号频率 而变，即而变，即Y(t)=BsinY(t)=Bsin（ t+t+ ）。）。 1 1、正弦输入时的频率响应（稳态响应）、正弦输入时的频率响应（稳态响应）7/27/2

39、02462u传递函数传递函数：u频率响应函数频率响应函数：7/27/202463 所谓所谓频率响应（频率特性）频率响应（频率特性）是指在稳定状态下，是指在稳定状态下， B/AB/A（幅值比）和相位（幅值比）和相位 随频率随频率 而变化的状况。而变化的状况。正弦输入时的传感器正弦输入时的传感器频率传递函数频率传递函数为为：7/27/202464 正弦输入时，传递函正弦输入时，传递函数是一个复数量，其幅值数是一个复数量，其幅值为输出幅值对输入幅值之为输出幅值对输入幅值之比（比（B/AB/A），相角），相角 为输出为输出相位与输入相位之差，相位与输入相位之差，大大多数传感器均存在滞后，多数传感器均存

40、在滞后，所以其相角为负值所以其相角为负值。(b)(b)图中的曲线称为图中的曲线称为幅频特性幅频特性；(c)(c)图曲线称为图曲线称为相频特性相频特性。两者。两者合在一起称为传感器的合在一起称为传感器的频率特性频率特性。7/27/2024651 1）零阶传感器的传递函数及频率特性）零阶传感器的传递函数及频率特性 由上式可知，零阶传感由上式可知，零阶传感器其器其输出和输入成正比输出和输入成正比，并，并且且与频率无关与频率无关，因此无幅值，因此无幅值和相位失真问题，和相位失真问题，零阶传感零阶传感器具有理想的动态特性器具有理想的动态特性。 7/27/202466描述一阶传感器的描述一阶传感器的一阶微

41、分方程为：一阶微分方程为：(2-14)(2-14)(2-15)(2-15)用算子用算子D D表示，则为：表示，则为：2 2）一阶传感器的传递函数和频率特性）一阶传感器的传递函数和频率特性7/27/2024672 2）一阶传感器的传递函数和频率特性）一阶传感器的传递函数和频率特性7/27/202468二阶传感器的数学模型：二阶传感器的数学模型：(2-19)(2-19)用算子用算子D D表示为：表示为： K 传感器的传感器的静态灵敏度静态灵敏度， 0 0 传感器的无阻尼传感器的无阻尼固有频率固有频率， 传感器的传感器的阻尼系数阻尼系数， 3 3）二阶传感器的传递函数及频率特性）二阶传感器的传递函数

42、及频率特性7/27/2024693 3）二阶传感器的传递函数及频率特性）二阶传感器的传递函数及频率特性传递函数：传递函数：幅频特性：幅频特性： 相频特性：相频特性： （2-352-35）7/27/2024707/27/202471【习题习题1】 某压力传感器属于二阶系统，其固有频某压力传感器属于二阶系统，其固有频某压力传感器属于二阶系统，其固有频某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为率为率为率为1000Hz,1000Hz,1000Hz,1000Hz,阻尼比为临界值的阻尼比为临界值的阻尼比为临界值的阻尼比为临界值的50%,50%,50%,50%,当当当当500Hz500Hz500Hz500Hz的

43、简谐的简谐的简谐的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。7/27/2024722.2.阶跃输入时的阶跃响应（瞬态响应）阶跃输入时的阶跃响应（瞬态响应）阶跃信号是最基本的瞬变信号。阶跃信号是最基本的瞬变信号。单位阶跃单位阶跃输入输入: : 1 1）零阶传感器的阶跃响应）零阶传感器的阶跃响应K7/27/2024732 2）一阶传感器的阶跃响应）一阶传感器的阶跃响应一阶传感器的拉氏传递函数：一阶传感器的拉氏传递函数：7/27/202474求拉氏反变换得：求拉氏反变换得： 输出初始值为零。随

44、时间输出初始值为零。随时间推移，推移，Y接近接近1，当，当t=时，时，Y=0.63。 是时间常数，越小，是时间常数，越小，响应就越快。故响应就越快。故时间常数值是时间常数值是决定响应速度的重要参数决定响应速度的重要参数。7/27/2024753 3）二阶传感器的阶跃响应）二阶传感器的阶跃响应 具有具有惯性质量惯性质量、弹簧弹簧和和阻尼阻尼器器的振动系统是典型的二阶系统，的振动系统是典型的二阶系统，其传递函数为：其传递函数为：7/27/202476按阻尼比按阻尼比按阻尼比按阻尼比 不同，阶跃响应可分为三种情况：不同，阶跃响应可分为三种情况：不同，阶跃响应可分为三种情况：不同，阶跃响应可分为三种情

