第2章 生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)課件

第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)第二章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)一傳感器的基本特性二生物電測量電極第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)傳感器的基本特性靜態(tài)量：固定狀態(tài)的信號或變化緩慢的信號

——靜態(tài)特性動態(tài)量：周期信號，瞬變信號或隨機信號

——動態(tài)特性

傳感器的特性常用輸入和輸出的對應(yīng)關(guān)系描述：第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)1.定義：傳感器靜態(tài)特性的輸出方程：

Y=a0+a1X+a2X2+a3X3+‥+anXnY為輸出量；X為輸入量；

a0為零偏，零位輸出；

a1為傳感器的靈敏度靜態(tài)特性表示傳感器在被測生理量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出與輸入之間的關(guān)系特性，一般情況下，它呈現(xiàn)非線性關(guān)系。工程應(yīng)用中，要求靜態(tài)特性盡可能呈線性。

2.1傳感器的靜態(tài)特性第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)2.靜態(tài)特性指標(biāo)①靈敏度

K=ΔY/ΔX②線性度

σL=±(Δymax/YF.S)*100%③穩(wěn)定性△ymax最大偏差擬合曲線特性曲線yFS0第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)2.2傳感器的動態(tài)特性定義：傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。（標(biāo)準(zhǔn)輸入有兩種：正弦函數(shù)與階躍函數(shù)）具有良好的動態(tài)特性的傳感器，在動態(tài)(快速變換)的輸入信號作用下，不僅能精確地測量信號的幅值大小，而且能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)信號幅度變化和無失真地再現(xiàn)被測量信號隨時間變化的波形。一.時域表示方法——微分方程

any(n)+an-1y(n-1)+…+a1y’+a0y=bmx(m)+bm-1x(m-1)+…+b1x’+b0x第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)1.零階環(huán)節(jié)一般形式:a0y=b0x2.一階(慣性)環(huán)節(jié)

a1y’+a0y=b0x(a1≠0)

一般寫成:τy’+y=KxK=b0/a0-----靜態(tài)靈敏度

τ=a1/a0-----時間常數(shù)第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)3.二階(振蕩)環(huán)節(jié)一般形式:a2y(2)+a1y’+a0y=b0x1/ωn2y(2)+(2ξ/ωn)y’+y=Kx式中K=b0/a0-----靜態(tài)靈敏度

ωn=√a0/a2-----無阻尼固有頻率

ξ=a1/

2√a0a2-----阻尼率第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)二.傳遞函數(shù)

1.定義：在零初始條件下，輸出的拉氏變換與輸入的拉氏變換之比。

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

2.環(huán)節(jié)串聯(lián)時,H(S)=H1(S)H2(S)…Hn(S)=Hi(S)傳遞函數(shù)輸出的拉氏變換輸入的拉氏變換第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)

環(huán)節(jié)并聯(lián)時,H(S)=H1(S)+H2(S)+…+Hn(S)=Hi(S)3.

傳遞函數(shù)零階環(huán)節(jié)H(S)=K一階環(huán)節(jié)H(S)=K/(1+τs)二階環(huán)節(jié)H(S)=Kωn2/(S2+2ξωnS+ωn2)第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)三.動態(tài)響應(yīng)1.定義：輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。例：一支熱電偶從溫度t0oC

環(huán)境中迅速插入一個溫度為toC的恒溫水槽,這時熱電偶測量的介質(zhì)溫度從t0oC突然上升到t,而熱電偶經(jīng)此過程有一段過渡過程,如圖所示：

ot0τ(s)動態(tài)誤差t(oC)t第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)2.正弦輸入時的頻率響應(yīng)輸入信號x(t)=xmsin(ωt+φx)

輸出信號y(t)=ymsin(ωt+φy)

所謂頻率響應(yīng)就是指在穩(wěn)定狀態(tài)下,ym/xm

幅值比和相位φ隨ω而變化的狀況。頻率傳遞函數(shù)：

正弦輸入傳感器正弦輸出第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)X(t)Y(t)φ過渡響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值比ym/xmω相位差φOOω第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)3.瞬態(tài)響應(yīng)特性傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時間響應(yīng)。常用的激勵信號有階躍函數(shù),斜坡函數(shù),脈沖函數(shù)等。下面以單位階躍響應(yīng)來評價傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)。1)一階傳感器的單位階躍響應(yīng)傳遞函數(shù):H(S)=Y(S)/X(S)=1/(τs+1)

單位階躍信號x(t)=0t<=01t>0

由于x(t)=1,x(s)=1/s,輸出的拉氏變換為{第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)Y(S)=H(S)X(S)=1/(τs+1)*1/sy(t)=1-e-(t>=0)

