生物医学传感器习题

1（这）使（不）用（是）说（重）明（点）1.书本使用《医用传感器》第2版，陈安宁主编。供生物医学工程、影像学等相关专业使用2.有些题目找的答案与标准答案或有出入，有些题目LZ也没有找到答案，各位您见谅！3.全文“LZ”代表“录主”，不是“楼主”，也不是“劳资”或者“老子”。4.“【PS：xxxxxxxxxxxx】”：可能为重要备注也可能是LZ瞎BB,请视具体情况取舍。5.“*************我是分割线*****************”：分割线之前为网络各家资料，分割线之后为亲爱的老师给的“给力”的重点。6.本文有些地方有照片或者有截图，如果不清楚，请您凑合着看吧！目前照片里的字代表了LZ的最高水平，也请您凑合着看吧！排版水平差，也请您凑合着看吧！7.第1-9章，参考网上部分资料，老师PPT，和学神（我希望是，毕竟不认识，瞎买的书）的复习资料，所以有些照片是他的杰作。第10章、第11章为另一个亲爱的老师给的题目，没给“重点”至于考不考是另外一回事。总之，谢谢他们，我只是个欢乐的复习资料搬运工。8.再次谢谢他们！！！也谢谢您的观看，预祝过过过，都考90分。但是，你也知道这难度有点大，所以，加油！！！！！2第一章绪论1.医用传感器的定义、组成及在医用测量系统中的作用？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。生物医学传感器：能将各种被观测的生物医学中的非电量转换为易观测的电学量的一类特殊的电子器件。医用测量系统中传感器的作用：提供信息、监护、生化检验、自动控制、参与治疗2.传感器定义中“有用信号”的含义是什么？为什么通常传感器输出信号形式为电信号？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。3.何谓物理型、化学型、生物型传感器？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。4.何谓直接型、间接型、物性型和结构型传感器？5.试分析比较医用传感器主要分类方法有何优缺点。3按工作原理分类：①物理传感器②化学传感器③生物传感器按被测量的种类分类：①位移传感器②流量传感器③温度传感器④速度传感器⑤压力传感器按与人体感官相对应的传感器的功能分类：①视觉传感器②听觉传感器③嗅觉传感器优缺点：？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？6.人体信息的特殊性及检测的特点？对医用传感器有哪些特殊要求？特点：低频或超低频信息、生理参数的信号微弱、被测量量的信噪比低、随机性信号较多Sensor特性：高灵敏度、高信噪比、良好的精确性、足够快的响应速度、良好的稳定性和较好的互换性Sensor特殊要求：①生物相容性；②物理适形性；③电的安全性；④使用方便性7.就医用传感器的发展任选角度写一篇综述（要求附参考资料，不少于1500字）。【PS:医用传感器发展方向趋势？】答：1.微型化2.智能化3.多参数4.遥控化5.无创检测化6.新材料、新原理*************************我是分割线*********************************1.现代信息产业的三大支柱？传感技术、通信技术和计算机技术.2.为什么要将各种非电量转换成电信号（传感器的物理含义？）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。3.医用传感器的定义和主要用途？定义：能够感知多数非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。主要用途：提供信息、监护、生化检验、自动控制、参与治疗4.传感器按工作原理的如何分类？分类：物理传感器；化学传感器；生物传感器5.生物电信号有那些？生物非电量参数有那些？非电量物理参数有那些？4生物电信号：心电、脑电、肌电、神经元放电等生物非电量参数：物理参数；化学参数；生物参数；非电量物理参数：利用材料的物理变化；6.医用传感器技术有哪些发展趋势？发展趋势：微型化、智能化、多参化、遥控化、无创化、新材料新原理5第二章传感器的基本特性1.何谓传感器的静态特性？写出静态特性的一般数学模型及三种典型形式，并说明物理意义。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。一般数学模型：y=a0+a1x+a2x^2+……+anx^n三种典型形式：1.理想线性特性y=a1x2.非线性项次项为偶数y=a1x+a2x^2+a4x^4+a6x^6……（a3=a5……=0）3.非线性项次项为奇数y=a1x+a3x^3+a5x^5+a7x^7……（a2=a4……=0）【PS:差动传感器的线性由于消去了偶次项而得到改善，零偏也消失，灵敏度变为原来的两倍】2.衡量静态特性的指标主要有哪些？分别说明其定义和物理意义。测量范围：传感元件测量范围有限制、变换电路工作范围有限制灵敏度：指传感器的输出量的增量与对应的输入量的增量的比值，通常用K表示。【PS：灵敏度界限当△x小到某一程度时，输出不再变化，这个△x就叫灵敏度界限。原因：变化量被吸收、噪声】线性度：在规定条件下传感器特性曲线与拟合直线间最大偏差（△Ymax）与传感器满量程（FS）输出值（Yfs=Ymax-y0)的百分比，用L代表线性度迟滞:对应于统一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不等，这种现象称为迟滞。大小用正向和反向行程的输出信号间的最大偏差（△Hmax）与满量程输出值（Yfs）的百分比来表示稳定性:传感器输入端加进同样大小的输入时，最理想的情况是不管什么时候输出值的大小保持不变。