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1、第二章第二章 生物信息提取生物信息提取Bioinformation Extraction 2-1 概述概述某些生理过程本身伴随着某些生理过程本身伴随着电变化电变化，（如心，（如心电、神经和肌肉组织兴奋产生的动作电位电、神经和肌肉组织兴奋产生的动作电位等）只要用等）只要用一对电极一对电极就可将其引导出来。就可将其引导出来。对于对于“非电非电”生物物理信息必须通过一定生物物理信息必须通过一定装置把非电量装置把非电量转换成电量转换成电量变化。变化。换能器换能器就是将一种能量形式转换成另一种就是将一种能量形式转换成另一种能量形式的敏感装置。又叫能量形式的敏感装置。又叫传感器传感器。在测量过程中总是希望
2、把一个生理活动过在测量过程中总是希望把一个生理活动过程或生理参数转换成电信号。这是因为电程或生理参数转换成电信号。这是因为电子学飞速发展，对于电量的计测和加工处子学飞速发展，对于电量的计测和加工处理技术越来越先进。理技术越来越先进。大多数大多数换能器可以将其他形式的物理量换能器可以将其他形式的物理量直直接转换接转换成电量。但是成电量。但是有时需要用间接转换有时需要用间接转换。例如测量血压的压力换能器，先将压力变例如测量血压的压力换能器，先将压力变换转换成一层薄膜的位移变化，再将位移换转换成一层薄膜的位移变化，再将位移转换成电量。转换成电量。2-2 测量电极测量电极电极也能起换能器的作用。它将生
3、物机体电极也能起换能器的作用。它将生物机体产生的生物电变化引导出来，即产生的生物电变化引导出来，即变离子电变离子电流为电子电流流为电子电流。由于测量时电极直接接触机体，因而测量由于测量时电极直接接触机体，因而测量系统与机体之间可能存在相互作用，会影系统与机体之间可能存在相互作用，会影响测量的响测量的准确性准确性和真实性。此外，还需要和真实性。此外，还需要注意注意安全性安全性。电极电位原理电极电位原理l l金属由于失去金属由于失去金属由于失去金属由于失去AgAg+而带负电荷，溶液因有而带负电荷，溶液因有而带负电荷，溶液因有而带负电荷，溶液因有AgAg+进入而进入而进入而进入而带正电荷。带正电荷。
4、带正电荷。带正电荷。l l金属离子进入水称为溶解金属离子进入水称为溶解金属离子进入水称为溶解金属离子进入水称为溶解;相反相反相反相反,溶如水中的金属离溶如水中的金属离溶如水中的金属离溶如水中的金属离子也可自溶液中跑到金属表面子也可自溶液中跑到金属表面子也可自溶液中跑到金属表面子也可自溶液中跑到金属表面,称为沉积。称为沉积。称为沉积。称为沉积。l l溶解与沉积：当溶解与沉积相等时，达到一种动态溶解与沉积：当溶解与沉积相等时，达到一种动态溶解与沉积：当溶解与沉积相等时，达到一种动态溶解与沉积：当溶解与沉积相等时，达到一种动态平衡，便平衡，便平衡，便平衡，便产生电位差产生电位差产生电位差产生电位差。
5、这时金属带负电，溶液带正。这时金属带负电，溶液带正。这时金属带负电，溶液带正。这时金属带负电，溶液带正电。电。电。电。l l 金属浸入金属浸入金属浸入金属浸入 纯水中，纯水中，纯水中，纯水中，AgAg+和水分子发生水合作用：和水分子发生水合作用：和水分子发生水合作用：和水分子发生水合作用：电极电位原理电极电位原理金属浸入含有该金属的盐溶液中的情况金属浸入含有该金属的盐溶液中的情况：l l如果金属离子很容易进入溶液，则金属仍带负如果金属离子很容易进入溶液，则金属仍带负如果金属离子很容易进入溶液，则金属仍带负如果金属离子很容易进入溶液，则金属仍带负电荷。电荷。电荷。电荷。l l如果金属离子不容易进
6、入溶液，溶液中已经存如果金属离子不容易进入溶液，溶液中已经存如果金属离子不容易进入溶液，溶液中已经存如果金属离子不容易进入溶液，溶液中已经存在的正离子起初向金属沉积的速度超过金属离在的正离子起初向金属沉积的速度超过金属离在的正离子起初向金属沉积的速度超过金属离在的正离子起初向金属沉积的速度超过金属离子由金属进入溶液的速度，因而金属带正电荷。子由金属进入溶液的速度，因而金属带正电荷。子由金属进入溶液的速度，因而金属带正电荷。子由金属进入溶液的速度，因而金属带正电荷。如果金属带负电，则溶液中附近的正离子如果金属带负电，则溶液中附近的正离子就会被吸引集中在金属表面，负离子则被就会被吸引集中在金属表面
