第2章 生物医学传感器基础课件

第2章生物医学传感器基础第二章生物医学传感器基础一传感器的基本特性二生物电测量电极第2章生物医学传感器基础传感器的基本特性静态量：固定状态的信号或变化缓慢的信号

——静态特性动态量：周期信号，瞬变信号或随机信号

——动态特性

传感器的特性常用输入和输出的对应关系描述：第2章生物医学传感器基础1.定义：传感器静态特性的输出方程：

Y=a0+a1X+a2X2+a3X3+‥+anXnY为输出量；X为输入量；

a0为零偏，零位输出；

a1为传感器的灵敏度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。

2.1传感器的静态特性第2章生物医学传感器基础2.静态特性指标①灵敏度

K=ΔY/ΔX②线性度

σL=±(Δymax/YF.S)*100%③稳定性△ymax最大偏差拟合曲线特性曲线yFS0第2章生物医学传感器基础2.2传感器的动态特性定义：传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。（标准输入有两种：正弦函数与阶跃函数）具有良好的动态特性的传感器，在动态(快速变换)的输入信号作用下，不仅能精确地测量信号的幅值大小，而且能迅速准确地响应信号幅度变化和无失真地再现被测量信号随时间变化的波形。一.时域表示方法——微分方程

any(n)+an-1y(n-1)+…+a1y’+a0y=bmx(m)+bm-1x(m-1)+…+b1x’+b0x第2章生物医学传感器基础1.零阶环节一般形式:a0y=b0x2.一阶(惯性)环节

a1y’+a0y=b0x(a1≠0)

一般写成:τy’+y=KxK=b0/a0-----静态灵敏度

τ=a1/a0-----时间常数第2章生物医学传感器基础3.二阶(振荡)环节一般形式:a2y(2)+a1y’+a0y=b0x1/ωn2y(2)+(2ξ/ωn)y’+y=Kx式中K=b0/a0-----静态灵敏度

ωn=√a0/a2-----无阻尼固有频率

ξ=a1/

2√a0a2-----阻尼率第2章生物医学传感器基础二.传递函数

1.定义：在零初始条件下，输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比。

H(S)=Y(S)/X(S)

2.环节串联时,H(S)=H1(S)H2(S)…Hn(S)=Hi(S)传递函数输出的拉氏变换输入的拉氏变换第2章生物医学传感器基础

环节并联时,H(S)=H1(S)+H2(S)+…+Hn(S)=Hi(S)3.

传递函数零阶环节H(S)=K一阶环节H(S)=K/(1+τs)二阶环节H(S)=Kωn2/(S2+2ξωnS+ωn2)第2章生物医学传感器基础三.动态响应1.定义：输出对随时间变化的输入量的响应特性。例：一支热电偶从温度t0oC

环境中迅速插入一个温度为toC的恒温水槽,这时热电偶测量的介质温度从t0oC突然上升到t,而热电偶经此过程有一段过渡过程,如图所示：

ot0τ(s)动态误差t(oC)t第2章生物医学传感器基础2.正弦输入时的频率响应输入信号x(t)=xmsin(ωt+φx)

输出信号y(t)=ymsin(ωt+φy)

所谓频率响应就是指在稳定状态下,ym/xm

幅值比和相位φ随ω而变化的状况。频率传递函数：

正弦输入传感器正弦输出第2章生物医学传感器基础X(t)Y(t)φ过渡响应稳态响应幅值比ym/xmω相位差φOOω第2章生物医学传感器基础3.瞬态响应特性传感器的瞬态响应是时间响应。常用的激励信号有阶跃函数,斜坡函数,脉冲函数等。下面以单位阶跃响应来评价传感器的动态性能指标。1)一阶传感器的单位阶跃响应传递函数:H(S)=Y(S)/X(S)=1/(τs+1)

单位阶跃信号x(t)=0t<=01t>0

由于x(t)=1,x(s)=1/s,输出的拉氏变换为{第2章生物医学传感器基础Y(S)=H(S)X(S)=1/(τs+1)*1/sy(t)=1-e-(t>=0)