τ越小,響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線t/τ0.631Y(t)1第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)2)二階傳感器的單位階躍響應(yīng)二階的傳遞函數(shù):H(S)=ωn2/(S2+2ξωnS+ωn2)傳感器輸出的拉氏變換:Y(S)=H(S)X(S)=ωn2/S(S2+2ξωnS+ωn2)第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)當(dāng)ωn為常數(shù)時,傳感器的響應(yīng)取決于阻尼ξ.ξ=0臨界阻尼,超調(diào)量為100%,產(chǎn)生等幅振蕩,達不到穩(wěn)態(tài).ξ>1為過阻尼,無超調(diào)也無振蕩,但達到穩(wěn)態(tài)的時間較長.ξ<1為欠阻尼,衰減振蕩,達到穩(wěn)態(tài)所需時間隨ξ的減小而加長ξ=1響應(yīng)時間最短.(實際使用中ξ取0.7-0.8為最好)第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)y(t)210tξ=00.10.30.512二階傳感器的階躍響應(yīng)第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)1.響應(yīng)速度指標(biāo)上升時間tr：輸出穩(wěn)態(tài)值的10%變化到90%所用的時間，并隨的增大而增大。穩(wěn)定時間ts：輸出穩(wěn)定在穩(wěn)態(tài)值的給定百分比時所需要的時間。一般給定百分比為5%。2.穩(wěn)定性指標(biāo)峰值時間tp：輸出達到第一個峰值的時間。超調(diào)量：超調(diào)量與有關(guān)，越大，超調(diào)量越小。振蕩周期T：兩個峰值之間的時間間隔。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)復(fù)習(xí)思考題1.有關(guān)生物醫(yī)學(xué)傳感器的用途不正確的是A提供連續(xù)監(jiān)護信息B提供臨床檢驗的信息C不能直接作用與人體D實現(xiàn)自動檢測和控制2.以下不屬于傳感器的靜態(tài)特性的是A靈敏度B遲滯性C漂移D頻率特性3.有關(guān)傳感器動態(tài)特性說法不正確的是A通常采用時間響應(yīng)分析和頻率響應(yīng)分析B傳感器的階數(shù)是由輸入量的最高微分階次決定C一階系統(tǒng)又稱慣性系統(tǒng)D包括截止頻率、阻尼比、通頻帶寬等指標(biāo)4.舉例說明不同于工程測量的人體電子測量的特殊性。√√√第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)生物電測量電極電極的基本概念電極的極化現(xiàn)象和極化電位極化電極和非極化電極電極的電學(xué)特性常用的生物電測量電極第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)一、電極的基本概念生物電是生物體最基本的生理現(xiàn)象，各種生物電位的測量都要用電極；給生物組織施加電剌激也要用電極電極實際上是把生物體電化學(xué)活動而產(chǎn)生的離子電位轉(zhuǎn)換成測量系統(tǒng)的電位電極起換能器作用，是一種傳感器電流在生物體內(nèi)是靠離子傳導(dǎo)的,在電極和導(dǎo)線中是靠電子傳導(dǎo)的,在電極和溶液界面上則是將離子電流變成電子電流或?qū)㈦娮与娏髯兂呻x子電流,從而使生物體和儀器體系構(gòu)成了電流回路。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)＋＋＋＋＋＋＋-------生物電檢測電極示意圖機體外機體內(nèi)電極電極在生物體內(nèi)離子導(dǎo)電和金屬的電子導(dǎo)電體系之間形成一個電化學(xué)界面，能實現(xiàn)離子流與電子流的互相轉(zhuǎn)換，從而使生物體和測量儀器間構(gòu)成了電流回路。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)生物電測量的等效電路第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)醫(yī)用電極按工作性質(zhì)可分為檢測電極和刺激電極兩大類：檢測電極是敏感元件,用來測定生物電位的。需用電極把這個部位的電位引導(dǎo)到電位測量儀器上進行測量,這種電極稱為檢測電極。剌激電極是對生物體施加電流或電壓所用的電極。剌激電極是個執(zhí)行元件。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)剌激電極主要用于三個方面①研究可興奮組織的傳導(dǎo)和反應(yīng)的規(guī)律;②向生物體內(nèi)通入外加電流以便達到治療某種疾病的目的;③控制或替代生物體某些功能,如臨床用的除顫器和心臟起搏器的電極。有時同一個電極兼有檢測和剌激雙重功能。心臟起搏器上的電極即屬于此種電極。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)根據(jù)電極的大小和工作時所處的位置可將電極分為宏電極和微電極。

宏電極:是外形較大的電極。它主要用于測定生物體較大部位電位或向生物體較大部位施加電剌激。微電極:是一種尖端細(xì)小、機械性能好、能檢測細(xì)胞電活動的電極。測量細(xì)胞內(nèi)或外電位改變的微電極,其尖端直徑約在0.05μm到10μm之間。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)宏電極又分為體表電極和體內(nèi)電極