7、，负离子则被金属排斥，以至在金属附近的溶液中浓度金属排斥，以至在金属附近的溶液中浓度较低。结果金属附近的溶液所带电荷和金较低。结果金属附近的溶液所带电荷和金属本身电荷恰恰相反，这就形成属本身电荷恰恰相反，这就形成双电层双电层，产生电位差产生电位差。分为紧密层和扩散层。分为紧密层和扩散层。l l式中式中式中式中 0 0是常数，它和金属的特性和温度有关（标准半是常数，它和金属的特性和温度有关（标准半是常数，它和金属的特性和温度有关（标准半是常数，它和金属的特性和温度有关（标准半电池电位）；电池电位）；电池电位）；电池电位）；l lR R（气体常数）（气体常数）（气体常数）（气体常数）=8.314=
8、8.314焦耳焦耳焦耳焦耳/度度度度.克分子；克分子；克分子；克分子；l lF F（法拉第常数）（法拉第常数）（法拉第常数）（法拉第常数）=96487=96487库仑；库仑；库仑；库仑；l lT T热力学温度，摄氏度热力学温度，摄氏度热力学温度，摄氏度热力学温度，摄氏度+273+273；l ln n 金属离子的价数；金属离子的价数；金属离子的价数；金属离子的价数；l l活度活度活度活度a a 是溶液中金属的活度：是溶液中金属的活度：是溶液中金属的活度：是溶液中金属的活度：a=c*f a=c*f。溶液中浓度溶液中浓度溶液中浓度溶液中浓度不一定是溶液性质的真正反映，因此常把由于离子相不一定是溶液性
9、质的真正反映，因此常把由于离子相不一定是溶液性质的真正反映，因此常把由于离子相不一定是溶液性质的真正反映，因此常把由于离子相互作用等原因使溶液表显出来的实际浓度称为活度，互作用等原因使溶液表显出来的实际浓度称为活度，互作用等原因使溶液表显出来的实际浓度称为活度，互作用等原因使溶液表显出来的实际浓度称为活度，或称有效浓度。即在浓度基础上乘以活力系数。活力或称有效浓度。即在浓度基础上乘以活力系数。活力或称有效浓度。即在浓度基础上乘以活力系数。活力或称有效浓度。即在浓度基础上乘以活力系数。活力系数记为系数记为系数记为系数记为f f，C C是摩尔浓度；是摩尔浓度；是摩尔浓度；是摩尔浓度；l lf f在
10、稀溶液中，离子间相互作用比较小，接近于在稀溶液中，离子间相互作用比较小，接近于在稀溶液中，离子间相互作用比较小，接近于在稀溶液中，离子间相互作用比较小，接近于1 1。电极电位（半电池电位）：电极电位（半电池电位）：l l在常温下（在常温下（在常温下（在常温下（2525o oC C）：）：）：）：例题：例题：溶度积溶度积Ksp：饱和溶液：饱和溶液,Ag+Cl-=Ksp。产生电极极化的原因（以原电池为例）产生电极极化的原因（以原电池为例）原电池有电流通过后，负极电位向正的方原电池有电流通过后，负极电位向正的方向移动，而正极电位向负的方向移动。这向移动，而正极电位向负的方向移动。这种现象叫做极化。种
11、现象叫做极化。三、可逆电极三、可逆电极什么叫可逆电极什么叫可逆电极什么叫可逆电极什么叫可逆电极 l l化学反应是可逆的，能量是可逆的的电极称为可逆电化学反应是可逆的，能量是可逆的的电极称为可逆电化学反应是可逆的，能量是可逆的的电极称为可逆电化学反应是可逆的，能量是可逆的的电极称为可逆电极。极。极。极。分析电池的可逆性就是分析电极的可逆性，构成分析电池的可逆性就是分析电极的可逆性，构成分析电池的可逆性就是分析电极的可逆性，构成分析电池的可逆性就是分析电极的可逆性，构成可逆电池的电极本身必须是可逆的。可逆电池的电极本身必须是可逆的。可逆电池的电极本身必须是可逆的。可逆电池的电极本身必须是可逆的。电
12、池的可逆性电池的可逆性电池的可逆性电池的可逆性 l l当电池与一外加电动势并联时，电池既可以充电，也当电池与一外加电动势并联时，电池既可以充电，也当电池与一外加电动势并联时，电池既可以充电，也当电池与一外加电动势并联时，电池既可以充电，也可以放电。同时电池中的化学反应也可逆向进行。可以放电。同时电池中的化学反应也可逆向进行。可以放电。同时电池中的化学反应也可逆向进行。可以放电。同时电池中的化学反应也可逆向进行。l l并且，电流必须微小，这样电能才不至于转变为热。并且，电流必须微小，这样电能才不至于转变为热。并且，电流必须微小，这样电能才不至于转变为热。并且，电流必须微小，这样电能才不至于转变为
