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1、医学传感器复习题目答案电子教案医学传感器复习题目答案1. 传感器定义，重要性P1-P2 +PPT传感器的定义：能感受或响应规定的测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。重要性:各个学科的发展与传感器技术有十分密切的关系。例如：工业自动化、农业现代比、航天技术、军事工程、机器人技术、资源开发、海洋探测、环境监测、安全保卫、医疗诊断、交通运输、家用电器等方面都与传感器技术密切相关。这些技术领域的发展都离不开传感器技术的支持，同时也是传感器技术发展的强大动力。离开传感器就没有我们今天的生活。2. 医用传感器定义。PPT能够感知多数为非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。3. 为何

2、转换成电信号P2 +PPT反映生命的信息绝大多数属于非电量，其放大和处理是十分困难的。而医学传感器把生物信号换成电信号，经放大器及预处理器进行信号放大和预处理，然后经A/D转换器进行采样，将模拟信号转变为数字信号，输入计算机，然后通过各种数字信号处理算法进行信号分析处理，得到有意义的结果4. 传感器，换能器，执行器的关系传感器：这种装置用来感知被监测系统的参数，它能把特定的被测参数的信息（包括物理量、化学量和生物量等）按一定规律转换为某种便于处理，易于传输的信号（如电信号、光信号等）。换能器：它是一种装置，这种装置可将能量从一个域（如电能）变换到另一个域（如超声波），反之亦然。推广来讲，它可将

3、能量从一种类型转变成另一种类型。因此对transducer确切翻译应为换能器。执行器：它也是一种装置，这种装置接收电能后可对系统状态施加影响，如电机（它可施加扭矩）、水泵（它施加压力或改变流体速度）、电动移动工作台等。5. 医疗哪三个环节需要传感器，举例诊断（心音、血压、脉搏、呼吸、体温等信息）、治疗（自动呼吸机、电子价值）、监护（监视体温、脉搏、动脉压、静脉压、呼吸和心电等一系列参数的而变化情况），三个环节都离不开传感器。6. 传感器的基本分类一.传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和生物型三大类。 二.按功能分类：电传感器、磁传感器、位移传感器、压力传感器、振动传感器、声传感器

4、、速度传感器、加速度传感器、流量传感器、流速传感器、真空度传感器、温度传感器、湿度传感器、光传感器、射线传感器、分析传感器、仿生传感器、气体传感器和离子传感器等。 三.按行业：工业、环保、军用、宇航、医用7. 医用传感器的分类、举例答：医用传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和生物型三大类。物理传感器是利用物理性质和物理效应制成的传感器；化学传感器是利用化学性质和化学效应制成的传感器；生物传感器是利用生物活性物质作为分子识别系统的传感器。例如，物理传感器有半导体压阻式传感器，压电效应传感器，光电效应传感器等。化学传感器有湿度传感器，不同种类的离子敏感电极，离子敏场效应管等。生物传感

5、器有酶传感器，微生物传感器，免疫传感器等。8. 被测医学量特点答：1.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一300Hz。2.生理参数的信号微弱，测量范围分布在vmv数量级。3.被测量的信噪比低且噪声来源可能是多方面的。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。4.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。5.随机性信号较多-不确定性因素9. 医用传感器发展方向趋势答：1.微系统2.智能化3.多参数4.光传感器5.无创检测6.新材料、新原理10. 静态特性和动态特性定义及区别，传感器何种情况下需要评

6、价动态特性区别：静态特性：输入量为常量，或者变化极慢。动态特性：输入量随时间较快地变化。输入信号随着时间变化较快的时候需要评价动态特性。11. 静态数学模型，主要指标指标：线性度，迟滞，重复性，灵敏度，灵敏度误差，分辨力，阈值，稳定性，温度稳定性，抗干扰稳定性，静态误差。传感器的静态模型常为多项式y=a0+a1x+a2x2+a3x3+在经过零点校正后（a0=0）y=a1x+a2x2+a3x3+12. 线形度三种求法，两端点连线法计算。如何补偿，哪些传感器是线形的，哪些是非线性的。线性度三种求法：端点连线法，最佳直线法，最小二乘法。两端点连线的计算：请参照第二章PPT传感器的基本知识第26页例题

