生物医学传感器设计实验指导书2023年

生物医学传感器设计实 验 指 导 书黄雷，夏兰编写东南大学生物科学与医学工程学院2023.8[1]一、传感器的根本特性并按确定规律转换成与被测量有确定关系的其他量(一般仍为非电量)的元件。传(一般为电参量)的元件，例如应变式压力传感器中的弹性膜片就是敏感元件，而电阻应变片就是传感元件。信号处理电路集成为一个器件。传感器的根本特性一般是指传感器输入与输出特性，它有静态与动态之分。(一)传感器的静态特性衡量静态特性的性能指标主要有：线性度、灵敏度、区分率、迟滞和重复性。(1)线性度(非线性误差)大偏差〔Δlmax〕)与传感器满量程输出(y 之百分比值，用γ 表示为：max) L

lmax

100%L ymaxγ 越小，说明实际曲线与理论拟合曲线之间的偏差越小。从特性上看，γL L越小越好，但考虑到本钱，则一般要求γ 适中。L⑵灵敏度 传感器线性度1.2所示.传感器灵敏度定义示意图对于线性传感器，则有：

Kdy(输出变化值)dx(输入变化值)KYX1mm30mV，则有K30mV1mm

30mV/mm际需要来打算，应当留意合理性。区分率入量的变化无任何反响。例如电压表的区分率是10μV，即能测量的最小电压变10μV7μV8μV的电压时，电压表不会有任何反响。迟滞迟滞说明传感器在正(输出量增大)(输出量减小)行程期间输出---输入曲线1.3.所示，迟滞γH的值通常由试验来打算，可用下式表示： 1HmaxH 2Y