τ越小,响应曲线越接近于输入阶跃曲线t/τ0.631Y(t)1第2章生物医学传感器基础2)二阶传感器的单位阶跃响应二阶的传递函数:H(S)=ωn2/(S2+2ξωnS+ωn2)传感器输出的拉氏变换:Y(S)=H(S)X(S)=ωn2/S(S2+2ξωnS+ωn2)第2章生物医学传感器基础当ωn为常数时,传感器的响应取决于阻尼ξ.ξ=0临界阻尼,超调量为100%,产生等幅振荡,达不到稳态.ξ>1为过阻尼,无超调也无振荡,但达到稳态的时间较长.ξ<1为欠阻尼,衰减振荡,达到稳态所需时间随ξ的减小而加长ξ=1响应时间最短.(实际使用中ξ取0.7-0.8为最好)第2章生物医学传感器基础y(t)210tξ=00.10.30.512二阶传感器的阶跃响应第2章生物医学传感器基础第2章生物医学传感器基础1.响应速度指标上升时间tr：输出稳态值的10%变化到90%所用的时间，并随的增大而增大。稳定时间ts：输出稳定在稳态值的给定百分比时所需要的时间。一般给定百分比为5%。2.稳定性指标峰值时间tp：输出达到第一个峰值的时间。超调量：超调量与有关，越大，超调量越小。振荡周期T：两个峰值之间的时间间隔。第2章生物医学传感器基础复习思考题1.有关生物医学传感器的用途不正确的是A提供连续监护信息B提供临床检验的信息C不能直接作用与人体D实现自动检测和控制2.以下不属于传感器的静态特性的是A灵敏度B迟滞性C漂移D频率特性3.有关传感器动态特性说法不正确的是A通常采用时间响应分析和频率响应分析B传感器的阶数是由输入量的最高微分阶次决定C一阶系统又称惯性系统D包括截止频率、阻尼比、通频带宽等指标4.举例说明不同于工程测量的人体电子测量的特殊性。√√√第2章生物医学传感器基础生物电测量电极电极的基本概念电极的极化现象和极化电位极化电极和非极化电极电极的电学特性常用的生物电测量电极第2章生物医学传感器基础一、电极的基本概念生物电是生物体最基本的生理现象，各种生物电位的测量都要用电极；给生物组织施加电剌激也要用电极电极实际上是把生物体电化学活动而产生的离子电位转换成测量系统的电位电极起换能器作用，是一种传感器电流在生物体内是靠离子传导的,在电极和导线中是靠电子传导的,在电极和溶液界面上则是将离子电流变成电子电流或将电子电流变成离子电流,从而使生物体和仪器体系构成了电流回路。第2章生物医学传感器基础＋＋＋＋＋＋＋-------生物电检测电极示意图机体外机体内电极电极在生物体内离子导电和金属的电子导电体系之间形成一个电化学界面，能实现离子流与电子流的互相转换，从而使生物体和测量仪器间构成了电流回路。第2章生物医学传感器基础生物电测量的等效电路第2章生物医学传感器基础医用电极按工作性质可分为检测电极和刺激电极两大类：检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。需用电极把这个部位的电位引导到电位测量仪器上进行测量,这种电极称为检测电极。剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的电极。剌激电极是个执行元件。第2章生物医学传感器基础剌激电极主要用于三个方面①研究可兴奋组织的传导和反应的规律;②向生物体内通入外加电流以便达到治疗某种疾病的目的;③控制或替代生物体某些功能,如临床用的除颤器和心脏起搏器的电极。有时同一个电极兼有检测和剌激双重功能。心脏起搏器上的电极即属于此种电极。第2章生物医学传感器基础根据电极的大小和工作时所处的位置可将电极分为宏电极和微电极。

宏电极:是外形较大的电极。它主要用于测定生物体较大部位电位或向生物体较大部位施加电剌激。微电极:是一种尖端细小、机械性能好、能检测细胞电活动的电极。测量细胞内或外电位改变的微电极,其尖端直径约在0.05μm到10μm之间。第2章生物医学传感器基础宏电极又分为体表电极和体内电极