7、中的第二小问。电容传感器就是非线性传感器，y=a1x。线性传感器理想，近似。如电位器式传感器。实际的输出输入曲线与拟合曲线（工作曲线，一般为直线）间必有偏差，其最大偏差的相对值El即为线性度。补偿方法：同时测量两侧头反向移动信号，再经相减，可消除偶次项。13. 灵敏度定义，求法，与分辨率的关系定义：传感器的灵敏度指传感器达到稳定后输出变化量y对输入量x的比值。14. 求法：k=y/x15. 与分辨率的关系：分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量的最小变化的能力。灵敏度越高，分辨率越好。16. 重复性，回程误差，稳定性的区别重复性：反映了传感器在输入量按同一方向（增或减）全量程多次测试时，所得到

8、的特性曲线的不一致程度。17. 回程误差：也称迟滞误差。常用绝对误差表示。检测回程误差时可选择几个测试点。对应每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出的信号差值的最大者即为回程误差。18. 稳定性：传感器在相当长的时间内仍保持其原性能的能力。19. 准确度与精密度，正确度关系准确度：被测量结果与约定真值一致的程度，是精密度和正确度的综合。20. 精密度：同一测量条件下测量指示值不一致的程度，反映随机误差大小。21. 正确度：测量结果有规律偏离真值的程度，反映测量结果中系统误差大小。22. 23. 举例说明0阶，一阶，二阶的医用传感器零阶传感器：y(t)=kx(t)传感器的动态特性用上述方程式来

9、描述的就称为零阶系统。 如：电位器式传感器一阶传感器：传感器的动态特性用上述方程式来描述的就称为一阶系统。 如：玻璃液体温度计二阶传感器：传感器的动态特性用上述方程式来描述的就称为二阶系统。如：测血压、生理压力传感器、加速度型心音传感器等。24. 传递函数是怎么来的当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数25. 动态特性评价最常用何种方法，简单计算最常用的阶跃响应法和频率响应法，输入信号为时域内阶跃信号和频域内正弦信号。26. 一阶，二阶 阶跃特性取决于哪个参数一阶传感器动态响应取决于， 越小越好。 是一阶系统决定参数阻尼比是二阶系统决定参数27. 干扰来源1.外

10、部原因对传感器的不良影响1)生理作用：麻醉扰乱血压传感器正常值2)传感器本身的阻碍，使血流不正常3)机械干扰：振动、冲击4)热干扰：热膨胀、温差5）音响干扰2.人体静电的影响当由于精密仪器设备所处的环境中湿度太低、空气太干燥、穿绝缘底鞋在化纤地毯上行走、化纤衣服相互磨摔、接近高压电场等，都会在人身上产生静电，最高时可达上万伏特。 3.交变电场的影响在我们所处的环境中有相当多的交流电，人体处于交变电声之中会感应交变电荷，其能量的等级虽然较低，但由于精密仪器设备所测试的信息源的能量等级更低，如对人进行生物电如心电、脑电 测量时，被测信号微弱的在量级甚至更低，所以在此环境中不采取抗干扰措施，干扰将会

11、把检测信号淹没，无法得出正确数据。4.强磁场的影响对策由于特殊诊断的需求，有储如磁共振等医疗设备周围分布着强磁场，它会使显像管、射线影像增强器显示图像变形失真；加速器射线偏移；计算机磁盘、磁卡记录数据破坏；呼吸机工作失灵；还有可能发生心脏起博器工作失效而危及患者的生命。5.高频辐射的影响在我们生活的空间充满了来自各方面的电磁辐射。如无线电台发射的电磁波、移动电话、各种电火花、高频设备、日光灯、可控电路、各种电机、汽车、雷电、太阳异常活动等等，均会产生高频电磁污染，有些还会串入电网，干扰使用设备，精密仪器设备的安装布线不合理也会产生不良耦合。28. 安全要求一.安全性标准国正在拟定GB9706.