100%max磨损、紧固件松动和材料内局部子间摩擦等。.传感器迟滞特性示意图⑸重复性1.4.所示，公式表示如下： mmaxx Y

100%maxmax 1 2 3其中，Δm 取ΔmΔmΔm 中最大的来计算max 1 2 3使用误差越小。除了以上5加载后随时间变化而使输动身生变化的现象。.传感器重复性示意图(二)传感器的动态特性形。传感器能测量动态信号的力气用动态特性来表示。一个定值，而是时间的函数，它随输入信号的频率而转变。信号与输入信号不会具有一样的时间函数，由此将引起动态误差。信号的相位随频率的变化而转变的特性称为相频特性。幅值下降到稳定幅值的0.707倍时所对应的频率称为截止频率。由于输出幅值、相位的变化可能给信号处理(如细分)带来困难，也带来测量一般允许频率按允许的畸变误差与允许的相位误差来确定。传感器性能指标一览表量误差和信号处理等条件，在总观、全面、综合考虑的根底上兼顾经济因素，合理地选取传感器。在性能上，一般要求传感器输出信号大，与输入信号成比例；迟滞与非线性误差小；内部噪声小，不易受外界干扰的影响；反响速度快；动作使用、修理和校准等。由于有不少因素相互影响、相互制约，所以要全面考虑，提出合理要求。例如，灵敏度高，传感器所能感知的变化量小，被测量只要有微小的变化，传感器就有较大的输出。这对保证测量精度有益。但还应留意到，要适用的测量范围。由于灵敏度越高，与测量信号无关的干扰信号越简洁混入，干扰信号会被放大系统放大，影响测量精度。在通常状况下传感器的准确度越高，高灵敏度的传感器。二、传感器应用电路的组成传感器应用电路组成框图.传感器应用电路组成利用传感器进展检测与自动把握的传感器应用电路组成见框图1.5。具备时，通常称整个系统为测控系统。信号放大、比较化缓慢的非周期性信号(如用电阻应变片测量材料受静载荷后的弯曲变形等)，而泄漏，并使测量与接线电缆不发生关系。显示器4类：模拟显示、数字显示、模拟记录及数字记录。见的有毫伏表、微安表、交直流电桥、电位差计以及示波器等各种电子仪表。LED发光数码管、半导体数码管、液晶显示器、投影显示器等以数字形式来显示读数。录仪、光线示波器、模拟式磁带记录仪、自动平衡记录仪及具有摄影机构的电子示波器等。装置有数字打印机、纸带穿孔机以及数字磁带记录器等。执行机构微机在测控系统中的作用能：造价低、体积小、重量轻、功耗低、易于携带移动等特点。转变功能，从而使产品按需求进展成不同的系列，降低研制费用，缩短研制周期。线性化处理、温度补偿等，提高了侧控系统的准确性、稳定性和抗干扰性等。具有记忆功能。在断电时，能较长时间地保存断电前的重要参数。操作便利，使用人员只要通过键盘就可把握系统的运行。等。运行，它就自动停顿正常程序，转而执行故障诊断程序，按预定的挨次搜寻故障部位，并在屏幕上显示出来，从而大大缩短了检修周期。合是现代传感器技术的进展方向之一。传感器应用电路系统信息处理化处理等内容。线性化处理法。入法。3种方法：计算法、查表法和插值法。温度补偿技术体介质(如硅油)，也存在着随温度上升而产生的体膨胀现象。为了抵消或减弱环境温度变化对测控系统的影响，必需承受温度补偿技术。统中已经获得较广泛的应用。度补偿，反响式温度补偿是一种很有进展前途的综合补偿方法。第三种是将电路放入恒温槽中进展测控，不过这样会使一些应用受到限制。抗干扰技术干扰的主要来源有：电网的波动、大型用电设备(如电炉、人电机、电焊机等)的使整个系统无法工作。的接收器。抗干扰从以下三方面入手：消退或抑制干扰源；破坏干扰途径；减弱接收电路对噪声干扰的敏感性数字化处理(A／D转换)。模数转换一般包括采样、保持、量化、编码四个局部。x(t)，定时地加以检测，取出某一时刻的x(t)值，经采样后，得到时间上断续的(离散)信号。保持是将采样的信号临时参数进展采样和把握，这时要用到模拟多路转换器。模数转换器(ADC)主要有并行比较型、逐次靠近型、计数式、双积分型ADC等．都有相应的集成电路。其次章放大器简介一、 集成运算放大器器可分为如下几种类型。通用型运算放大器低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例μA741〔单运放〕、它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。高阻型运算放大器一般R＞〔109～1012〕Ω,偏置电流为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要i级。用FETLF356LF355LF347〔四运放〕CA3130、CA3140等。低温漂型运算放大器OP07、OP27、AD508MOSFETICL7650高速型运算放大器在快速A/D和D/ASRLM318、μA715SR=50～70v/us，BW＞20MHz。低功耗型运算放大器应。常用的运算放大器有TL022c、TL060c±2v～±18v，消耗电流为50～250mA。目前有的产品功耗已达微瓦级，例如ICL7600的供电电源为10μw，可承受单节电池供电。高压大功率型运算放大器d411A。二、仪表放大器的根本原理[2]仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单元。大多数状况下，仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值≥109Ω。其输入偏置电流也应很低，典型值为1nA至50nA。与运算放大器一样，其输出阻抗很低，在低频段通常仅有几毫欧〔。间连接的外部电阻打算。与运放不同的是，仪表放大器使用一个内部反响电阻CMRR。然而，仪表放大器和差分放大器适用于抑制共模信号以便它们不在其放大器的输出端消灭。相至输出端，但是通常并不抑制它们。0V0V差分输入，该运算放大器的输出端电压必需等于V 。虽然运算放大器具有CMRR，但是共模电压与信号电压一起被传送到输出这种在增益方面的差异确实能依据信号电压的百分比对共模电压供给一些衰减。然而，共模电压照旧消灭在输出端并且它的存在降低了放大器的有效输出范围。〔DCAC〕都是格外麻烦的。2.1仪表放大器与运算放大器的输入特性图2. 由运算放大器构成的典型的反相或同相放大器电路中，信号电压和共模电压都消灭在放大器的输出端。图2.3.仪表放大器电路的输入缓冲器放大信号电压，同时以单位增益通过共模电压。仪表放大器的减法器单元能抑制共模电压里〔通常以低增益或单位增益〕放大差分信号，而衰减〔典型值为10,000:1或以上〕共模电压。〔和缓冲〕功能，但是由于仪表放大器的减法器单元的作用，仪表放大器抑制了共模电压。第三章人体信息一、脉搏信息脉搏是人体的一项重要的生理指标。在每一个心动周期中心室的收缩和舒是推断病人是否休克、心力衰竭的重要依据。检测原理一依据。3.1人手掌指动脉图，可以用此特性来标记动脉的搏动。造成透光率的变化，用光敏器件在指尖的另一侧可以取得脉搏的搏动信号。液组织的光吸取量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血是格外微弱的，可以无视，因此可以认为光透过耳垂后的变化仅由动脉血的充盈而引起的，那么在恒定波长的光源的照耀下，通过检测透过耳垂的光强的变化就可以间接测量到人体的脉搏信号检测原理二中，桡动脉由于靠近体表外周血管，信息尤为丰富，检测也最为便利。压力传感器可以用来检测桡动脉脉搏波。试验室现有的压力传感器为FSR400，该传感器重量轻，体积小，感测精度高，是一款超薄型电阻式压力传感器。FSR400将施加在其薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，从而获得压力要折叠或扭转，易损坏传感器，传感器引脚引出的红黑两根导线无正负之分。骨性隆起处〕向连线做垂直线，此交点定为最正确采集点。二、血氧饱和度[3]缺氧，缺氧的重要临床表现为血氧饱和度显著下降。血氧饱和度是指在全部血容量中，被结合的O容量占全部可结合的O容2 2量的百分比。由于溶解于血液中O2

