第一章绪论

人类社会正逐渐由工业化时代向信息化时代迫近，传感器作为感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的一种功能元件，已经成为与计算机同等重要的技术工具，获得了高度重视和迅速发展。在生物工程，医疗卫生等方面的传感器已层出不穷，所以说传感器几乎已渗入到新技术革命的所有领域，涉及国民经济各部门。

●1.1传感器的定义及组成

传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。而生物医学传感器就是感知生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。主要由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。

●1.2医学传感器的用途及特殊要求

“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。在生物工程，医疗卫生，环境保护，安全防范，家用电器等方面的传感器已层出不穷，生物医学传感器的主要用途有:提供生物医学检测的信息;提供连续监护的信息;提供人体疾病治疗和控制的信息。

●1.3传感器的分类

传感器种类繁多, 功能各异。 同一被测量可用不同转换原理实现探测, 利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器, 而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域, 故传感器有不同的分类法。

第二章传感器的基本特性

传感器所测量的物理量基本上有两种形式：稳态（静态或准静态）：信号不随时间变化（或变化很缓慢） 动态（周期变化或瞬态）:信号随时间变化而变化。传感器必须要尽量准确地反映输入物理量的状态，因此传感器所表现出来的输入—输出特性也就不同，即存在静态特性和动态特性。静态特性和动态特性表现出不同的特点，对测量结果也产生不同的影响。一个高精度的传感器，必须要有良好的静态特性和动态特性，从而确保检测信号（或能量）的无失真转换，使检测结果尽量反映被测量的原始特征。

●2.1传感器的静态特性

传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时，所表现出来的输出响应特性，称静态响应特性。表示方法：代数多项式、列表表示和曲线表示。通常用来描述静态特性的指标有：测量范围、精度、灵敏度、稳定性、非线性度、重复性、灵敏阈和分辨力、迟滞。

●2.2传感器的动态特性

传感器的动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。只要输入量是时间的函数，则其输出量必将是时间的函数。研究动态特性的标准输入形式有三种，即正弦、阶跃和线性，而经常使用的是前两种。

●2.3传感器的动态特性分析

阶跃响应特性是指给原来处于静态状态传感器输入阶跃信号，(对传感器突然加载或突然卸载即属于阶跃输入)。在不太长的一段时间内，传感器的输出特性即为其阶跃响应特性。有最大超调量,时间常数 , 上升时间 , 响应时间等参数。频率响应特性是指传感器对正弦输入信号的响应特性称为频率响应特性。

第三章应变式电阻传感器

应变式电阻传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用导体或半导体材料的应变效应，将非电量如力、位移、形变、速度和加速度等变化量，变换成与之有一定关系的电阻值的变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。

●3.1金属电阻应变式传感器

金属应变片式传感器由弹性元件、金属应变片和其他附件组成，核心元件是金属应变片，可将试件上的应变变化转换成电阻值的变化。应用时，将应变片用粘结剂牢固地在被测试件表面上。当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随同形变，引起应变片电阻值的变化，通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。

●3.2半导体固态压阻式传感器

半导体压阻式传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出P型或N型电阻条）组成电桥。

●3.3电阻式传感器的测量电路—直流电桥

为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种。

●3.4电阻式传感器在医学中的应用

应片式电阻传感器是医学中应用颇为广泛的一种传感器，可以用来测量脉象、脉搏、呼吸流量、血压等。电阻式传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，精确度可到 0.01-0.1%，使用简单、精度高、范围大、体积小 。

第四章电容式传感器

电容式传感器以电容器为敏感元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。这种传感器主要感测位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。电容式传感器根据结构形式可以分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型，结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大以及可实现非接触测量等优点。有输出阻抗高，负载能力差，易受寄生电容影响，存在边缘效应等缺点。

●4.1电容式传感器基本工作原理、结构及特点

两板间电容C与极板间距，电容极板间介质的介电常数，极板的覆盖面积三个参数有关。任意一个参数变化，电容C都都会随之变化，若保持其中两个不变，仅改变其中一个，并且使该参数与被测量之间存在某种一一对应的函数关系，那么被测量的变换即可以通过电容的变化反映出来，再通过适当的测量电路就可以转换为相应的电量输出。

●4.2电容式传感器的测量电路

电容式传感器的测量电路的作用是将电容的微小变化量转换为便于传输和采集的电信号（电压、电流、频率）的变化。常用的电路有调幅型、调频型、脉冲调制型三种类型。常用的测量电路有电桥电路、运算放大器电路、二极管双T形交流电桥、环形二极管充放电电路、脉冲宽度调制电路等。

●4.3电容式传感器在医学中的应用

电容式传感器广泛应用于精确测量直线位移、角位移、振动振幅，流量、成分、液位等。尤其适合测量高频振动振幅、加速度等。在医学中的应用有血压的测量、呼吸的测量以及心电图的测量。