12、1标准的并列标准GB9706.1.1医用电气系统安全要求。二.电气安全医用电气设备的安全检测是十分重要的，如仪器漏电流100A，直接通过人的心脏，就有室颤的危险对组成系统的外壳漏电流的要求正常状态下在患者环境内来自系统或系统部件之间的允许的外壳漏电流不得超过0.1mA。即使在任何非永久性安装的保护接地导线断开的情况下，在患者环境内来自系统或系统部件之间的允许的外壳漏电流不得超过0.5mA。正常状态下，B型设备和BF型设备的患者漏电流不得超过0.1mA，CF 型设备的患者漏电流不得超过0.01mA。B型：可用于除心脏外的体内外CF型：可用于心脏保护接地导线的连接应做成：在去除系统中某一台设备时，

13、若不同时断开来自相关部分的供电源，便不能断开保护供电电源；在设备外面保护接地导线应与网电源供电线一起布线三.生物医学材料安全性传感器材料对人效应要求：1.无毒2.无热源反应3.不致癌4.不引起过敏，干扰免疫机制反应5.不发生材料表面钙化沉着对传感器材料要求 1.生物医用材料应具有良好的血液相容性和组织相容性。2.要求耐生物老化。即对长期植入的材料，其生物稳定性要好；对于暂时植入的材料，要求在确定时间内降解为可被人体吸收或代谢的无毒单体或片断。3.物理和力学性质稳定、易于加工成型、价格适当。4.便于消毒灭茵、无毒无热源、不致癌不致畸也是必须考虑的。常用医用传感器材料1.金属：铂、金、不锈钢、钛、

14、钽银只能作为皮肤电极，铜不可用2.非金属：生物陶瓷、生物玻璃、碳素材料3.高分子材料：合成、天然四.激光安全第一级激光器：即无害免控激光器。这一级激光器发射的激光，在使用过程中对人体无任何危险，即使用眼睛直视也不会损害眼睛。对这类激光器不需任何控制。 第二级激光器：即低功率激光器。输出激光功率虽低，用眼睛偶尔看一下不至造成眼损伤，但不可长时间直视激光束。否则，眼底细胞受光子作用而损害视网膜。但这类激光对人体皮肤无热损伤。 第三级激光器：即中功率激光器。这种激光器的输出功率如聚焦时，直视光束会造成眼损伤，但将光改变成非聚焦，漫反射的激光一般无危险，这类激光对皮肤尚无热损伤。 第四级激光器：即大功

15、率激光器，此类激光不但其直射光束及镜式反射光束对眼和皮肤损伤，而且损伤相当严重，并且其漫反射光也可能给人眼造成损伤。29. 电位器式传感器主要特点，如何作为医用传感器应用。特点：空载特性，有载特性，阶梯特性，分辨率和阶梯特性。可以通过阶梯特性的改进作为医用传感器应用。30. 应变电阻传感器有几种，有何不同（灵敏度、温度系数） ，测量原理，特性如何分为丝式，箔式，半导体式三种。金属应变计有:丝式和箔式。优点:稳定性和温度特性好；.缺点:灵敏度系数小.测量原理：电阻应变计把机械应变信号转换成R/R后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路

16、或仪器，把应变计的R/R变化转换成电压或电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。特性：1、高灵敏度系数 (小的应变引起电阻大的变化)。2、高的直线性。3、应变次数。4、高疲劳寿命。 5测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测，误差小于1%。6应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便。7测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量。8测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1%0.2%。9适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。10便于多点测量、