45、况：1 1 1 1）0 0 0 01(1(1(1(欠阻尼欠阻尼欠阻尼欠阻尼) ) ) )=0(=0(=0(=0(零阻尼零阻尼零阻尼零阻尼) ) ) )：输输出出出出变变成等幅振成等幅振成等幅振成等幅振荡荡，即，即，即，即 7/27/2024772)=1 (2)=1 (临界阻尼界阻尼) )3 3 3 3）1111（过过阻尼）阻尼）阻尼）阻尼）7/27/2024787/27/202479 【习题习题习题习题2 2 2 2】某温度传感器为时间常数某温度传感器为时间常数某温度传感器为时间常数某温度传感器为时间常数 =3s =3s =3s =3s 的一阶的一阶的一阶的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，

46、试求传感器系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的指示出温差的指示出温差的指示出温差的1/31/31/31/3和和和和1/21/21/21/2所需的时间。所需的时间。所需的时间。所需的时间。7/27/202480二阶传感器阶跃响应的典型性能指标：二阶传感器阶跃响应的典型性能指标：7/27/202481上升时间上升时间上升时间上升时间t t t tr r r r：输出由稳态值的：输出由稳态值的l0l0变化到稳态值的变化到稳态值的9090所用的时间。所用的时间。稳定时间稳定时间稳定时间稳定时间t t

47、t ts s s s：系统从阶跃输入开始到系统稳定在稳态值：系统从阶跃输入开始到系统稳定在稳态值的给定百分比时所需的最小时间。的给定百分比时所需的最小时间。t t t tr r r r和和和和t t t ts s s s都是反映系统响应速度的参数。都是反映系统响应速度的参数。都是反映系统响应速度的参数。都是反映系统响应速度的参数。二阶传感器阶跃响应的典型性能指标：二阶传感器阶跃响应的典型性能指标：7/27/202482峰值时间峰值时间t tp p：阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。 衰减度衰减度衰减度衰减度 ：瞬态过程中振荡幅值衰减的速度。瞬态过程中振荡幅值

48、衰减的速度。Y YA A 过冲值，过冲值，也即输出最大值，也即输出最大值，Y YB B 为为Y YA A出现一个周期后的值。若出现一个周期后的值。若Y YB BYYA A, ,则则 11，表示衰减很快，该系统稳定，震荡很快停止。，表示衰减很快，该系统稳定，震荡很快停止。 7/27/202483衰减振荡周期衰减振荡周期T T： 超调量超调量 p p：通常用过渡过程中超过稳态值的最大值通常用过渡过程中超过稳态值的最大值( (过过冲值冲值) )与稳态值之比的百分数表示。它与与稳态值之比的百分数表示。它与 有关，有关， 愈大，愈大， P P愈小。愈小。7/27/2024842-3 2-3 传感器的干扰

49、与噪声传感器的干扰与噪声 在实际检测系统中在实际检测系统中, ,生物医学信号大都是生物医学信号大都是很微弱的低频信很微弱的低频信号号，传感器的，传感器的工作环境也是比较复杂的工作环境也是比较复杂的, ,并且其与电路之间的并且其与电路之间的连接具有一定的距离连接具有一定的距离, ,这时需要传送信号的电缆电阻和传感器这时需要传送信号的电缆电阻和传感器的内阻以及放大电路等产生的噪声的内阻以及放大电路等产生的噪声, ,再加上环境噪声都会对放再加上环境噪声都会对放大电路造成干扰大电路造成干扰, ,影响传感器的正常工作。因此影响传感器的正常工作。因此, ,必须采取有针必须采取有针对性的措施来提高传感器抗干

50、扰和噪声的能力，对性的措施来提高传感器抗干扰和噪声的能力，干扰和噪声的干扰和噪声的抑制和消除是传感器设计中要解决的一项关键问题。抑制和消除是传感器设计中要解决的一项关键问题。 干扰和噪声的区别，目前还没有统一的定义，本书干扰和噪声的区别，目前还没有统一的定义，本书定义为：定义为： 干扰：外部原因对传感器造成的不良影响；干扰：外部原因对传感器造成的不良影响； 噪声：传感器内部元件所引起的。噪声：传感器内部元件所引起的。7/27/202485一、一、 干扰干扰(1) (1) 机械干扰机械干扰: : 是由于机械的振动或冲击是由于机械的振动或冲击, ,使传感器系统的敏感和转换元使传感器系统的敏感和转换

