医用传感器原理介绍
医用传感器原理介绍
一、用硅压力传感器的电子血压计
日本40岁以上的成年人中有三分之一的人患有高血压病，可以说是一种国民病。因此，各个家庭中的血压计的普及率和体温计一样高。本节叙述用硅压力传感器制作的电子血压计。图3-4是电子血压计的简图。为了测量压力差，硅压力传感器利用薄膜上形成的扩散层的压电电阻组成电桥进行测量。最常见的测量血压的方法是腕带压力在最高血压和最低血压之间会产生一种k音（特殊的声音），由此可以听到脉搏的跳动。利用微音器听k音的开始和结束，测量这时腕带内空气压力和大气压力的差作为血压值。测量k音用的传感器是小型微音器，抗噪音能力弱。心脏运动产生的p音（动脉压波）也和k音一样表现为硅传感器的输出。因此，电子血压计将硅压力传感器p音的输出作为晶体管的门信号来测量k音。通过测量p音产生的周期，可以测量1分钟的脉搏次数。图3-5表示在测量血压时各种信号的变化状态，图中k音出现时，p1的压力y3为最高血压；k音消失时，p2的压力y4为最低血压。
三、采用热敏电阻的电子体温计
不但在医院里要测患者的体温，而且在家庭里要正确了解体温从健康管理方面来说也是很重要的。在本节，特意列举已广泛用于生活的电子体温计。体温计中最关键的是如何正确地测量和显示加在传感器上的体温，大多数是利用热敏电阻阻值的变化，以数字显示体温。用于体温计的热敏电阻的阻值与温度的关系如下式：
rt=r0exp{b（1/t-1/t0）}
其中rt：温度t时（用k表示）的电阻
r0：温度t0时（用k表示）的电阻
b：热敏电阻常数，2000~4000
如图3-7所示，热敏电阻的阻值随着温度的上升而减少，电阻对温度的依赖性表现在温度上升1℃时，阻值平均变化2~5%。实现体温计在32~42℃之间，b值的差异较小，电阻值的精度相当高。并不是把电阻值随温度变化的百分数，直接作为体温计的刻度。需要一个把热敏电阻的输出信号数字化的a/d变换器。为了消除测量回路的误差和温度特性，rc振荡器采用基准电路（rs）。图3-8表示热敏电阻测量电路的例子。在图3-8中一开始开关的s侧接入标准电阻rs，产生振荡，测量计数到ns（定值）的时间ts。可用式ts=ns*c*rs*a（a为常数）来表示。然后将开关打到t侧，接入热敏电阻rt，在时间ts内的振荡次数用式nt=ts/(c*rt*a)来表示。把ts代入此式，得nt=ns*rs/rt，电路参数的误差被抵消。设标准电阻rs在37℃时的电阻值为r37，nt可表示为
nt=ns*exp{b*（1/t37-1/t）}
因ns、b、t37为常数，测量nt值，就可求得温度t。如把与nt对应的温度值写入rom，可直接用数字显示体温。
二、x射线ct传感器
从传感器的名字，马上就想到“人体断层图象”。x射线的波长比电磁波、光波的波长更短，能量更大，对人体的穿透性很强。ct这个词，是couputer tomography（计算机断层检查装置）两个英文词的词头。当x射线通过人体后，利用传感器检查x射线的强度，作为输出信号。然后，借助计算机，作成人体切片图象。图3-1是x射线ct的简图。用x射线ct照射，若x射线在人体组织某部分被吸收，根据传感器输出的大小，可将人体内的异常情况（出血、肿瘤等），以图象方式检测出来。
为了缩短摄影时间，提高分辨率，对原来的ct装置进行了改进。现在的ct，只需x射线管和x射线检测器作旋转运动，便能进行高速扫描。
图3-2（a）表示只有x射线管和传感器部分旋转的情形，图3-2（b）表示实际得到的头部断层图象的例子。检测x射线用的光敏二极管的构造示于图3-3。在硅的pin光电二极管的表面，密布将x射线变成光的闪烁体。