17、远距离测量和遥测。11价格便宜，品种多，工艺较成熟。31. 直流电桥电路图32. 单桥，半桥，全桥的应变灵敏度33. 半桥，全桥的应变片布置法34. 全桥的好处35. 应变片测量如何补偿温度影响答：1.自补偿法：分单丝自补偿法（适当选取栅丝的温度系数及膨胀系数，以满足t=0）和组合式自补偿法（应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成）；2.线路补偿法（电桥补偿法）3.采用热敏电阻进行补偿 4串联负温度系数二极管补偿 5.辅助测量补偿 6.计算机补偿36. 如何作为血压计传感器使用答：血压传感器如颅内压测量、张丝式血管外血压传感器和传感器受压变形37. 常用电感传感器类型，特点答：变磁阻

18、（自感）式传感器（具有非线性的输出特性）、差动自感传感器（非线性补偿）、差动互感变压器（可以被测量的变化转换为互感系数M的变化，其工作原理类似于变压器）38. LVDT电感传感器优势何在答：1能应用于压力和位移的测量； 2具有更高的灵敏度但仪器配置也更加复杂； 3在检测器上实现信号与位移的转换； 4可作为一个敏感的位移传感器； 5典型的LVDT工作电压为3到15V，工作频率为60到20000Hz； 6可以测量75mm到0.1mm的位移量； 7当线圈位于中心位置时，由于微小的形变会在输出端形成一个微小的电压。39. LVDT医学应用答：1开颅手术； 2导尿管顶端压力传感器； 3肌肉收缩测量； 4

19、手指反应测量； 5电磁式空气传导心音传感器。40. 电容传感器结构三种类型，举出其医学应用答：三种类型1变间距型电容式传感器2变面积型电容式传感器3变介电常数型电容式传感器医学应用： 1人体表面2电容血压传感器3电容式位置反馈心电图机4湿度传感器5输液传感器6义齿压力传感器41. 电容传感器主要特点答：1.高阻抗 直流电阻趋于无穷大，交流阻抗1/( jC)由于C较小，当频率不太高时交流阻抗也很大。 2.小功率 视在功率PC=UI=U 2C，由于C很小，则在频率不太高时PC也很小。 3.存在静电吸引力 由于板极间距很小，静电力就比较明显，特别是小板极间距测量时可能会引入附加误差。 4.测量回路通

20、常要用交流回路。（书）结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及易实现非接触测量等优点；寄生电容、纰漏电阻及非线性等缺点。42. 电容传感器交流电桥构成答：1为了使桥路平衡，在四个桥臂中必须接入两个电容（一个单电容式传感器和一个固定电容，或接入差动型电容传感器），另外两个桥臂接入其他类阻抗原件，例如：两个电阻、两个电感、或是两个电容。2电容电桥同样有两种对称形式，即Z1=Z2(二者同是电容)和Z1=Z3对称。3对于Z1、Z2为电容，另外两臂（）由任意阻抗原件组成的电桥，输出相移为零时，其桥臂系数的最大值为0.25；对于电容式传感器与电阻构成的电桥，其桥臂系数的最大值为0.5，

21、此时输出的信号有900的相移；对于电容式传感器与电感构成的电桥，桥臂比的相角=+-180时，桥臂系数达到最大值，且输出相移为零。43. 差动电容传感器如何工作，有何优点答：外界影响动板的移动，从而引起电容的变化，经过放大后由特性曲线判断外界的变化。 1.高阻抗 2.小功率 3.存在静电吸引力 4.测量回路通常要用交流回路。44. 正反压电效应正压电效应：某些物质沿一定方向受到外力作用而产生机械形变时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；在撤掉外力时，这些物质又重新回到不带电的状态，这种将机械能转换成电能的现象称为压电效应。逆压电效应（电致伸缩效应）：在某些物质的极化方向上施加电场，这些