體表電極置在生物體皮膚表面的電極。 體內(nèi)電極是穿透皮膚的電極，體內(nèi)電極又分為皮下電極和植入電極。為穿透皮膚與細(xì)胞外液接觸的電極。它能形成良好的電極/電解質(zhì)溶液接界。常用于肌電測量和外科手術(shù)患者心電監(jiān)測。是長期埋植于體內(nèi)的電極,用以控制或替代生物體的某些功能。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)二、電極的極化現(xiàn)象和極化電位

1.電極的電化學(xué)電極電位電極是經(jīng)過一定處理的金屬板或金屬絲、金屬網(wǎng)等。用電極引導(dǎo)生物電信號時，與電極直接接觸的是電解質(zhì)溶液，如導(dǎo)電膏、人體汗液或組織液（針電極插入皮下時）。因而形成一個金屬－電解質(zhì)溶液界面。當(dāng)金屬放入含有該金屬離子的電解質(zhì)溶液中,在金屬和溶液的界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電極電位。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)圖電極－溶液界面的平衡電位鋅電極放入含Zn2＋的溶液中，鋅電極中Zn2＋進入溶液中，在金屬上留下電子帶負(fù)電，溶液帶正電。進入水中的正離子和帶負(fù)電的金屬彼此吸引,使大多數(shù)離子分布在靠近金屬片的液層中,形成的電場,阻礙Zn2＋進一步遷移最終達到平衡。此時金屬與溶液之間形成電荷分布產(chǎn)生一定的電位差。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)

由金屬浸在含有該金屬離子溶液中所構(gòu)成的體系稱為電極金屬與溶液之間的界面電位差稱為電極電位,又稱半電池電勢。電極的本質(zhì)生物電電極的本質(zhì)是由金屬－電解質(zhì)溶液構(gòu)成的半電池生物體的活組織是一種含多種金屬離子成份的電解質(zhì)溶液，當(dāng)電極與組織表面相接觸時，電極與組織之間就構(gòu)成了半電池。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)2電極電位的確定單個電極電位無法確定，國際上規(guī)定氫電極標(biāo)準(zhǔn)電位為零，電極電位相對于氫電極便可確定。電極電位與溫度，材料和反應(yīng)物質(zhì)的活度有關(guān)，可按Nernst方程計算。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)電極電位E

式中：R-氣體常數(shù),為8.314J/（mol·K）；F-法拉第常數(shù),為96487庫侖；T-絕對溫度；n-金屬離子價數(shù)；C-金屬離子的有效濃度（mol/L）；K-為一與金屬特性有關(guān)的常數(shù)。

-為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，是指常溫下該電極在單位濃度的電極電位。當(dāng)金屬離子的有效濃度C=1mol/L的特殊情況下,電極電位為第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)

是金屬浸在含有該金屬離子有效濃度為lmol/L的溶液中達到平衡時的電極電位,稱為這種金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（表3.2）可看出值遠遠大于所有生物電位信號的大小。與金屬以離子形態(tài)轉(zhuǎn)入溶液的能力K以及溫度T有關(guān)系。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)

表3.2幾種常用電極材料在25℃時半電池電位

第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)3.電極的極化和極化電位

電極的極化是指電極與電解質(zhì)溶液的雙電層界面在有電流通過時,電極-電解質(zhì)溶液界面電位從原有平衡電位變化為新電極電位，該極化電位與通過電流密度有關(guān)。將有電流通過的電極電位與無電流的平衡電極電位的偏離現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象。兩個電位的偏差采用極化電壓或超電壓描述。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)極化現(xiàn)象實驗圖

——模擬電極與生物體之間的導(dǎo)電液體情況檢測電極或刺激電極檢測電極或刺激電極電解液輸入阻抗第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)開關(guān)K置1：平衡狀態(tài)，兩電極半電池電位相等，無電流通過電極。開關(guān)K置2：電源E接入,使左銀極為陽極,而右為陰極。R上有電壓降,說明電解池回路中有電流通過電極。且電流隨時間增加減小，要維持電流必須升高電壓。開關(guān)K置3：電源E脫開，電解池產(chǎn)生與外加電源E極性相反的電動勢，即左正,右負(fù)。產(chǎn)生極化現(xiàn)象

第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)解釋當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，溶液中NaCl濃度分布是各處均勻的。電池E電壓加到電極上,電極有電流通過,陰極上發(fā)生電極反應(yīng)為：由于產(chǎn)物不能擴散離開,陰極吸附氫氣,成為氫電極,電極附近OH-

