生物医学传感器--课件

生物医学传感器生物医学传感器知识回顾知识回顾n传感器的定义、特点以及组成n传感器的作用n医用传感器的用途和分类（提供信息、监护、生化检验、自动控制、治疗工作原理、被测量种类、人体感官对应）n医用传感器的特性和要求n医用传感器的发展n传感器的特性感器的特性 主要指其主要指其转化信息的能力和性化信息的能力和性质。这种能力和性种能力和性质常用常用传感器感器输入和入和输出的出的对应关系来关系来描述。描述。n传感器的静感器的静态特性特性 当当输入量入量为静静态量量时，其，其输出出输入关系称入关系称为静静态特性。特性。n静静态量量 是指常量或是指常量或变化化缓慢的量。慢的量。n传感器的感器的动态特性特性 当当输入量入量为动态量量时其其输入入输出关系称出关系称为动态特性。特性。n动态量量 是指周期是指周期变化、瞬化、瞬态变化或随机化或随机变化的量化的量第一节第一节 传感器的静态特性传感器的静态特性一、静一、静态特性特性1.定定义：如果传感器的输入量在较长时间维持不变或发生极其缓慢的变化则传感器的输出量与输入量间的关系即为静态特性。2.分分类：3.数学模型数学模型Y Y输出信号；输出信号；X X输入信号；输入信号；a a0 0无输入时的输出，零位输出；无输入时的输出，零位输出；a a1 1传感器的线性灵敏度；传感器的线性灵敏度；a a2 2,a,a3 3,a,an n非线性项的待定常数非线性项的待定常数理想理想线性特性性特性n当a0=a2=a3=an=0时，输入输出之间具有理想的线性关系，此时传感器的静态特性为：0XY其静态特性曲线是一条直线，具有这种特性的传感器我们称之其静态特性曲线是一条直线，具有这种特性的传感器我们称之为为线性传感器线性传感器。n对于理想于理想线性的性的传感器，其感器，其输出量随出量随输入量的入量的变化也是化也是线性的，即：性的，即：y-输出量变化；x-输入量变化；n这时这时 ，其中的，其中的a1叫做叫做传感传感器的灵敏度器的灵敏度。非非线性性项为偶数偶数n当a3=a5=a7=0时特性曲线如图所示：n特点：不具有对称性，且线性范围较窄，所以传感器设计时一般很少采用这种特性。非非线性性项次数次数为奇数奇数n当a2=a4=0时，特性曲线如图所示。n特点：a.特性曲线关于原点对称y(x)=-y(-x)。b.特性曲线在原点有较宽的线性区一般情况一般情况当a0=0时特性曲线如图所示：n此时的特性曲线如图，虽然经过原点，但不具有对称性。n利用数学模型利用数学模型讨论差差动测量的量的优越性越性设一个一个传感器的感器的输出出为：另一个相同的另一个相同的传感器感器经适当的适当的链接使之接使之产生相反的生相反的位移，位移，这时的的输出出为：输出的差出的差为：二、静二、静态特性指特性指标 1.测量范量范围 2.灵敏度灵敏度 3.线性度性度 4.迟滞滞 5.稳定性定性 6.环境特性境特性1.测量范量范围n测量范量范围：输入量的取值范围。n限制限制测量范量范围的因素：的因素：传感元件的测量范围有一定的限度。如弹性元件。变换电路的工作范围也是有限制的。如电桥。2.灵敏度灵敏度n定定义：传感器的灵敏度指传感器达到稳定后输出变化量y对输入变化量x的比值。n公式：公式：n灵敏度界限的定灵敏度界限的定义：输入变化x时，输出变化y，x变小y也变小，但是一般来说x小到一定程度时，y就不再发生变化了，这时的x叫做灵敏度界限。3.线性度性度n定定义：指在规定条件下传感器的特性曲线与拟合直线间的最大偏差（LMAX）与传感器满量程（FS）输出值（yFS）的百分比。n公式：公式：n意意义：反映反映传感器偏离感器偏离线性的程性的程度。度。4.迟滞滞n定定义：对于同一个大小的输入行程，传感器正反行程的输出信号大小不等，这种现象称为迟滞。n公式：公式：n产生原因：生原因：各种传感元件材料的物理性质。5.稳定性定性n定定义：在传感器输入端加上同样的输入时，即使环境条件完全一样，所得到的输出较之以前有所不同。n传感器特性不感器特性不稳定的原因：定的原因：传感器长时间放置不用。（经时变化）传感器承受不适当的外界应力或进行不必要的加热。传感器在连续使用过程，受到外界信号干扰或传感器投入使用的时间过长。（漂移）传感器在刚接通电源前后工作是不稳定的，在接通电源升温时间内最好避免使用传感器。