13、热。可逆电极的分类可逆电极的分类 1.电极是金属浸在含有该金属离子的溶液电极是金属浸在含有该金属离子的溶液中所构成。例如铜在硫酸铜溶液中。中所构成。例如铜在硫酸铜溶液中。2.2.电极是以一种金属及该金属的难溶盐为电极，电极是以一种金属及该金属的难溶盐为电极，电极是以一种金属及该金属的难溶盐为电极，电极是以一种金属及该金属的难溶盐为电极，浸入含有该难溶盐的负离子的溶液中所构成。浸入含有该难溶盐的负离子的溶液中所构成。浸入含有该难溶盐的负离子的溶液中所构成。浸入含有该难溶盐的负离子的溶液中所构成。例如：银、氯化银（固体），氯化钠溶液：例如：银、氯化银（固体），氯化钠溶液：例如：银、氯化银（固体），
14、氯化钠溶液：例如：银、氯化银（固体），氯化钠溶液：四、电极在溶液中的等效电路四、电极在溶液中的等效电路 l l RsRs100 100 接触电阻，接触电阻，接触电阻，接触电阻，C 1F/mm2 C 1F/mm2 电极双电层电容电极双电层电容电极双电层电容电极双电层电容,RF,RF法拉第电阻，法拉第电阻，法拉第电阻，法拉第电阻，是参加化学变化的电阻是参加化学变化的电阻是参加化学变化的电阻是参加化学变化的电阻 ,ZwZw威勃阻抗，等效于一个电阻和一个电容的串联。威勃阻抗，等效于一个电阻和一个电容的串联。威勃阻抗，等效于一个电阻和一个电容的串联。威勃阻抗，等效于一个电阻和一个电容的串联。C C0 0
15、杂散电容，常可忽略。杂散电容，常可忽略。杂散电容，常可忽略。杂散电容，常可忽略。l l比较重要的是比较重要的是比较重要的是比较重要的是C C、RFRF、ZwZw。对于可逆电极对于可逆电极，RF小，小，Zw呈纯电阻，阻值小，呈纯电阻，阻值小，C的影响小。的影响小。对于不可逆电极对于不可逆电极，RF大，近似看成断开，大，近似看成断开，C在电路中形成在电路中形成高通滤波器高通滤波器:UiRCUo高通滤波器高通滤波器所以要求放大器的输入阻抗大，所以要求放大器的输入阻抗大，以便扩展低频段。以便扩展低频段。电容电容C的容量与面积成正比。的容量与面积成正比。Z=1/(jwC),因此电极面积因此电极面积越大，
16、阻抗越小越大，阻抗越小下限频率下限频率:五、电极电位的稳定性五、电极电位的稳定性不同金属的单个电极的电位是不同的。不同金属的单个电极的电位是不同的。不同金属的单个电极的电位是不同的。不同金属的单个电极的电位是不同的。用同种金属材料制成的一对电极，理论上其电位用同种金属材料制成的一对电极，理论上其电位用同种金属材料制成的一对电极，理论上其电位用同种金属材料制成的一对电极，理论上其电位差为零。实际上由于其中有微量的不纯材料存在差为零。实际上由于其中有微量的不纯材料存在差为零。实际上由于其中有微量的不纯材料存在差为零。实际上由于其中有微量的不纯材料存在和表面污染仍然会产生显著的电位差异。这电位和表面
17、污染仍然会产生显著的电位差异。这电位和表面污染仍然会产生显著的电位差异。这电位和表面污染仍然会产生显著的电位差异。这电位差是不稳定的。差是不稳定的。差是不稳定的。差是不稳定的。一对电极之间的电位差发生缓慢变化的原因主要一对电极之间的电位差发生缓慢变化的原因主要一对电极之间的电位差发生缓慢变化的原因主要一对电极之间的电位差发生缓慢变化的原因主要是：是：是：是：l l双电层产生机械运动双电层产生机械运动双电层产生机械运动双电层产生机械运动 l l温度的变化温度的变化温度的变化温度的变化 l l皮肤状态和病人情绪的变化皮肤状态和病人情绪的变化皮肤状态和病人情绪的变化皮肤状态和病人情绪的变化 l l电
18、极膏电极膏电极膏电极膏六、电极的种类及其选用六、电极的种类及其选用金属电极简单，方便，但是会在长期使用金属电极简单，方便，但是会在长期使用后产生副作用，电极也容易极化产生电阻后产生副作用，电极也容易极化产生电阻变大，电压波动等现象，因此长时的纪录变大，电压波动等现象，因此长时的纪录通常都采用可逆电极。通常都采用可逆电极。Ag-AgCl电极电极l l制作过程制作过程制作过程制作过程 l l特点是电位变化很小，仅有几特点是电位变化很小，仅有几特点是电位变化很小，仅有几特点是电位变化很小，仅有几V10V V10V，电，电，电，电极阻抗极阻抗极阻抗极阻抗趋向于电阻性趋向于电阻性趋向于电阻性趋向于电阻性