51、元件发生振动、变形件发生振动、变形, ,使连接导线发生位移等使连接导线发生位移等, ,这些都将影响传这些都将影响传感器电路的正常工作。感器电路的正常工作。 主要是采取主要是采取减振措施来解决减振措施来解决。(2) (2) 音响干扰音响干扰: : 一般功率不大一般功率不大, ,特别是在医院和生物医学实验是环境中。特别是在医院和生物医学实验是环境中。可采用可采用隔音材料隔音材料做传感器的壳体，或将其放在做传感器的壳体，或将其放在真空容器真空容器中使中使用。用。7/27/202486(3) (3) 热干扰热干扰: : 设备和元器件在工作时产生的热量所引起的温度波动设备和元器件在工作时产生的热量所引起

52、的温度波动以及环境温度的变化等会引起以及环境温度的变化等会引起传感器电路的元器件参数发传感器电路的元器件参数发生变化生变化, ,从而影响了传感器电路的正常工作。易受此影响的从而影响了传感器电路的正常工作。易受此影响的传感器有：电容式、电感式、金属热电阻式、热电偶式传传感器有：电容式、电感式、金属热电阻式、热电偶式传感器等。感器等。 通常采取的方法有通常采取的方法有热屏蔽、恒温措施、对称平衡结构、热屏蔽、恒温措施、对称平衡结构、温度补偿技术温度补偿技术等。等。(4) (4) 电和磁干扰电和磁干扰: : a a、静电干扰：静电感应、静电干扰：静电感应 b b、电磁干扰：电磁波污染、电磁干扰：电磁波

53、污染屏蔽技术屏蔽技术：用低电阻材料或高磁导率材料制成容器：用低电阻材料或高磁导率材料制成容器, ,将需要将需要防护的部分包起来。这种防静电或电磁感应所采取的措施称防护的部分包起来。这种防静电或电磁感应所采取的措施称为为“屏蔽屏蔽”。屏蔽的目的是隔断场的耦合。屏蔽的目的是隔断场的耦合, ,既抑制各种场的既抑制各种场的干扰。屏蔽可分为干扰。屏蔽可分为静电屏蔽静电屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽电磁屏蔽和磁屏蔽。7/27/202487接地技术接地技术：一类接地称为保护接地：一类接地称为保护接地, ,可以保证人员和设备的可以保证人员和设备的安全安全; ;另一类接地称为屏蔽接地另一类接地称为屏蔽接地, ,采用屏蔽

54、层接地采用屏蔽层接地, ,能起到良能起到良好的抗干扰作用。好的抗干扰作用。滤波：滤波：它是一种只允许某一频带信号通过或阻止某一频带它是一种只允许某一频带信号通过或阻止某一频带信号通过的一种抑制干扰措施。滤波方式有无源滤波、有信号通过的一种抑制干扰措施。滤波方式有无源滤波、有源滤波和数字滤波。源滤波和数字滤波。(5) (5) 光干扰光干扰: :半导体元器件在光线的作用下会激发出电子半导体元器件在光线的作用下会激发出电子空空穴对穴对, ,使半导体元器件产生电势或引起电阻值的变化。使半导体元器件产生电势或引起电阻值的变化。 可采用可采用光屏蔽光屏蔽来抑制。来抑制。 (6) (6) 湿度的干扰湿度的干

55、扰: :环境湿度的增大会使绝缘电阻下降、漏电流环境湿度的增大会使绝缘电阻下降、漏电流增加增加, ,这样电路的参数就会发生变化。这样电路的参数就会发生变化。 可采取可采取防潮措施防潮措施, ,如浸漆、环氧树脂或硅橡胶封灌等。如浸漆、环氧树脂或硅橡胶封灌等。7/27/202488(7) (7) 尘埃干扰尘埃干扰: :环境灰尘的加重环境灰尘的加重, ,也会造成漏电流增加也会造成漏电流增加, ,电路的电路的参数发生改变。参数发生改变。 可以采取可以采取将传感器密封将传感器密封起来起来, ,以及增加其它的防尘措施。以及增加其它的防尘措施。(8) (8) 化学干扰化学干扰: :化学物品中的酸、碱及腐蚀性气