22、物质会产生机械形变；在撤掉外加电场时，这些物质的机械形变随之消失，这种将电能转换成机械能的现象称为逆压电效应。45. 压电传感器主要特点。(1)灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单、牢固，可靠性好，寿命长；(2)体积小，重量轻，刚度、强度、承载能力和测量范围大，动态响应频带宽，动态误差小；(3) 易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适用于近测、遥测。46. 压电主要材料，灵敏度如何常用的压电材料有压电单晶体、压电多晶体（即压电陶瓷）、压电半导体和压电高分子聚合物。压电单晶体包括石英（SiO2）、铌酸锂、硫酸锂、酒石酸钾钠等。压电系数很小。压电陶瓷包括钛酸钡、锆钛酸铅（PZT）等。压电系

23、数大，灵敏度高。压电半导体包括氧化锌、硫化镉等。压电高分子聚合物包括聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯等（PVDF）。压电系数较小。47. 两类医学应用（1，电子血压计2超声换能器）1，电子血压计2超声换能器） 电子血压计被用于医院等医疗机构进行血压测量。超声诊断仪依靠超声换能器产生入射超声波（发射波）和接收反射的超声波（回波），在医用超声诊断仪中超声换能器又称为探头。48. 血压计传感器可以利用那些原理压电效应、互感原理、变压器基本原理49. 温度传感器主要类型（5种）模拟输出型集成温度传感器、数字输出型集成温度传感器、开关输出型集成温度传感器、石英

24、晶体测温传感器、热释电传感器。50. 求温度平衡时的传感器和被测对象的温度51. 热敏电阻的特点，种类52. 热电偶测量原理及其医疗应用。53. 热释电及热电堆式温度传感器医疗作用。答：1）热释电传感器目前主要用于探测红外辐射方面，广泛应用于各类辐射计、光谱仪及红外和热成像方面。医疗仪器中可用于非接触测温和热像仪方面。热光导摄像管就是一个例子。锗透镜光学系统把被检测物的温度图像聚焦在热释电元件的靶上，产生的热释电电流用电子束扫描进行检测。这种摄像管制成的热像仪省去了常规热像仪的复杂的机械扫描机构和冷却系统，应用价值很大。热像图法适用于诊断乳腺癌、皮肤癌、甲状腺疡、末梢血管闭塞或狭窄和某种神经性

25、疾病。尤其适用于乳腺癌的普查。2）热电堆式温度传感器主要应用于体温监测、局部温度测量及液体或部分生理指标的测量。54. 非接触测温方法。答：非接触式温度检测在工业生产中的高温检测、民用、医疗等方面中得到了广泛地应用。非接触温度感测器可以测量所有目标物体释放的红外能量，具有响应快的特点。通常被用于测量移动和间歇性目标，真空状态下的目标，由于恶劣环境空间限制以及安全威胁无法由人接触的目标。55. 热敏IC特点答：优点：High output 高输出Very linear 高线性度Cheap 价格便宜缺点： Limited variety 种类有限 Limited range 工作范围有限 Need

26、s V source 供不应求 Self-heating 产生自热56. 光电传感器的内外光电效应具有能量的光子被广电材料吸收激发出自由电子并逸出该物质的表面是外光电效应。内光电效应是有一个阴极K和一个阳极A构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极K和电源负极相联，一个阳极A通过负载电阻同电源正极相接，因此管内形成电场。当光照射阴极时，电子便从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，想成电流I。57. 光电倍增原理，光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础上。工作室倍增极电位是逐级增高的，当入射光照射光电阴极K时，立刻有电子逸出，逸出的电子收到第一倍增极D1正电位作用，使之加速在D1倍增极上