很少，所以血液输送O2

O2

和血液中血红蛋白SO2这个物理量来描述血液中氧含量的变化。在正常的血液中，存在着4种血红蛋白：即氧合血红蛋白(HbO2)、复原血红蛋白(Hb)、碳氧血红蛋白(COHb)、高铁血红蛋白(MetHb)。与氧作可逆性结合的COHbMetHb。因此，SO2的表示方法有两种。功能饱和度：〔functionsaturation〕HbOSO 2

HbO2

2 100%Hb

〔3.1〕饱和度分数：〔fractionalsaturation〕HbOSO 2

HbO2

2

MetHb100%

〔3.2〕COHbMeHb是很少的。所以临床上多承受功能饱和度来反响血液中氧含量的变化。1.血氧饱和度检测原理OI与放射I之间有以下关系：OII eKCd 〔3.3〕O0I和I 的比值的对数称为光密度D，因此上式也可表示成：0Dln(I

)KCd 〔3.4〕IO这里，C是溶液(例如血液)dk是血液的光吸取系数。假设保持路径d不变，血液的浓度便与光密度D成正比。图3.2 单色光透过溶液时的Lambert定律模型3.3式建立在抱负的组织模型条件下，条件为：入射光光源是单频的；光线Ni层吸取组织浓度为cd(i，i iI (LED为对应的入射光波长。LED波长为、光强为I

LED

的单色光垂直照耀人体，当透射光区域动脉血管搏动3.2可知，在心脏舒张期Diastol，最大透射光强I ()可表示为：maxImax

()I

LED

()e

N(i,)cdiiii

〔3.5〕在心脏收缩期〔Systole〔HbO2〕和复原血红蛋白〔Hb〕3.5的根底上，还需增加这两局部的吸取系数，这是产生的最小透射光强可表示为：Imin

()I

()ed((HbO

,)[Hb](HbO2

,)[HbO2

]) 〔3.6〕2其中d表示由于动脉血管组织体积变化引起的光程变化，[Hb表示复原血2红蛋白〔Hb〕的浓度，[HbO表示氧合血红蛋白〔HbO〕(Hb表2 2Hb(HbO

HbO

的吸取系数。2 2图3.3 心脏收缩〔Systole〕和心脏舒张〔Diastole〕机体组织对入射光的吸取分析将式3.5与3.6相除，再取对数，可得动脉血液组织的吸取局部：ln(Imax())d((Hb,)[Hb](HbO

,)[HbO

]) 〔3.7〕Imin

() 2 2LED1和 ，由动脉组织体积变化引起的光程变化d可通过以下运算而去除，所得结2Q为双波长吸取比率：Iln I

()1()1()

(Hb,)(1SaO

)(HbO

12,)SaO121Q 1

(Hb,)(1 2)(HbO,) SaO SaO

〔3.8〕2ln max2I ()min 2

2 2 2 2 2从而功能性血氧饱和度SaO

可表示为：2Q(Hb,)(Hb,)SaO

2 1

(3.9)2 Q((Hb,)(HbO,))(HbO,)(Hb,)2 2 2 2 1 1图3.4 氧合血红蛋白和复原血红蛋白的吸取光谱曲线3.4ExtinctionCoefficient为吸取系数。在红光波长1

Hb的吸取系HbO2

的吸取系数，而在近红外波长2

处，两者的差异很小。假设选择合Ext(Hb2

)Ext(HbO,2 2

)3.9可简化为：Q(Hb,) (Hb,)SaO

2 1

AQB (3.10)2 (HbO

,)(Hb,) (HbO,)(Hb,)2 1 1 2 1 1SaO2

Q之间近似呈线性关系。由I ()