56、体等通过腐蚀化学物品中的酸、碱及腐蚀性气体等通过腐蚀作用损坏元器件作用损坏元器件, ,造成传感器电路不能正常工作。造成传感器电路不能正常工作。 一般采取的措施是一般采取的措施是密封和保持传感器的清洁。密封和保持传感器的清洁。(9) (9) 射线辐射干扰射线辐射干扰: :射线会使气体电离、半导体激发出电子射线会使气体电离、半导体激发出电子空穴时空穴时, ,金属逸出电子等金属逸出电子等, ,从而使传感器系统的正常工作受到影从而使传感器系统的正常工作受到影响。响。 主要是主要是对射线进行防护对射线进行防护。7/27/202489二、二、 噪声噪声(1) (1) 电阻热噪声电阻热噪声: : 任何电阻的

57、两端即使没有外加电势，也会有一定的交变任何电阻的两端即使没有外加电势，也会有一定的交变电压，这就是材料内的自由电子不规则的热运动所产生的电压，这就是材料内的自由电子不规则的热运动所产生的热热噪声电压噪声电压，其均方根值为：，其均方根值为：采取采取降低元件温度降低元件温度、限制电路带宽限制电路带宽以及以及使用低阻值元件使用低阻值元件的方法。的方法。7/27/202490(2) (2) 散粒噪声散粒噪声: : 是由电子（或空穴）随机地发射而引起的，存在于电子是由电子（或空穴）随机地发射而引起的，存在于电子管和半导体两种元件上。在光电管和真空管等器件中，散粒管和半导体两种元件上。在光电管和真空管等器

58、件中，散粒噪声来自于噪声来自于阴极电子的随机发射阴极电子的随机发射，而半导体器件中则来自于，而半导体器件中则来自于载流子的随机扩散以及空穴载流子的随机扩散以及空穴- -电子对的随机发射及复合电子对的随机发射及复合。 由于由于I I由光电管、半导体的物理特性决定，故由光电管、半导体的物理特性决定，故实际传感器设实际传感器设计中应尽量选低噪声管。计中应尽量选低噪声管。7/27/202491(3) (3) 1/f 1/f 噪声噪声: : 由于由于导体的不完全接触等制造工艺及材料方面导体的不完全接触等制造工艺及材料方面的原因，的原因，电子管中还存在着的一种功率谱与频率成反比的噪声。电子管中还存在着的一

59、种功率谱与频率成反比的噪声。1/f1/f噪噪声发生在两种不同材料的导体相接触的部位，其大小与直流声发生在两种不同材料的导体相接触的部位，其大小与直流电流成正比，振幅为高斯分布，噪声电流均方值为：电流成正比，振幅为高斯分布，噪声电流均方值为： K K由导体形状及材料决定由导体形状及材料决定 对于频率较低的生物医学信号的测量，此类噪声所产生对于频率较低的生物医学信号的测量，此类噪声所产生的噪声是不可忽略的，必须加以抑制，这的噪声是不可忽略的，必须加以抑制，这只能从改进器件的只能从改进器件的制造工艺方面着手制造工艺方面着手。7/27/202492(4) (4) 噪声系数噪声系数 由于传感器本身就有噪

60、声，输出端的信噪比和输入端信噪由于传感器本身就有噪声，输出端的信噪比和输入端信噪比是不一样的，为此，使用比是不一样的，为此，使用噪声系数来衡量传感器本身的噪噪声系数来衡量传感器本身的噪声水平声水平。传感器的噪声系数定义为传感器的噪声系数定义为传感器输入端的信噪比与传感器输入端的信噪比与输出端的信噪比之比：输出端的信噪比之比： 该系数并不是越大越好，它的值越大，说明在传输过程中该系数并不是越大越好，它的值越大，说明在传输过程中掺入的噪声也就越大，反应了器件或者信道特性的不理想。掺入的噪声也就越大，反应了器件或者信道特性的不理想。如果如果F=1，则表示传感器本身不产生任何噪声，通常，则表示传感器本