6.6.环境特性境特性n影响传感器的环境因素：温度的变化是在影响传感器特性中最普遍又最重要的因素。气压的变化传感元件或容器会产生体积的变化，因而特性也跟着变化。湿度的变化对光学传感器或电容传感器的影响尤为明显，因为湿度的变化会使光学传感器折射率发生改变，电容传感器介电常数发生改变。电源的变化电源电压波动会引起灵敏度和输出漂移。电源电压的波动会直接使电桥电路的不平衡电压产生变化。电源频率的变化除了对利用交流磁场的传感器有所影响外，对其他传感器影响不大。第二节第二节 传感器的动态特性传感器的动态特性n为什么学什么学习传感器的感器的动态特性？特性？答：只要答：只要输入量是入量是时间函数，函数，则输出量也是出量也是时间函函数，其数，其间的关系要用的关系要用动态特性来特性来说明。明。n如何学如何学习传感器的感器的动态特性？特性？答：建立答：建立动态的数学模型，用数学中的的数学模型，用数学中的逻辑推理和推理和运算方法，分析运算方法，分析传感器在感器在动态变化的化的输入量作用入量作用下，下，输出量如何随出量如何随时间改改变。n例例1：图示是一个示是一个简单的的传感装置，主要由感装置，主要由弹簧元件和簧元件和黏性阻尼器黏性阻尼器组成成,想想x(t)表示表示该装置的装置的输入激励，入激励，y(t)表表示系示系统的的输出位移。出位移。n根据根据图可列微分方程：可列微分方程：弹簧弹性系数阻尼器阻尼系数n例例2 图中有三部分中有三部分组成，分成，分别为动木木块（m）、）、弹簧元簧元件和黏性阻尼器，列出件和黏性阻尼器，列出该系系统的微分方程。的微分方程。n解：根据解：根据图例，可列的微分例，可列的微分方程方程为：弹簧弹性系数阻尼器阻尼系数一、一、传感器感器动态特性的数学模型特性的数学模型1.一般表达式一般表达式表达式中的各系数都是与系统结构参数有关的常数2.零阶传感器零阶传感器传感器的特性方程不含有输出量传感器的特性方程不含有输出量y(t)的导数项故称为的导数项故称为零阶微零阶微分方程分方程，相对应，传感器称为，相对应，传感器称为零阶传感器零阶传感器。3.一阶传感器一阶传感器假设热电偶的质量为m，比热为c，热接点温度T1；被测介质温度为T0；被测介质与热电偶之间的热阻为R。根据能量守恒定律，列出热电偶的热平衡方程有：将上面的两个式整理消去中间变量,并令时间常数=RmC得：q01是被测介质传递给热电偶的能量4.二阶传感器二阶传感器如图，测量心内压的液压耦合导管压力传感器。弹性元件的弹性系数；导管和压力室中液体的质量；液体的粘性阻尼。二、二、传感器的感器的传递函数函数n对于一个复杂的系统或输入信号，求解其微分方程是很困难对于一个复杂的系统或输入信号，求解其微分方程是很困难的，因此可以采用足以反映系统动态特性的函数，将系统的输的，因此可以采用足以反映系统动态特性的函数，将系统的输入输出联系起来，工程中常用的函数有入输出联系起来，工程中常用的函数有传递函数、频率响应、传递函数、频率响应、脉冲响应函数脉冲响应函数和和阶跃响应。阶跃响应。整理得：整理得：对上式进行拉氏变换，得：对上式进行拉氏变换，得：n例：求一例：求一阶传感器的感器的传递函数函数对其进行拉氏变换整理得到传递函数静态灵敏度；静态灵敏度；时间常数。时间常数。n例：求二例：求二阶传感器的感器的传递函数函数对其进行拉氏变换对其进行拉氏变换静态灵敏度；静态灵敏度；无阻尼的固有频率；无阻尼的固有频率；阻尼比。阻尼比。小结小结n传感器的静态特性传感器的静态特性（理想线性、非线性项次数为偶数）（理想线性、非线性项次数为偶数）n传感器的静态特性指标传感器的静态特性指标（测量范围灵敏度，线性度、迟滞、稳定、环境）（测量范围灵敏度，线性度、迟滞、稳定、环境）n传感器的动态特性表述传感器的动态特性表述n传感器动态特性的数学模型传感器动态特性的数学模型（零阶、一阶、二阶）（零阶、一阶、二阶）n传感器的传递函数传感器的传递函数（拉氏变换）（拉氏变换）作业作业n某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV，求其灵敏度。n传感器差动测量的优点是什么？用传感器静态方程来说明这一优点。n已知一种传感器微分方程 ，其中y为输出电压（mV），x为输入温度（）。