27、，产生二次电子发射。同理D1发射的的电子在D2更高正电位作用下，再次被加速打在D2极上，D2又会产生二次电子发射，这样逐级前进，知道电子被阳极A吸收为止。58. 主要特点灵敏度：Sk=90uA/lm,Sa=900ua/lm放大倍数：G=Sa/Sk=105-107暗电流：10-8-10-9A。5秒比15秒后大采取直流补偿电路选频和琐相放大致冷（半导体致冷器件）屏蔽斌率：106Hz电源：1000-2000V疲劳：强光昭和导致灵敏度下降，可逆和不可逆59. 已知增益G，阳极最大电流Ia，阴极面积，求阴极允许照度Ek 60. 什么是MCP，应用特点举例MCP即微通道板，是一种先进的具有传输、增强电子图

28、像功能的电子倍增器，高倍电子增益器件，其具有体积小、重量轻、分辨率好等优点。它利用二次电子发射特性，可使高速磁撞在内壁（通道）上的电子能成倍增加，使之达到万倍以上的电子增流。由于MCP是一种高倍电子增益器件，具有增强电子图像的功能，所以广泛用于光电倍增管、像增强器、微光电视、X光像增强器、高速示波管，以及光子计数、X-射线、紫外光子、电子、离子、带电粒子、亚原子粒子等的探测。61. 朗伯-比尔定律答：光吸收基本定律：lamberbeer 定律Lanber定律：当以适当波长的单色光通过以固定浓度的溶液时，其吸光度与光通过的液层厚度成正比，即A=k1b式中b为液层厚度，k1为比例系数，它与被测物质

29、性质、入射光波长、溶剂、溶液浓度及温度有关，lambert定律对所有均匀介质都适用。Beer定律：当一适当波长的单色光通过溶液时，若溶液厚度一定，则吸光度与溶液浓度成正比。即：A=k2c式中c为物质的量浓度（或质量浓度），k2为与吸光物质种类、溶剂、入射光波长、液层厚度和溶液温度有关的常数。Beer定律仅适用于单色光。Lanber-Beer定律：将上面两式合并为A=ebc式中b的单位为cm，c为物质的量浓度（mol/L），e为摩尔吸光系数，单位为L/(mol*cm).62. 简述核医学及X光传感器如何工作。影像核医学以放射性核素（药物）在体内的分布作为成像依据，反映了人体代谢、组织功能和结构形

30、态。 影像核医学显像的条件为具有能够选择性聚焦在特定脏器、组织和病变的放射性核素或放射性标记药物，使该脏器、组织或病变与临近组织之间达到一定的放射性浓度差；利用核医学显像装置探测到这种放射性浓度差，根据需要采用合适的影像设备以一定的方式将它们显示成像，得到的就是脏器、组织或病变的影像。x光传感器工作原理：能敏感到X光光能量的，并将光能量转换成电信号的器件。利用高真空热阴极X线管产生X光，照射物体基于光电效应，变成电信号。63. 光敏电阻特点及应用1）光谱响应范围宽，紫外到远红外2）工作电流大，数毫安3）光强范围大4）无极性，偏压低5）坚固耐用，体积小 6.）响应慢 简单，寿命长，易于实现无距离

31、检测来控制，广泛应用于仪器仪表，自动检测和控制，各种电路及家电应用：照相机自动测光、光控灯、工业控制、血细胞分析仪、红外诊断仪、64. 为何光敏电阻可以承受交流电。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成的光电材料，它没有极性，纯粹是一个电阻器件，只不过它具有内光电效应光电导效应受光辐射电导率变化的作用而已， 使用时既可以加直流电压，也可以加交流电压65. 的计算公式，及其在光敏电阻的应用计算。例如：已知光敏电阻 0.84，Ex=60lx, R10=33k,求此时电阻Rx 解：Rx= R10(Ex/10) -0.84 =33(60/10) -0.84 =7.326k66. 光电二极管与光电三极管的异同它们都是由N型半导体和P型半导体构成。光电二极管是PN型，光电三极管是NPN型或PNP型。光电三极管有放大作用，其灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。67