I () I ()I

()Iln II

(1)

minI

(1) ln max

max 1( )Q min 1 I

max1

max 1

(3.11)ln I

(2) lnI

(

) lnI

(max

2

( )max 2(min

) I 2 max

) I ( )2 max 2Imax

()I1

max

1

min

(I1

max

()I2

max

()I2

min

()是由于脉搏搏动而2I

)/I1

()和I1

)/I2

(远小于21xln1x)x，则有：lnI

max

() I1 I

()1I ( ) ( )Q

maxI

(1) ln Imin

(22

max 2) I ( )max 2I

max

(I1

max

(，以及由于脉搏搏动而引2起的透射光最大变化量I

max

(I1

max

()；或是测定两路透射光最大光强2Imax

(I1

max

(I2

min

I1

min

(3.11就可以计算出双波2长吸取比率Q。I

max

称为动脉重量或沟通量〔AC；而皮肤、肌肉、骨骼和静脉血等其他组织对光的吸取是恒定不变的，称为直流DC。考虑到透射光中沟通量占直流量的百分比远小于1IDC。取为660nm红光、 红外光，则：1 2

max

可看成直流ImaxI

()1Q I

( ) AC(660)/DC(660)(1) AC(905)/DC(905) 〔2〕max 2I ( )max 2FlukeIndex2型血氧模拟仪进展定标。图3.5血氧探头构造及引脚定义7针接头〔由于48脚未引出，实际为7针接头。另948脚分别接芯片的正负端RIPD分〔660nm〔905nm1.07〔1.0V，红光发光管的正向压1.575〔1.5V，光敏二极管的正向压降为0.616〔0.58脚1与脚6间的电阻R 7.53k〔Nellcor血氧模块通过推断该电阻值然后选择ID确定血氧饱和度的系数。3.6为血氧探头的发光驱动电路，当U

red

为高电寻常，U

ired

为低电平，红光发光二极管亮；当U

ired

高电寻常，U

red

为低电平，红外发光二极管亮。3.6血氧探头发光驱动电路3.7所示：3.7光电检测电路设计课题一、传感器性能指标的检测一、设计目的：通过查阅资料，了解传感器的性能及应用；学会自主制定检测方案；通过实际检测，生疏和把握各种传感器的性能指标，为后继设计供给依据。二、设计内容：三、设计报告要求：设计课题二、人体温度计的设计一、设计要求：人体体温测量计。要求所设计的温度计能实时准确显示人体体温。二、设计报告要求：具体阐述设计方案；供给所设计电路的电原理图，并对此加以分析；试验数据记录及分析对所设计电路进展自我评价设计课题三、睡眠呼吸监测的设计一、设计要求：数，在设计课题二之根底上，设计睡眠呼吸监测仪，要求能在示波器显示出经过整形后的呼吸脉冲波形。提高任务：对呼吸进展计数，可进展报警。二、设计报告要求：阐述睡眠呼吸监测的意义及呼吸监测仪的设计方案；供给所设计电路的电原理图，并对此加以分析；试验数据记录及分析对所设计电路进展自我评价〔一〕一、设计要求：显示脉搏波相关波形。提高任务：可对脉搏进展计数。二、设计报告要求：阐述脉搏检测的临床意义及检测方法；阐述所设计的脉搏检测系统的设计方案；供给所设计电路的电原理图，并对此加以分析；试验数据记录及分析⒌对所设计电路进展自我评价设计课题五、血氧信号的检测一、设计要求：的血氧探头性能，设计并搭建血氧探头把握及检测电路。根本任务：设计完成单路光交、直流检测电路，并能在示波器上显示相应波形，依据所得波形计算出Q值。提高任务：在完成根本任务根底上①设计把握电路用以把握血氧探头以确定的频率轮番输出红光、红外光两路光信号；红外光混哈信号分别出来；③结合根本任务完成血氧饱和度检测电路。二、设计报告要求：阐述血氧饱和度的临床意义及检测方法；阐述所设计的血氧饱和度检测系统的设计方案；供给所设计电路的电原理图，并对此加以分析；试验数据记录及分析⒌对所设计电路进展自我评价设计课题六、酒精含量的检测一、设计要求：传感器设计并搭建检测电路。LED指示灯分别显示酒精含量的低、中、高。LED数字显示电路，来自传感器的相应数值。二、设计报告要求：阐述酒精传感器的应用及检测人体酒精含量的原理及方法；阐述所设计的检测系统的设计方案；供给所设计电路的电原理图，并对此加以分析；试验数据记录及分析⒌对所设计电路进展自我评价设计课题七、脉搏信号检测仪的设计〔二〕一、设计要求：上压力的变化而发出不同的音调。提高任务：设计脉搏信号检测电路，利用脉搏跳动时压力传感器上所受压力变化在示波器上观看到光标的明显变化。注：脉搏信号检测点比较难找，确定要有急躁。选点的时候可以用食指和中可以检测到最猛烈的脉搏信号。二、设计报告要求：阐述脉搏检测的临床意义及检测方