61、身不产生任何噪声，通常F大于大于1，F越小表示传感器本身的噪声越小。越小表示传感器本身的噪声越小。7/27/2024932-4 2-4 医用传感器的安全性和可靠性医用传感器的安全性和可靠性7/27/202494 由于医疗仪器的使用对象是人体，并且主要是病人，由于医疗仪器的使用对象是人体，并且主要是病人，由于医疗仪器的使用对象是人体，并且主要是病人，由于医疗仪器的使用对象是人体，并且主要是病人，医疗仪器的安全性尤为重要，因为涉及到生命安全。所医疗仪器的安全性尤为重要，因为涉及到生命安全。所医疗仪器的安全性尤为重要，因为涉及到生命安全。所医疗仪器的安全性尤为重要，因为涉及到生命安全。所以在研制和使

62、用医学电子仪器时，以在研制和使用医学电子仪器时，以在研制和使用医学电子仪器时，以在研制和使用医学电子仪器时，既要考虑仪器在诊断既要考虑仪器在诊断既要考虑仪器在诊断既要考虑仪器在诊断或治疗中的有效性，又要考虑考虑到对人体的安全性或治疗中的有效性，又要考虑考虑到对人体的安全性或治疗中的有效性，又要考虑考虑到对人体的安全性或治疗中的有效性，又要考虑考虑到对人体的安全性。 另外，另外，另外，另外， 在诊疗仪器中，如果诊断用的测定仪器不能在诊疗仪器中，如果诊断用的测定仪器不能在诊疗仪器中，如果诊断用的测定仪器不能在诊疗仪器中，如果诊断用的测定仪器不能正常工作，则产生错误诊断；治疗仪器不能正常工作时，正常

63、工作，则产生错误诊断；治疗仪器不能正常工作时，正常工作，则产生错误诊断；治疗仪器不能正常工作时，正常工作，则产生错误诊断；治疗仪器不能正常工作时，则不能充分治疗或由于治疗过度产生危险。可见，则不能充分治疗或由于治疗过度产生危险。可见，则不能充分治疗或由于治疗过度产生危险。可见，则不能充分治疗或由于治疗过度产生危险。可见，诊疗诊疗诊疗诊疗仪器的可靠性直接和安全性问题相关仪器的可靠性直接和安全性问题相关仪器的可靠性直接和安全性问题相关仪器的可靠性直接和安全性问题相关。要求要求要求要求关键部件关键部件关键部件关键部件-传感器传感器传感器传感器具有好的安全性和可靠性具有好的安全性和可靠性具有好的安全性

64、和可靠性具有好的安全性和可靠性7/27/202495 生物医学传感器是用于生物体的，除了一般测量对传感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要求外，必须考虑到生物体的解剖结构和生理功能，器的要求外，必须考虑到生物体的解剖结构和生理功能，尤其是安全性问题更应特别重视。对尤其是安全性问题更应特别重视。对安全性的主要要求有：安全性的主要要求有： 1 1传感器的传感器的材料材料必须有很好的生物相容性，要求它既不必须有很好的生物相容性，要求它既不会被腐蚀，也不会受生无排异反应的影响会被腐蚀，也不会受生无排异反应的影响。 一、医用传感器的安全性一、医用传感器的安全性 2 2传感器的传感器的形

65、状、尺寸和结构形状、尺寸和结构应适应被测部位的解剖结应适应被测部位的解剖结构，使用时不应损伤组织。构，使用时不应损伤组织。 3 3传感器要有传感器要有足够的牢固性足够的牢固性，在引入被测部位时，传感器，在引入被测部位时，传感器不能损坏。不能损坏。7/27/2024964 4传感器和身体要有足够的传感器和身体要有足够的电绝缘电绝缘，即使在传感器损坏，即使在传感器损坏的情况下，人体受到的电压必须低于安全值，不安全的的情况下，人体受到的电压必须低于安全值，不安全的电压绝对不能加到人体上。电压绝对不能加到人体上。 5 5传感器不能给生理活动带来负担，也不应干扰正常传感器不能给生理活动带来负担，也不应干

66、扰正常的生理功能。的生理功能。 6 6对于植入体内长期使用的传变器，不应引起赘生物。对于植入体内长期使用的传变器，不应引起赘生物。 7 7在结构上要便于消毒。在结构上要便于消毒。 7/27/2024971 1 1 1、医用传感器的电气安全、医用传感器的电气安全、医用传感器的电气安全、医用传感器的电气安全 制定安全的防范措施，正确设计和使用传感器，把意外制定安全的防范措施，正确设计和使用传感器，把意外电击的危险减小到最低程度，对设计者和使用者都是十分必电击的危险减小到最低程度，对设计者和使用者都是十分必要的。要的。 随着医学仪器的不断发展随着医学仪器的不断发展, ,仪器的数量、种类和复杂程仪器的