体表电极置在生物体皮肤表面的电极。 体内电极是穿透皮肤的电极，体内电极又分为皮下电极和植入电极。为穿透皮肤与细胞外液接触的电极。它能形成良好的电极/电解质溶液接界。常用于肌电测量和外科手术患者心电监测。是长期埋植于体内的电极,用以控制或替代生物体的某些功能。第2章生物医学传感器基础二、电极的极化现象和极化电位

1.电极的电化学电极电位电极是经过一定处理的金属板或金属丝、金属网等。用电极引导生物电信号时，与电极直接接触的是电解质溶液，如导电膏、人体汗液或组织液（针电极插入皮下时）。因而形成一个金属－电解质溶液界面。当金属放入含有该金属离子的电解质溶液中,在金属和溶液的界面发生化学反应产生电极电位。第2章生物医学传感器基础图电极－溶液界面的平衡电位锌电极放入含Zn2＋的溶液中，锌电极中Zn2＋进入溶液中，在金属上留下电子带负电，溶液带正电。进入水中的正离子和带负电的金属彼此吸引,使大多数离子分布在靠近金属片的液层中,形成的电场,阻碍Zn2＋进一步迁移最终达到平衡。此时金属与溶液之间形成电荷分布产生一定的电位差。第2章生物医学传感器基础

由金属浸在含有该金属离子溶液中所构成的体系称为电极金属与溶液之间的界面电位差称为电极电位,又称半电池电势。电极的本质生物电电极的本质是由金属－电解质溶液构成的半电池生物体的活组织是一种含多种金属离子成份的电解质溶液，当电极与组织表面相接触时，电极与组织之间就构成了半电池。第2章生物医学传感器基础2电极电位的确定单个电极电位无法确定，国际上规定氢电极标准电位为零，电极电位相对于氢电极便可确定。电极电位与温度，材料和反应物质的活度有关，可按Nernst方程计算。第2章生物医学传感器基础电极电位E

式中：R-气体常数,为8.314J/（mol·K）；F-法拉第常数,为96487库仑；T-绝对温度；n-金属离子价数；C-金属离子的有效浓度（mol/L）；K-为一与金属特性有关的常数。

-为标准电极电位，是指常温下该电极在单位浓度的电极电位。当金属离子的有效浓度C=1mol/L的特殊情况下,电极电位为第2章生物医学传感器基础

是金属浸在含有该金属离子有效浓度为lmol/L的溶液中达到平衡时的电极电位,称为这种金属的标准电极电位（表3.2）可看出值远远大于所有生物电位信号的大小。与金属以离子形态转入溶液的能力K以及温度T有关系。第2章生物医学传感器基础

表3.2几种常用电极材料在25℃时半电池电位

第2章生物医学传感器基础3.电极的极化和极化电位

电极的极化是指电极与电解质溶液的双电层界面在有电流通过时,电极-电解质溶液界面电位从原有平衡电位变化为新电极电位，该极化电位与通过电流密度有关。将有电流通过的电极电位与无电流的平衡电极电位的偏离现象称为极化现象。两个电位的偏差采用极化电压或超电压描述。第2章生物医学传感器基础极化现象实验图

——模拟电极与生物体之间的导电液体情况检测电极或刺激电极检测电极或刺激电极电解液输入阻抗第2章生物医学传感器基础开关K置1：平衡状态，两电极半电池电位相等，无电流通过电极。开关K置2：电源E接入,使左银极为阳极,而右为阴极。R上有电压降,说明电解池回路中有电流通过电极。且电流随时间增加减小，要维持电流必须升高电压。开关K置3：电源E脱开，电解池产生与外加电源E极性相反的电动势，即左正,右负。产生极化现象

第2章生物医学传感器基础解释当系统处于平衡状态，溶液中NaCl浓度分布是各处均匀的。电池E电压加到电极上,电极有电流通过,阴极上发生电极反应为：由于产物不能扩散离开,阴极吸附氢气,成为氢电极,电极附近OH-

浓度增加。

第2章生物医学传感器基础在阳极上发生电极反应为：产物不能扩散离开,致使阳极吸附氧气成为氧电极。电极附近H+浓度增加。由于极化，氧电极的银电极对外电路为正,而为氢电极的银电极对外电路为负，其极性恰与外接电池E相反。阻止进一步极化。