濃度增加。

第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)在陽極上發(fā)生電極反應(yīng)為：產(chǎn)物不能擴散離開,致使陽極吸附氧氣成為氧電極。電極附近H+濃度增加。由于極化，氧電極的銀電極對外電路為正,而為氫電極的銀電極對外電路為負(fù)，其極性恰與外接電池E相反。阻止進一步極化。

第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)電極極化對使用的影響電刺激：電刺激目的是將電流通過電極送入生物組織器官。電極極化會阻礙電流進入生物體組織器官。生物電位測定:是通過電極把待測部位的生物電位引到檢測系統(tǒng)進行測定。電極極化產(chǎn)生超電壓使前級放大器的輸入端產(chǎn)生生物電位失真，影響測量準(zhǔn)確度。應(yīng)盡量設(shè)法減小電極極化！第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)

三、極化電極和非極化電極

1.定義極化電極：在給電極施加電壓,或通入電流,在電極/電解溶液界面上無電荷通過,而有位移電流通過的電極,稱為極化電極惰性金屬如Ag,Pt、等難被氧化和分解,接近極化電極。當(dāng)施加電壓時電極/溶液界面形成雙電層。與電容器相似,其極性與外加電壓極性相反。非極化電極：是指不需要能量，使電流能自動通過電極/電解質(zhì)溶液界面的電極。實際上完全不需要能量而電流自動通過電極/電解質(zhì)溶液界面的電極是不存在的。測量生理信號常用的Ag/AgC1電極接近這種電極性能。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)2.Ag/AgCl電極

表面鍍有氯化銀的銀板或銀絲放在含Cl-離子溶液中所構(gòu)成。電極的表面上存在下列平衡反應(yīng):給電極加正電位時,反應(yīng)向左方進行放出電子與正電荷中和,使電極電位不變。當(dāng)給電極加負(fù)電位,反應(yīng)向右方進行:AgCl消掉電子,使電極電位不變。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)Ag/AgC1電極在小電流時非常接近非極化電極,但在大的電流時也會產(chǎn)生濃差超電壓和歐姆超電壓。測定心電、腦電時流過電極電流非常小,Ag/AgCl電極很適用于作為檢測電極測定心電和腦電。Ag/AgCl的電極反應(yīng)是電解反應(yīng)，與金屬的極化不同。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)3.制作Ag/AgCl電極的方法:

電解法和燒結(jié)法

電解法制作Ag/AgCl電極裝置第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)要鍍AgC1層的銀電極作為陽極,表面積較大的銀板作為陰極，供給鍍銀。1.5V電池作為電源,串聯(lián)電阻R用以限制峰值電流。電流表I用來觀察電流以便控制電極反應(yīng)速度。電流密度約以5mA/cm2為宜。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)燒結(jié)法制作Ag/AgCl電極：將凈化的純銀絲放在模具內(nèi),再填滿銀和氯化銀粉末的混合物,用扳壓機加壓,壓成圓柱體,然后再從模具中取出,在400℃的溫度下烘幾個小時,便制成一個銀導(dǎo)線四周包圍著燒結(jié)的Ag和AgCl圓柱體的Ag/AgCl電極第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)Ag/AgCl電極稱為可逆變電極，如果持續(xù)通大電流

Ag/AgCl電極作為陽極使用時,氯離子與銀結(jié)合成AgCl,使電極上AgCl層增厚。電極作為陰極使用時,氯離子從AgCl層中進人溶液,從而消耗了AgCl層,使其變薄。工作電流小于10-9A為宜。氯化銀電極用銅線作為引出線，不要使焊點部分與活組織(或電解質(zhì))接觸。因為焊點上沒有氯化銀鍍層,所以焊點的極化電位是不穩(wěn)定的。使用Ag/AgCl電極應(yīng)注意的問題第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)為了使Ag/AgCl電極能夠良好地工作,必須在電極和活組織之間提供足夠的氯離子。用含有氯離子的鹽溶液或?qū)щ姼嗑鶆虻赝糠蠛蟛拍苁褂?。這類電極用作記錄信號電極而不用作剌激電極。在記錄電位時,Ag/AgCl電極一般都配以高輸入阻抗的放大器。Ag/AgCl電極對光敏感Ag/AgCl電極材料有害，不宜用于體內(nèi)的生物電信號測量Ag/AgCl電極比普通電極穩(wěn)定得多,其極化電位很小,在生物電測量中越來越廣泛應(yīng)用。第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)其它電極：應(yīng)考慮毒性、機械強度、化學(xué)穩(wěn)定性等因素。常用的電極材料有鉑(白金)、金、銀、不銹鋼等。銅的鹽類是有毒性的,因此要避免使用第2章生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)四、電極的電特性

電極的等效電路：

電極-電解液界面存在雙電層,用電容等效,電極用串聯(lián)電阻和電容模擬。

C為雙電