【PS：漂移：传感器在连续使用过程中，即使输入保持一定，有时也会出现输出朝一个方向偏移的现象。输入值是零也会发生漂移。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移】6稳定性：传感器在相当长的时间内仍保持其原性能的能力。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，所得到的特性曲线的不一致程度。分辨力：传感器能检测到的最小输入量【PS：还有：抗干扰稳定性（环境特性）、阈值、静态误差等。】3.线性度对应的几种拟和方法的特点及使用时应注意的问题。方法一：端点直线法：以理论直线作为拟合曲线，静态特性的理想情况y=a1x。由此求得的线性度称之为理论线性度。方法三：平均选点法，将n个检测点平均分成n/2个的两组，取两点的点系中心，通过两点系中心的直线就是拟合直线方法二：用最小二乘法原则拟合直线所求的线性度为最小二乘法线性度。【PS：拟合直线、校准曲线】4.何谓传感器的动态特性？写出动态特性的数学模型并说明各个量的物理意义。定义：指传感器的输入量随时间变化时，传感器的输出量与输入量之间的响应特性。数学模型：视sensor为线性时不变系统，用常系数线性微分方程描述输入输出关系any(n)+a(n-1)y(n-1)+…+a1y’+a0y=bnx(n)+b(n-1)x(n-1)+…+b1x’+b0xan,bn表示与系统结构参数有关的常数5.阶跃响应分析中的时域性能指标有哪些？各自的定义及意义。7衰减度ψ：表示瞬态过程中振荡幅值衰减的速度【PS：请看书本P16详细解释】6.何谓传感器的频率特性？如何描述？特性：在一定频率范围内，sensor的频率响应函数的幅值和相位差的频率关系描述：用正弦传递函数来描述，用H（ejw）表示，幅频|H（ejw）|，相频φ=arctan[H（ejw）]7.分别写出零阶、一阶、二阶传感器对应的特征参数的物理意义及响应特性并说明各自的特点。零阶传感器：数学模型y(t)=kx(t)传递函数kSXSYsH特征参数：灵敏度K特点：输入输出呈线性关系，无时间滞后，无相位差，输出能很好跟随输入。例如：电位器式传感器一阶传感器：数学模型：txbtyadttdya001传递函数：SKsXsYsH1特征参数：静态灵敏度K=b0/a0系统时间常数τ=a1/a0特点：τ越小，频带越宽，达到稳定时间越。例如：玻璃液体温度计二阶系统：数学模型：txbtyadttdyadttyda001222传递函数：2002202SSsXsYsH8特征参数：静态灵敏度K=b0/a0无阻尼固有频率ω0=(a0/a2)0.5阻尼比i=0.5a1(a0a2)-0.5特点：当i=0.7时，响应最快，频带最宽（衰减振荡）。二阶特性，只能精确实现变换缓慢信号的测量。例如：测血压、生理压力传感器。8.画出二阶传感器对单位阶跃信号，在阻尼比ξ＜１，ξ＝１，ξ＞１时，其输出Y(t)的时间响应特性曲线并说明其特点。取i=0.7这一最佳阻尼比时，频率响应最快，频宽最宽9.设X、Y分别为传感器的输入值、输出值，下表列出的为测试结果，计算其端点线性度、平均选点线性度、最小二乘法线性度，并进行比较，根据比较结果得出什么结论？假设另有一组测量值将如何计算？X1.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.00Y7.2311.9616.9221.9526.9032.1636.9141.9447.1152.03端点线性度：K=(52.03-7.23)/(10.00-1.00)=?平均选点线性度：前五点中心（？，？），后五点中心（？，？），求K最小二乘法线性度：以上三种方法中，最小二乘法拟合精度最高，平均选点法次之，端基法最低，但是小二乘法计算量最为繁琐。10.分别在下面两幅图中标出以下各量：(1)上升时间；(2)稳定时间；(3)峰值时间；(4)最大超调量Y(t)Y(t)11tt9【PS：请参照本章第五题解答以及书本P16，画图不方便】11.若有微分方程式为：其中x是输入信号，y是输出信号，a到h均为常数。求其时间常数。12.将某温度计放入100℃的恒温水中，测得如下数据（忽略记录仪惯性）：t(s)0.01.23.05.68.011.015.018.0T(℃)2040608090959899根据所列数据，判断此系统是否为一阶系统，如果是，请用最小二乘法求出时间常数τ(提示：对假定的一阶模型tyABe，作ln()YAy与时间t的曲线，判断是否为一阶系统)。【PS：请参看本章第三以及第七题】13.传感器静态特性指标中，准确度和精密度的区别在何处?其分别反映了系统的哪一种特性？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。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。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。dydyabxchyefxgdtdt1014.一个紫外线检流计的阻尼比0.5，无阻尼固有频率1015.rads，输人一个单位阶跃信号，试确定：(1)超调量(百分比)，(2)稳定时间(±5％)，(3)上升时间。【PS：请参看本章第五以及第七题】15.欲测量10Pa压力，现有两种量程的压力传感器，一个量程为100Pa，精度为±1.5级，另一个量程为15Pa，精度为±2.5级，问选用哪一个传感器合适?通过此例说明了什么?16.某压力传感器是一阶系统，它含有一个波纹管和位移传感器，系统的时间常数为0.2s，根据系统的频响特性确定压力脉动的最大频率，其引起的误差必须小于10%。17.一个二阶系统的传感器，其阻尼系数0.4，固有频率10800.rads