第2章生物医学传感器基础电极极化对使用的影响电刺激：电刺激目的是将电流通过电极送入生物组织器官。电极极化会阻碍电流进入生物体组织器官。生物电位测定:是通过电极把待测部位的生物电位引到检测系统进行测定。电极极化产生超电压使前级放大器的输入端产生生物电位失真，影响测量准确度。应尽量设法减小电极极化！第2章生物医学传感器基础

三、极化电极和非极化电极

1.定义极化电极：在给电极施加电压,或通入电流,在电极/电解溶液界面上无电荷通过,而有位移电流通过的电极,称为极化电极惰性金属如Ag,Pt、等难被氧化和分解,接近极化电极。当施加电压时电极/溶液界面形成双电层。与电容器相似,其极性与外加电压极性相反。非极化电极：是指不需要能量，使电流能自动通过电极/电解质溶液界面的电极。实际上完全不需要能量而电流自动通过电极/电解质溶液界面的电极是不存在的。测量生理信号常用的Ag/AgC1电极接近这种电极性能。第2章生物医学传感器基础2.Ag/AgCl电极

表面镀有氯化银的银板或银丝放在含Cl-离子溶液中所构成。电极的表面上存在下列平衡反应:给电极加正电位时,反应向左方进行放出电子与正电荷中和,使电极电位不变。当给电极加负电位,反应向右方进行:AgCl消掉电子,使电极电位不变。第2章生物医学传感器基础Ag/AgC1电极在小电流时非常接近非极化电极,但在大的电流时也会产生浓差超电压和欧姆超电压。测定心电、脑电时流过电极电流非常小,Ag/AgCl电极很适用于作为检测电极测定心电和脑电。Ag/AgCl的电极反应是电解反应，与金属的极化不同。第2章生物医学传感器基础3.制作Ag/AgCl电极的方法:

电解法和烧结法

电解法制作Ag/AgCl电极装置第2章生物医学传感器基础要镀AgC1层的银电极作为阳极,表面积较大的银板作为阴极，供给镀银。1.5V电池作为电源,串联电阻R用以限制峰值电流。电流表I用来观察电流以便控制电极反应速度。电流密度约以5mA/cm2为宜。第2章生物医学传感器基础烧结法制作Ag/AgCl电极：将净化的纯银丝放在模具内,再填满银和氯化银粉末的混合物,用扳压机加压,压成圆柱体,然后再从模具中取出,在400℃的温度下烘几个小时,便制成一个银导线四周包围着烧结的Ag和AgCl圆柱体的Ag/AgCl电极第2章生物医学传感器基础Ag/AgCl电极称为可逆变电极，如果持续通大电流

Ag/AgCl电极作为阳极使用时,氯离子与银结合成AgCl,使电极上AgCl层增厚。电极作为阴极使用时,氯离子从AgCl层中进人溶液,从而消耗了AgCl层,使其变薄。工作电流小于10-9A为宜。氯化银电极用铜线作为引出线，不要使焊点部分与活组织(或电解质)接触。因为焊点上没有氯化银镀层,所以焊点的极化电位是不稳定的。使用Ag/AgCl电极应注意的问题第2章生物医学传感器基础为了使Ag/AgCl电极能够良好地工作,必须在电极和活组织之间提供足够的氯离子。用含有氯离子的盐溶液或导电膏均匀地涂敷后才能使用。这类电极用作记录信号电极而不用作剌激电极。在记录电位时,Ag/AgCl电极一般都配以高输入阻抗的放大器。Ag/AgCl电极对光敏感Ag/AgCl电极材料有害，不宜用于体内的生物电信号测量Ag/AgCl电极比普通电极稳定得多,其极化电位很小,在生物电测量中越来越广泛应用。第2章生物医学传感器基础其它电极：应考虑毒性、机械强度、化学稳定性等因素。常用的电极材料有铂(白金)、金、银、不锈钢等。铜的盐类是有毒性的,因此要避免使用第2章生物医学传感器基础四、电极的电特性

电极的等效电路：

电极-电解液界面存在双电层,用电容等效,电极用串联电阻和电容模拟。

C为双电