67、数量、种类和复杂程度不断增加度不断增加, ,医学仪器在医疗中发挥的作用也越来越大。但由医学仪器在医疗中发挥的作用也越来越大。但由于仪器本身的问题于仪器本身的问题, ,操作使用或维护保养不当等原因造成医疗操作使用或维护保养不当等原因造成医疗中中偶发电击事故日益增多偶发电击事故日益增多。 电击分为宏电击和微电击电击分为宏电击和微电击 宏电击宏电击，又称体外电击又称体外电击，是指电流经过皮肤进入及流出人体，是指电流经过皮肤进入及流出人体所产生的触电现象。漏电流是引起宏电击的最主要原因。所产生的触电现象。漏电流是引起宏电击的最主要原因。微电击微电击，又称体内电击又称体内电击，是指由直接流入心脏组织内的

68、电流，是指由直接流入心脏组织内的电流引起的，故其电流远低于宏电击电流值就会引起室颤。引起的，故其电流远低于宏电击电流值就会引起室颤。7/27/2024982 2 2 2、生物医学材料的安全性、生物医学材料的安全性、生物医学材料的安全性、生物医学材料的安全性 在医学领域使用的生物材料必须符合下列要求：在医学领域使用的生物材料必须符合下列要求：a a、对材料本身的要求、对材料本身的要求： 耐生物老化性、物理和力学稳定性、易于加工成型、耐生物老化性、物理和力学稳定性、易于加工成型、价格适当、可以使用通用方法灭菌。价格适当、可以使用通用方法灭菌。b b、在人体效应方面的要求、在人体效应方面的要求： 无

69、毒性（即化学惰性）、无热源反应、不致癌（特别无毒性（即化学惰性）、无热源反应、不致癌（特别是金属材料）、不致畸、不引起过敏反应和不干扰机体的是金属材料）、不致畸、不引起过敏反应和不干扰机体的免疫机制、不发生材料表面的钙化沉着、对于与血液接触免疫机制、不发生材料表面的钙化沉着、对于与血液接触的材料，必须有良好的血液相容性。的材料，必须有良好的血液相容性。7/27/202499变形变形：物体在外力作用下而改变尺寸或形状的现物体在外力作用下而改变尺寸或形状的现象。象。弹性变形弹性变形：当外力去掉后能完全恢复原来的尺寸当外力去掉后能完全恢复原来的尺寸和形状的变形。和形状的变形。弹性元件弹性元件：具有弹

70、性变形特性的物体。具有弹性变形特性的物体。2-7 2-7 弹性敏感元件弹性敏感元件 弹性敏感元件在生物信息检测中占有极为重要的弹性敏感元件在生物信息检测中占有极为重要的地位，不仅应用广泛，而且是某些生物信息检测用传地位，不仅应用广泛，而且是某些生物信息检测用传感器的核心部分。感器的核心部分。一、弹性敏感元件的作用一、弹性敏感元件的作用7/27/2024100按在传感器中的作用分为两类按在传感器中的作用分为两类：弹性敏感元件弹性敏感元件感受力、力矩、压力等被测参数，并通过它将被测量感受力、力矩、压力等被测参数，并通过它将被测量变换为应变、位移等，它直接起到测量的作用。变换为应变、位移等，它直接起

71、到测量的作用。（也称为测量敏感元件）（也称为测量敏感元件）弹性支承弹性支承作为传感器中活动部分的支承，起支承导向作用。作为传感器中活动部分的支承，起支承导向作用。 要求：摩擦力小、间隙小要求：摩擦力小、间隙小弹性元件作用弹性元件作用： 把力、力矩或压力等各种形式非电量变换成相应把力、力矩或压力等各种形式非电量变换成相应的应变或位移，再由转换元件变换成电量的应变或位移，再由转换元件变换成电量。7/27/2024101作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系称为（应变、位移或转角）之间的关系称为弹性元件的弹性元件的弹性特