第五章电感式传感器

电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量（自感或互感）的一种装置。可用来测位移、压力、振动等多种非电量，既可用于静态测量，又可用于动态测量。本章主要讲述自感式传感器、差动气隙型自感式传感器、螺旋管电感传感器、差动变压器式传感器、电涡流传感器的结构、工作原理及应用。

●5.1自感式传感器

简单自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。差动自感式传感器有E型和л型结构。差动自感式传感器的灵敏度为简单式电感传感器灵敏度的2倍，非线性误差大大减小了。螺旋管电感传感器通过增大螺旋管的匝数密度及铁芯半径可显著提高灵敏度。差动自感式传感器有E型和л型结构。差动自感式传感器的灵敏度为简单式电感传感器灵敏度的2倍，非线性误差大大减小了。

●5.2互感式传感器

互感式传感器是将非电量转换为线圈间互感M的磁电机构，很象变压器的工作原理，故又称为变压器式传感器，多采用差动式结构。 结构主要有：变气隙式、螺线管式和变面积式。

●5.3电涡流式变换原理

电涡流传感器是利用电涡流效应原理，将位移等非电量转换为阻抗的变化（或电感的变化，或Q值的变化），从而进行非电量电测的。

●5.4测量电路

主要介绍交流电桥式测量电路、变压器式交流电桥、相敏检波测量电路、差动整流电路的工作原理。

●5.5电感式传感器的应用

主要介绍电感压力传感器、电感测微仪、心内微型血压计、用于血压测量的电感传感器、用于肢体震颤测量的电感传感器、电涡流式传感器应用（测量板材厚度、零件计数、测量转速）等应用。

第六章压电式传感器

本章主要介绍压电式传感器的工作原理、主要性能参数、测量电路及应用。

●6.1压电效应

正压电效应：某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时内部产生极化现象，在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应。逆压电效应：当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”。

●6.2压电材料及主要性能参数

常用的压电材料：压电单晶体、压电多晶体、压电半导体和高分子聚合物。主要性能参数：压电常数、介电常数、弹性刚度系数、介电损耗、机电耦合系数、机械品质因数、居里温度、频率常数等。

●6.3压电式传感器的等效电路和测量电路

压电式传感器受到外力作用时，在其两个表面上产生电荷，两个表面之间就会有电压，所以压电传感器即可以等效成电荷源也可以等效成电压源。测量电路一般有两种电路，一种是用电阻负反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用电容负反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。电压放大器的灵敏度与连接电缆的分布电容Cc有关，更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷与反馈电容，与电缆电容无关，且与电荷成正比。采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，灵敏度也无明显变化。

●6.4压电式传感器应用

压电式传感器主要测量动态力、机械冲击和振动，在声学、医学、力学、导航方面应用广泛。主要介绍压电式力传感器、压电式加速度传感器、压电式交通监测系统、心内导管微音器、低噪声压电微音器、PVDF高分子压电材料用于检测婴儿呼吸暂停、压电超声波换能器等应用。

第七章磁传感器

磁传感器是通过感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理量的传感器。本章主要介绍磁电式传感器、磁敏传感器的工作原理、主要性能参数、测量电路及应用。

●7.1磁电式传感器

磁电式传感器基于电磁感应原理，利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势；通过磁电作用将被测量（如振动、转速、扭矩）转换成电势信号。分为恒定磁通式磁电式传感器和变磁阻式磁电式传感器。变磁阻式磁电式传感器又分为开磁路和闭磁路二种。

●7.2电磁流量计

电磁流量计是磁电式传感器在生物医学工程方面的应用：能够连续测量血液的瞬时流速或平均流速，并换算成流量。其工作原理为当导电液体在非导磁的导管中以均匀速度流动，其流动方向与磁场方向垂直。相当于一长为导管直径的导线在做切割磁力线运动。对于一定的导管直径和感应强度，电动势仅取决于瞬时的流量。通过电动势的测量就可测量流量。

●7.3霍尔传感器

霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应将被测量(电流、磁场、位移、压力等)转换成电动势输出的一种传感器。霍尔传感器应用广泛。广泛用于无刷电动机、高斯计、接近开关、微位移测量等。 其工作原理为霍尔效应。

●7.4其他类型的磁传感器

主要介绍磁阻传感器、磁敏二极管、磁敏三极管的工作原理、主要特性及应用。

第八章热电式传感器

热电式传感器是利用某些材料或元件的物理特性与温度有关，这一性质将温度的变化转化为电量的变化，由于温度测量与控制应用范围十分广泛，热电式传感器的数量在各种传感器中占据首位。主要的传感器有热电阻、热电偶、石英晶体、热释电等温度传感器。