19、，因此电极阻抗与频率，因此电极阻抗与频率，因此电极阻抗与频率，因此电极阻抗与频率基本上无关。基本上无关。基本上无关。基本上无关。各种皮肤表面大电极各种皮肤表面大电极接触电极接触电极 l l金属板电极与圆形电极金属板电极与圆形电极金属板电极与圆形电极金属板电极与圆形电极 过去常用的电极过去常用的电极过去常用的电极过去常用的电极l l浮置电极浮置电极浮置电极浮置电极非接触电极非接触电极非接触电极非接触电极 不与皮肤直接接触，而涂上电极膏，减少由于移不与皮肤直接接触，而涂上电极膏，减少由于移不与皮肤直接接触，而涂上电极膏，减少由于移不与皮肤直接接触，而涂上电极膏，减少由于移动产生的伪差。动产生的伪差
20、。动产生的伪差。动产生的伪差。l l干电极和绝缘电极干电极和绝缘电极干电极和绝缘电极干电极和绝缘电极 电极与皮肤接触处是绝缘材料。绝缘电极通过电极与皮肤接触处是绝缘材料。绝缘电极通过电极与皮肤接触处是绝缘材料。绝缘电极通过电极与皮肤接触处是绝缘材料。绝缘电极通过电电电电容感应容感应容感应容感应来读取信号。关键在于得到介电常数大又来读取信号。关键在于得到介电常数大又来读取信号。关键在于得到介电常数大又来读取信号。关键在于得到介电常数大又很薄的介质，电容量大，阻抗低。很薄的介质，电容量大，阻抗低。很薄的介质，电容量大，阻抗低。很薄的介质，电容量大，阻抗低。静息电位的记录静息电位的记录细胞产生的电位
21、分布于三个串联电阻上，细胞产生的电位分布于三个串联电阻上，分别为组织电阻、微电极电阻和放大器输分别为组织电阻、微电极电阻和放大器输入电阻。入电阻。神经元神经元神经元神经元微电极微电极微电极微电极放大器系统等效电路如下：放大器系统等效电路如下：放大器系统等效电路如下：放大器系统等效电路如下：图中，图中，图中，图中，RR为微电极电阻，由于微电极很细，阻抗为微电极电阻，由于微电极很细，阻抗为微电极电阻，由于微电极很细，阻抗为微电极电阻，由于微电极很细，阻抗高，不可忽略。高，不可忽略。高，不可忽略。高，不可忽略。C1C1为微电极电阻的分路电容（双为微电极电阻的分路电容（双为微电极电阻的分路电容（双为微
22、电极电阻的分路电容（双电层电容），电层电容），电层电容），电层电容），RgRg为放大器的输入电阻，为放大器的输入电阻，为放大器的输入电阻，为放大器的输入电阻，CgCg为放为放为放为放大器的输入电容。大器的输入电容。大器的输入电容。大器的输入电容。动作电位的记录动作电位的记录根据根据RC电路的瞬态过程中的三要素求法，电路的瞬态过程中的三要素求法，可方便的将可方便的将U0求出：求出：实际情况中，双电层电容实际情况中，双电层电容C110PF，Cg高高达达100PF，若，若Rg=Ru，则就满足，则就满足“2”的的情况，即情况，即：因此会引起快速电位波形的失真，动作电因此会引起快速电位波形的失真，动作电
23、位就是快速电位。为此要求放大器的输入位就是快速电位。为此要求放大器的输入阻抗阻抗Rg要尽量大，要尽量大，Cg尽量的小，使之满足尽量的小，使之满足 2-1 换能器换能器1.1.力学量检测力学量检测力学量检测力学量检测 各种力学量如距离、压力、速度、加速度都与各种力学量如距离、压力、速度、加速度都与各种力学量如距离、压力、速度、加速度都与各种力学量如距离、压力、速度、加速度都与位移有一定关系。通常采用电参数传感器把位移位移有一定关系。通常采用电参数传感器把位移位移有一定关系。通常采用电参数传感器把位移位移有一定关系。通常采用电参数传感器把位移变化转换成电参数变化。变化转换成电参数变化。变化转换成电
24、参数变化。变化转换成电参数变化。电阻传感器、电容传感器、电感传感器把位移变电阻传感器、电容传感器、电感传感器把位移变电阻传感器、电容传感器、电感传感器把位移变电阻传感器、电容传感器、电感传感器把位移变化转换成电阻、电容、电感的电参数。化转换成电阻、电容、电感的电参数。化转换成电阻、电容、电感的电参数。化转换成电阻、电容、电感的电参数。阻抗式换能器(一一)电阻式换能器电阻式换能器 电阻式换能器是利用电阻元件将待测的物电阻式换能器是利用电阻元件将待测的物理量如力、位移、形变及加速度等量变换理量如力、位移、形变及加速度等量变换成电阻阻值。成电阻阻值。主要介绍应变式电阻换能器。主要介绍应变式电阻换能器
