医用传感器原理 及应用

内容提要

1、医用传感器基础 2、生物电检测电极 3、常用医用物理传感器 4、化学传感器和生物传感器 5、传感器技术的发展与展望

§1 医用传感器基础对传感器的定义：“传感器”在新韦式大词典中定义为: -“从一个系统接受功率，通常以另一种 形式将功率送到第二个系统中的器件”。 根据这个定义，传感器的作用是将一种能 量转换成另一种能量形式，所以不少学者 也用“换能器-Transducer”来称谓“传感 器-Sensor”。

中华人民共和国国家标准(GB7665—87)对传 感器下这样的定义： 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的 规律转换成可用输出信号的器件或装置，它 通常由敏感元件和转换元件组成。 国标中的定义强调了被测量按一定规律转换 成可用输出信号，而且它给出了传感器的结 构信息，即它通常由敏感元件和转换元件组 成。

按照国家标准对传感器的定义，传感器包括：输出 被测信息 敏感元件 转换元件 信号调节 转换电路 电信号

辅助电路

敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件。

转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应 的被测量转换成可用的输出信号的部件，通常这 种输出信号以电量的形式出现。 信号调节和转换电路是把传感元件输出的电信号 转换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信 号所涉及的有关电路。有人也称这一部分电路为 信号调理电路。

医用传感器(Biomedical Sensors)

医用传感器，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，因此，医用传感器可 以定义为：把人体的生理信息转换成为与之有确定函 数关系的电信息的变换装置。 人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来 说有体内的(如血压等各类压力),也有体表的(如 心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等)

医用学传感器的分类传感器的分类方法多种多样，有按传感器的工 作原理分的，有按输入信息的类型分的，也有 按能量关系或输出信号类型分的。医学测量中 往往按被测信号来分类，如脉搏传感器、呼吸 波传感器等。 医用传感器按工作原理分类，大致可分为：

电 学 量 参 数

机体的各种生物电(心 电、脑电、肌电、神经 元放电等)

生物电电极

生 理 参 数非 电 学 量 参 数

利用材料的物理变化

物理传感器 化学传感器 生物传感器

利用化学反应原理， 把化学成分、浓度转 换成电信号 利用生物活性物质选择 性识别来测定生化物质

电阻式传感器

电容式传感器电感式传感器

物理传感器

压阻(效应)传感器 压电(效应)传感器

光电(效应)传感器霍尔(效应)传感器

生理信号检测的特点医用传感器用于人体生理信息检测时，具有以下主要特点： 被测量生理参数均为低频或超低频信息，频率分布范围 在直流~300Hz。 生理参数的信号微弱，测量范围分布在uV~mV数量级。 被测量的信噪比低，且噪声来源可能是多方面的。由于 人体是一导电体，体外的电场、磁场感应都会在人体内 形成测量噪声，干扰生理信息的检测。 人体是一有机整体，各器官功能密切相关，传感器所拾 取信息往往是由多种参数综合而形成的。

医用传感器的数学模型传感器的设计、制造和应用，均需要研究传感 器的输入与输出的关系特性。 描述传感器的输入一输出关系的数学表达式被 称为传感器的数学模型，通常从传感器的静态 输入一输出和动态输入一输出关系两分面建立 数学模型。

静态模型 静态模型是指静态信号(输入信号不随时间

变化或变化缓慢)情况下，描述传感器的输出 与输入量间的函数关系。在实际工程应用中， 忽略蠕动效应和迟滞持性、它可以用多项式来 表示为：

y a0 a1 x a2 x an x

动态模型动态模型是指传感器在准动态或动态信号(即 输入信号随时间变化)作用下，描述其输出一 输入关系的数学表达式。 要精确地建立传感器的动态数学模型较困难， 工程上常利用近似方法，忽略次要因素。来简 化动态模型的建立。

医用传感器的基本特性医用传感器的基本特性是指传感器的输出与输 入的关系特性，它是传感器应用的外部特性， 但是传感器不同的内部结构参数影响或决定着 它具有不同的外部特性。 医用传感器检测的生理信息，基本上有两种类 型，即静态量和动态量。静态量是指不随时间 变化或变化甚为缓慢的量(如体温),动态量通 常是周期性信号、瞬变或随机的信号(如心电、 血压等)。

静态特性静态特性表示传感器在被测生理量处于稳定状 态时的输出与输入之间的关系特性，一般情况 下，它呈现非线性关系。工程应用中，要求静 态特性尽可能呈线性。 衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵 敏度、迟滞、重复性、分辨力、零点漂移、温 度漂移等。