试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。三、三、传感器的感器的动态响响应n概念概念瞬态响应：输出信号到达新的稳定状态以前的响应特性，又叫暂态响应。稳态响应：当时间t趋于无穷大时传感器的输出状态。频率响应：在频域中对系统信息传递特性的描述，与系统的输入和时间都没有关系。n怎怎样研究研究这三种响三种响应？研究传感器的瞬态响应时，常用阶跃信号作为输入信号，因为它是瞬变信号。研究稳态响应时，常用正弦信号，因为医学中所研究的信号多是周期性的，而周期性信号都可以看成是正弦函数的叠加。用傅里叶变换代替拉普拉斯变换，即将传递函数中的变量s置换为j。1.瞬瞬态响响应一一阶传感器：感器：求解方法：求解方法：对传递函数对传递函数整理得：整理得：单位阶跃函数的拉普拉斯变换为：单位阶跃函数的拉普拉斯变换为：进行拉普拉斯反变换：进行拉普拉斯反变换：代入上式：代入上式：二二阶传感器瞬感器瞬态响响应三种状态：欠阻尼、临界阻尼、过阻尼。从理论上说，临界阻尼状态时响应时间最短。实际上一般多是使系统处于稍欠阻尼状态，这样便于调整。为了兼顾到短的上升时间和小的过冲两方面，阻尼比一般取0.7左右。瞬态响应特性指标时间常数是描述一阶传感器动态特性的重要参数，越小，响应速度越快。二阶传感器阶跃响应的典型性能指标可由图表示各指标定义各指标定义如下：如下：n 上上升升时时间间tr 输输出出由由稳稳态态值值的的10%变变化化到到稳稳态态值值的的90%所用的时间。所用的时间。n 响响应应时时间间ts 系系统统从从阶阶跃跃输输入入开开始始到到输输出出值值进进入入稳态值所规定的范围内所需要的时间。稳态值所规定的范围内所需要的时间。n 峰峰值值时时间间tp 阶阶跃跃响响应应曲曲线线达达到到第第一一个个峰峰值值所所需需时间。时间。n 超超调调量量 传传感感器器输输出出超超过过稳稳态态值值的的最最大大值值A，常用相对于稳态值的百分比常用相对于稳态值的百分比表示。表示。2.稳态响响应对正弦函数和余弦函数分正弦函数和余弦函数分别做拉式做拉式变换，得：，得：代入代入例如输入量例如输入量 整理得后进行拉式发整理得后进行拉式发变换，得：变换，得：n在输出信号中含有与输入量周期相同的成分；n振幅和相位都与 有关。得出的系统响应得出的系统响应y(t)包括瞬态包括瞬态响应成分和稳态响应成分。但响应成分和稳态响应成分。但瞬态响应逐渐消失。瞬态响应逐渐消失。n 和T0决定了系统的增益和相位滞后如果T0 ，即输入信号的周期T0比系统的时间常数 大很多时，输出振幅几乎等于输入信号振幅，而且相位滞后比较小；如果T0比较小，输出信号的振幅与输入信号振幅之比则较小，相位滞后增大。3.频率响率响应函数函数拉普拉斯变换拉普拉斯变换傅里叶变换傅里叶变换它是在频域中对系统信息传递特性的描述，且仅是频率函数，它是在频域中对系统信息传递特性的描述，且仅是频率函数，与时间和输入无关。与时间和输入无关。称为传感器的频率响应函数，称为传感器的频率响应函数，是是 一种特例。一种特例。幅幅频特性：反映特性：反映传感器的感器的动态灵敏度灵敏度相相频特性：表示特性：表示输出超前出超前输入的角度，通常入的角度，通常输出出总是滞后于是滞后于输入，故常入，故常为负值。n一一阶传感器的感器的频率响率响应函数函数其幅频响应其幅频响应 和相频响应和相频响应 分别为：分别为：n二阶传感器的频率响应其幅频特性和相频特性分别为：u二阶传感器的幅频特性、相频特性图：幅频特性幅频特性相频特性相频特性第三节第三节 传感器动态特性分析传感器动态特性分析传感器动态响应分析，分为时域分析和频域分析。n时域分析方法：将传感器的微分方程变为拉普拉斯函数，进行代数运算后，进行拉普拉斯逆运算，得出y(t).n频域分析方法：只需要求出幅值和相位随变化的表达式就可以了。【例2-4】一阶传感器的时域分析一阶传感器的时域表达式为：该式可看成是由稳态分量和瞬态分量两部分组成。一阶传感器的时间常数越小越好【例2-5】一阶传感器的频域分析一阶传感器的频域响应函数为：其对数幅值为：标准型取k=1，幅频响应为：在低频段，即 ，在高频段，即 ，对数幅频特性为：相频特性为：频率响应特性指标频率响应特性指标 频带频带频带频带 传传感感器器增增益益保保持持在在一一定定值值内内的的频频率率范范围围，即即对对数数幅幅频频特特性性曲曲线线上上幅幅值值衰衰减减-3dB时时所所对对应应的的频频率率范范围围，称称为为传传感感器器的的频频带或通频带，对应有上、下截止频率。