●8.1热敏电阻式传感器

几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度而变化，这一物理现象称为热电阻效应。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热敏电阻，一般采用导体和半导体材料，利用电阻对温度的依赖关系，将被测非电量转换为电量，用来检测电阻周围介质性质的各种非电量，如温度、速度、浓度等。

●8.2热电偶式工作原理

热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，可以从200摄氏度测到2000多摄氏度，在温度测量中占有重要的地位。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便。它的工作原理是热电效应即两种不同的金属构成闭合回路，当两个节点温度不同时回路中将产生热电势。

●8.3热电偶式基本定律和测量电路

为了正确的使用热电偶，需要掌握它的几个基本定律：中间导体定律，组成定律，中间温度定律。中间导体定律是指在热电偶测温回路内接入第三种导体，只要其两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。组成定律是指A、B、C各自相互组成的三对热电偶回路，当结点温度为T，T0时，用导体A，B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。中间温度定律是在热电偶回路中，两接点温度为T，T0时的热电势，等于该热电偶在接点T、Ta和Ta、T0时的热电势之和。

●8.4集成温度传感器

集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流电压特性与温度的关系，把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上，构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点，由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，它只能用来测150℃以下的温度。

第九章光学传感器

光学传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。它反应速度快、体积小、灵敏度高、功耗低、可靠性好、抗干扰能力强、结构简单、发展速度快、应用范围广。主要有光电传感器、红外传感器、光电耦合器件和光纤传感器。

●9.1光电效应

光照射到物质上引起其电特性（电子发射，电导率，电位电流等）发生变化的现象称为光电效应。根据光的量子学说，光被看作具有一定能量的光粒子组成，每个光子具备的能量E。光照射在物体上，可以看成是一串具有能量的光粒子轰击在物体上，光电效应就是由于物体吸收了光能量后产生了电效应。它通常分为外光电效应和内光电效应两类。

●9.2常用的光电元件

常见的光电传感器有光电管，光电倍增管，光电导元件，光电势元件，光敏管等。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应，光敏电阻基于光电导效应，光电池和光敏二极管、光敏三极管基于光生伏特效应。

●9.3光学传感器的医学应用

光电式脉搏波传感器，是利用光电信号来测量脉搏容积的变化。当血管内血容量变化时,组织对光的吸收程度相应发生变化,利用光电传感器可测出这种变化，反映出血液脉动的基本参数情况（包括频率，幅度，脉搏波形状的改变）。利用光电倍增管设计的设备测定放射性同位素剂量来确定它的分布或运动图像，对脏器的形态、局部缺陷和功能障碍进行诊断。利用被测物质的吸收光的量来测量物质成分。

第十章生物医用电极

生物医用电极用于生物电位测量和对生物体施加电刺激，是测量系统与生物体进行耦合的重要器件，起换能器作用，是一种传感器。

●10.1电极的相关概念

电极是生物电位测量或给生物组织施加电刺激时，连接测量系统和生物体不可缺少的元件。电极是实现生物体内离子流和测量系统电子流间相互转换的换能器件。电极是经过一定处理的金属板或金属丝、金属网等。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。

●10.2电极的特性

在生物测量时，电极接入测量电路并通电后发生极化现象，形成超电位。电极可分为极化电极和非极化电极。在生物测量中，要求电极具有小而稳定的电极电位，通常采用非极化电极，如Ag-AgCL电极。

●10.3常用的生物医用电极

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，剌激电极是执行元件。根据电极的大小和工作时所处的位置可分为宏电极和微电极。

第十一章生物传感器

生物传感器通常是指由一种生物敏感部件和换能器紧密结合,对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。

●11.1生物传感器的构成及原理

生物传感器的组成包括固定化的生物敏感部件和换能器两部分。其中生物敏感部件也叫做分子识别元件，是具有专一性功能的感受器，可以选择性的识别被测目标，是生物传感器选择性测定的基础。换能器是具有传递功能的转换器，也就是可以把分子识别元件引起的生物活性表达信号转换为电信号的转化器。

●11.2生物传感器的分类、特点、应用

生物传感器大体可分为4种分类方式，可分别根据分子识别元件的敏感物质、换能器的种类、输出信号的产生方式以及工作原理老进行分类。生物传感器具有多样性、检测成本低、操作简便、测快速、准确以及易实现分析的自动化等特点。生物传感器的应用繁多，已经融入到生活的方方面面，如卫生保健和生命健康领域、食品安全领域、工业和环境领域、国防和军事领域。

●11.3传感器的发展与展望

生物传感器从20世纪60年代开始起步，至今共经历了三轮发展高潮，目前正处在大健康实践为重要发展驱动的新的机遇期。生物传感器的发展向着多参数、多功能化，微型化、集成化，智能化、无线网络化以及可遥控、无创检测的趋势发展。