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日本40岁以上的成年人中有三分之一的人患有高血压病，可以说是一种国民病。因此，各个家庭中的血压计的普及率和体温计一样高。本节叙述用硅压力传感器制作的电子血压计。图3-4是电子血压计的简图。为了测量压力差，硅压力传感器利用薄膜上形成的扩散层的压电电阻组成电桥进行测量。最常见的测量血压的方法是腕带压力在最高血压和最低血压之间会产生一种k音（特殊的声音），由此可以听到脉搏的跳动。利用微音器听k音的开始和结束，测量这时腕带内空气压力和大气压力的差作为血压值。测量k音用的传感器是小型微音器，抗噪音能力弱。心脏运动产生的p音（动脉压波）也和k音一样表现为硅传感器的输出。因此，电子血压计将硅压力传感器p音的输出作为晶体管的门信号来测量k音。通过测量p音产生的周期，可以测量1分钟的脉搏次数。图3-5表示在测量血压时各种信号的变化状态，图中k音出现时，p1的压力y3为最高血压；k音消失时，p2的压力y4为最低血压。
三、采用热敏电阻的电子体温计
不但在医院里要测患者的体温，而且在家庭里要正确了解体温从健康管理方面来说也是很重要的。在本节，特意列举已广泛用于生活的电子体温计。体温计中最关键的是如何正确地测量和显示加在传感器上的体温，大多数是利用热敏电阻阻值的变化，以数字显示体温。用于体温计的热敏电阻的阻值与温度的关系如下式：
rt=r0exp{b（1/t-1/t0）}
其中rt：温度t时（用k表示）的电阻
r0：温度t0时（用k表示）的电阻
b：热敏电阻常数，2000~4000
如图3-7所示，热敏电阻的阻值随着温度的上升而减少，电阻对温度的依赖性表现在温度上升1℃时，阻值平均变化2~5%。实现体温计在32~42℃之间，b值的差异较小，电阻值的精度相当高。并不是把电阻值随温度变化的百分数，直接作为体温计的刻度。需要一个把热敏电阻的输出信号数字化的a/d变换器。为了消除测量回路的误差和温度特性，rc振荡器采用基准电路（rs）。图3-8表示热敏电阻测量电路的例子。在图3-8中一开始开关的s侧接入标准电阻rs，产生振荡，测量计数到ns（定值）的时间ts。可用式ts=ns*c*rs*a（a为常数）来表示。然后将开关打到t侧，接入热敏电阻rt，在时间ts内的振荡次数用式nt=ts/(c*rt*a)来表示。把ts代入此式，得nt=ns*rs/rt，电路参数的误差被抵消。设标准电阻rs在37℃时的电阻值为r37，nt可表示为
nt=ns*exp{b*（1/t37-1/t）}
因ns、b、t37为常数，测量nt值，就可求得温度t。如把与nt对应的温度值写入rom，可直接用数字显示体温。
二、x射线ct传感器
从传感器的名字，马上就想到“人体断层图象”。x射线的波长比电磁波、光波的波长更短，能量更大，对人体的穿透性很强。ct这个词，是couputer tomography（计算机断层检查装置）两个英文词的词头。当x射线通过人体后，利用传感器检查x射线的强度，作为输出信号。然后，借助计算机，作成人体切片图象。图3-1是x射线ct的简图。用x射线ct照射，若x射线在人体组织某部分被吸收，根据传感器输出的大小，可将人体内的异常情况（出血、肿瘤等），以图象方式检测出来。
为了缩短摄影时间，提高分辨率，对原来的ct装置进行了改进。现在的ct，只需x射线管和x射线检测器作旋转运动，便能进行高速扫描。
图3-2（a）表示只有x射线管和传感器部分旋转的情形，图3-2（b）表示实际得到的头部断层图象的例子。检测x射线用的光敏二极管的构造示于图3-3。在硅的pin光电二极管的表面，密布将x射线变成光的闪烁体。
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