带或通频带，对应有上、下截止频率。时间常数时间常数时间常数时间常数 用用时时间间常常数数来来表表征征一一阶阶传传感感器器的的动动态态特特性性，越越小小，频频带带越越宽。宽。固有频率固有频率固有频率固有频率 0 0 二阶传感器的固有频率二阶传感器的固有频率0表征了其动态特性。表征了其动态特性。一、静一、静态误差：差：1.误差源：差源：把把传感器放入感器放入测量位置的量位置的过程所造成的程所造成的误差；差；传感器自身存在于被感器自身存在于被测物体中所引起的物体中所引起的误差；差；传感器本身的特性引起的感器本身的特性引起的误差。差。2.对传感器特性的要求：感器特性的要求：输入入为零零时要求要求输出也出也为零；零；对某个确定的某个确定的输入入值，按照，按照对应关系关系输出出值也也应该是确定的。是确定的。第四节第四节 传感器的误差传感器的误差3.与与输入有关的入有关的误差差 传感器的非线性和迟滞性随着x的增大会产生明显的误差；在由于环境条件变化带来的误差中，温度的变化所产生的误差最为显著，另外由于气压、湿度、振动、电源电压波动带来的误差也不容忽视。4.与与输入无关的入无关的误差差 由构成传感器的各个元件所产生的噪声组合，它包括内部产生的噪声和外部产生的噪声。二、二、动态误差差1.稳态误差：差：输出量达到出量达到稳定状定状态后与后与输入信号之入信号之间的差的差别。2.瞬瞬态误差：当差：当输入信号入信号发生越生越变时输出量由一个出量由一个稳态到另一个到另一个稳态之之间过渡渡过程中的程中的误差。差。第五节第五节 传感器的标定和校准传感器的标定和校准 传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时确定出不同使用条件下的误差关系。传感器的标定工作可分为如下两方面：n新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递；（通过检定将国家基准所复现的计量单位值经各级计量标准传递到工作用计量器具，以保证被测对象所测得量值的准确和一致的过程。）n经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。传感器的标定分为静态标定和动态标定。u静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。u动态标定目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。一、传感器的静态特性标定1静态标准条件u没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（205）、相对湿度不大于85%RH，大气压力为 1017kPa的情况。2标定仪器设备精度等级的确定u标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。3静态特性标定的方法u将传感器全量程分成若干等间距点；u根据传感器量程分点情况，由小到大逐一输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；u将输入值由大到小一点一点地减少，同时记录下与各输入值相对应的输出值；u重复上述过程，对传感器正、反行程多次测试，将得到的输出输入测试数据列表或画成曲线；u对测试数据进行必要处理，得出静态特性指标。二、传感器的动态特性标定u传感器的动态特性主要是研究传感器的动态响应，和与动态响应有关的参数；u一阶传感器只有一个时间常数；u二阶传感器则有固有频率 和阻尼比两个参数。三、传感器选择的一般原则为：1.根据测量对象与测量环境确定传感器的类型2.灵敏度的选择3.频率响应特性4.线性范围5.稳定性6.精度小结（小结（2）n传感器的动态响应（瞬态、稳态、频率响应）n传感器的动态特性分析（一阶时间响应、一阶频率响应）n传感器的误差n传感器的标定和校准作业作业n何何谓动态响响应的的时域分析与域分析与频域分析？域分析？举例例说明明他他们的分析方法。的分析方法。