72、性弹性特性。弹性特性可用。弹性特性可用刚度刚度或或灵敏度灵敏度来表示。来表示。弹性特性可能是线性的（图弹性特性可能是线性的（图1），也可能是非线性的），也可能是非线性的（图（图2、3）二、弹性特性二、弹性特性弹性特性弹性特性7/27/20241021. 1. 刚度刚度 弹性敏感元件在外力作用下变形大小的量度，弹性敏感元件在外力作用下变形大小的量度， 一般用一般用k k表示，它的数学表达式为：表示，它的数学表达式为：7/27/2024103从弹性特性曲线求得刚度的从弹性特性曲线求得刚度的方法方法:做切线做切线找夹角找夹角求正切求正切如果弹性元件的弹性特性是如果弹性元件的弹性特性是线性的，则其刚度

73、为常数线性的，则其刚度为常数A7/27/20241042. 2. 灵敏度灵敏度灵敏度就是单位力产生形变的大小。灵敏度就是单位力产生形变的大小。灵敏度是刚度的倒数，一般用灵敏度是刚度的倒数，一般用K K表示。表示。7/27/2024105关于刚度和灵敏度的理解关于刚度和灵敏度的理解刚度和灵敏度都是描述弹性特性的指标，两者刚度和灵敏度都是描述弹性特性的指标，两者互为倒数互为倒数刚度与灵敏度是从不同的侧面对同一特性的描刚度与灵敏度是从不同的侧面对同一特性的描述述刚度描述的是抵抗变形的能力刚度描述的是抵抗变形的能力灵敏度描述的是变形的能力灵敏度描述的是变形的能力在传感器应用中，弹性元件的不同联结方法对

74、在传感器应用中，弹性元件的不同联结方法对总的灵敏度影响不同总的灵敏度影响不同7/27/20241063 3 弹性滞后弹性滞后 弹性元件在弹性形变范围内，弹性特性曲线的弹性元件在弹性形变范围内，弹性特性曲线的加载曲线与去载曲线不重合的现象加载曲线与去载曲线不重合的现象- -弹性滞后现象弹性滞后现象 弹性变形之差弹性变形之差x x叫做弹性敏感元件的叫做弹性敏感元件的滞后误差滞后误差 曲线曲线1 1和曲线和曲线2 2所包围的范围称为所包围的范围称为滞环滞环7/27/2024107关于弹性滞后的理解关于弹性滞后的理解弹性滞后与弹性滞后与传感器的迟滞特性传感器的迟滞特性有关有关弹性敏感元件的滞后误差体现

75、的是在加载与去载过弹性敏感元件的滞后误差体现的是在加载与去载过程中同一个作用力下程中同一个作用力下不同的弹性变形不同的弹性变形的情况的情况作为敏感元件形变的不同将导致转换元件转换结果作为敏感元件形变的不同将导致转换元件转换结果的不同，最终将体现在传感器的迟滞特性上的不同，最终将体现在传感器的迟滞特性上引起弹性滞后的原因引起弹性滞后的原因：主要是由于弹性敏感元件在：主要是由于弹性敏感元件在工作时其材料分子间存在内摩擦工作时其材料分子间存在内摩擦7/27/2024108弹性敏感元件所加载荷改变弹性敏感元件所加载荷改变后，不是立即完成相应的变后，不是立即完成相应的变形，而是在一定时间间隔中形，而是在

76、一定时间间隔中逐渐完成变形的现象逐渐完成变形的现象弹性弹性后效现象后效现象弹性后效体现的是弹性后效体现的是时间因素时间因素的影响，对传感器的的影响，对传感器的动态特动态特性性影响尤其明显影响尤其明显4 4 弹性后效弹性后效7/27/2024109弹性滞后和后效在本质上是弹性滞后和后效在本质上是同一类型的缺点同一类型的缺点，它，它们与们与材料的结构材料的结构、载荷特性以及、载荷特性以及温度温度等一系列的等一系列的因素有关，在应用中，应该合理的选择材料，设因素有关，在应用中，应该合理的选择材料，设计最优的结构和加工方法，从而最大程度地减小计最优的结构和加工方法，从而最大程度地减小由弹性滞后和弹性后

77、效现象产生的误差。由弹性滞后和弹性后效现象产生的误差。由于弹性后效现象的存在，弹性敏感元件的形变由于弹性后效现象的存在，弹性敏感元件的形变始终不能迅速的跟着作用力的改变而改变，所以始终不能迅速的跟着作用力的改变而改变，所以这种现象也是测量造成误差，尤其在这种现象也是测量造成误差，尤其在动态测量动态测量中中更更不允许存在这种弹性后效现象不允许存在这种弹性后效现象7/27/2024110 5 5 固有振动频率固有振动频率弹性敏感元件的动态特性和变换被测参数时的滞后现弹性敏感元件的动态特性和变换被测参数时的滞后现象，很大程度上与它的固有振动频率有关。一般总希象，很大程度上与它的固有振动频率有关。一般

78、总希望它具有较高的固有振动频率。望它具有较高的固有振动频率。固有振动频率计算比较复杂，通常通过实验来确定。固有振动频率计算比较复杂，通常通过实验来确定。一般计算时，只计算其最低固有振动频率，可用下式一般计算时，只计算其最低固有振动频率，可用下式进行估算进行估算: :7/27/2024111 关于固有振动频率的理解关于固有振动频率的理解:弹性元件的固有振动频率是描述弹性元件内在特性的弹性元件的固有振动频率是描述弹性元件内在特性的重要参数，它重要参数，它体现的是弹性元件固有的特性体现的是弹性元件固有的特性;固有振动频率很大程度上固有振动频率很大程度上决定弹性元件动态特性的好决定弹性元件动态特性的好

79、坏坏。弹性元件的动态特性和变换被测参数时的滞后作。弹性元件的动态特性和变换被测参数时的滞后作用，很大程度上与固有振动频率有关；用，很大程度上与固有振动频率有关；可以通过提高固有振动频率来减少动态误差，但固有可以通过提高固有振动频率来减少动态误差，但固有频率会影响到元件的线性度和灵敏度，频率会影响到元件的线性度和灵敏度，实际应用中必实际应用中必须根据测量的对象和要求，综合考虑须根据测量的对象和要求，综合考虑.7/27/2024112 弹性滞后和弹性后效要小；弹性滞后和弹性后效要小； 弹性模数的温度系数要小；弹性模数的温度系数要小； 线膨胀系数要小且稳定；线膨胀系数要小且稳定； 弹性极限和强度极限

80、要高；弹性极限和强度极限要高； 具有良好的稳定性和耐腐蚀性；具有良好的稳定性和耐腐蚀性； 具有良好的机械加工和热处理性能。具有良好的机械加工和热处理性能。弹性敏感元件对材料的基本要求是弹性敏感元件对材料的基本要求是：7/27/20241136 6 弹性敏感元件的形式及其应用范围弹性敏感元件的形式及其应用范围 在传感器中，输入到弹性元件的信号通常在传感器中，输入到弹性元件的信号通常是力或压力，其它信号必须变换为力或压力后在是力或压力，其它信号必须变换为力或压力后在输入到弹性敏感元件，而弹性敏感元件的输出是输入到弹性敏感元件，而弹性敏感元件的输出是位移或应变，亦即位移或应变，亦即弹性敏感元件将力、

81、压力变换弹性敏感元件将力、压力变换成为位移或应变成为位移或应变，因此弹性敏感元件可分为：，因此弹性敏感元件可分为： 力力应变应变的变换；的变换； 力力位移位移的变换；的变换； 压力压力应变应变的变换；的变换； 压力压力位移位移的变换；的变换； 力矩力矩角度角度的变换等。的变换等。力的变换力的变换压力的变换压力的变换7/27/2024114力的变换：力的变换：弹性敏感元件的形式有实心或空心圆柱体、弹性敏感元件的形式有实心或空心圆柱体、等截面圆环、等截面或等强度悬臂梁等等截面圆环、等截面或等强度悬臂梁等；压力的变换：压力的变换：弹性敏感元件的形式有弹簧管、膜片、弹性敏感元件的形式有弹簧管、膜片、膜盒等膜盒等；对于平面膜片、波纹管膜片和波纹管等弹性敏感元件对于平面膜片、波纹管膜片和波纹管等弹性敏感元件，其输入量既可以是力，也可以是压力其输入量既可以是力，也可以是压力7/27/2024115压力膜盒压力膜盒圆形膜片圆形膜片金属波纹膜片金属波纹膜片7/27/2024116环行金属波纹管环行金属波纹管波纹管柔性联轴器波纹管柔性联轴器7/27/2024117弹簧管压力表弹簧管压力表7/27/2024118电子秤电子秤7/27/2024119电子地磅电子地磅