25、。电阻应变片把应力的变化转换成电阻的变电阻应变片把应力的变化转换成电阻的变化。应变片的材料可以是金属或半导体。化。应变片的材料可以是金属或半导体。电阻式换能器电阻式换能器应变式电阻换能器原理应变式电阻换能器原理（1）应变效应：导体和半导体材料在外界作）应变效应：导体和半导体材料在外界作用下产生机械变形，其阻值将发生变化。用下产生机械变形，其阻值将发生变化。依据该效应制成的依据该效应制成的“应变片应变片”粘贴于被测粘贴于被测体上，应变片因受到被测体的作用而发生体上，应变片因受到被测体的作用而发生应变，这使得应变片的电阻阻值发生变化应变，这使得应变片的电阻阻值发生变化。（2）原理：）原理：电阻式换
26、能器的测量电路：应变片受到外界影响所电阻式换能器的测量电路：应变片受到外界影响所产生的阻值变化输出到外界测量电路，电路产生的阻值变化输出到外界测量电路，电路将阻值将阻值变化变化转换为转换为电流或电压的变化电流或电压的变化。提高电阻精度和阻值随压力变化的变化率的对提高电阻精度和阻值随压力变化的变化率的对 称性，是提高这种传感器性能的关键。称性，是提高这种传感器性能的关键。1.零点补偿电阻零点补偿电阻R0：通过调整：通过调整R0，使满足，使满足2.温度补偿电阻温度补偿电阻RT3.弹性模量补偿：弹性模量弹性模量补偿：弹性模量y0负温度系数，负温度系数，Re正温度系数。正温度系数。临床应用：临床应用：
27、目前，血压、呼吸压差或体内器官如胃目前，血压、呼吸压差或体内器官如胃压、心室壁压等，都广泛采用电阻式传感压、心室壁压等，都广泛采用电阻式传感器。器。压电效应压电效应压电现象是压电现象是压电现象是压电现象是100100多年前居里兄弟研究石英时发现的。多年前居里兄弟研究石英时发现的。多年前居里兄弟研究石英时发现的。多年前居里兄弟研究石英时发现的。当你在点燃煤气灶或热水器时，就有一种压电陶当你在点燃煤气灶或热水器时，就有一种压电陶当你在点燃煤气灶或热水器时，就有一种压电陶当你在点燃煤气灶或热水器时，就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压瓷已
28、悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引向燃气的出口放电
29、，于是，燃气就被电火花点燃向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。压电材料还包括有石英。石英（二氧化硅）是一压电材料还包括有石英。石英（二氧化硅）是一压电材料还包括有石英。石英（二氧化硅）是一压电材料还包括有石英。石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现
30、的，种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的个高温就是所谓的个高温就是所谓的个高温就是所谓的“居里点居里点居里点居里点”）。）。）。）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电由于随着应力的变化电场变
31、化微小（也就说压电由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。所替代。所替代。所替代。在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷。压电陶瓷。压电陶瓷。压电陶瓷。压电效应的原理压电效应的原理如果对压电陶瓷施加压力，它便会产生电位差如果对压电陶瓷施加压力，它便会产生电位差如果对压电陶瓷施加压力，
32、它便会产生电位差如果对压电陶瓷施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），（称之为正压电效应），（称之为正压电效应），（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。应）。应）。应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高流。而高频电
33、信号加在压电陶瓷上时，则产生高流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。超声波信号。超声波信号。超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。换和逆转换的功能。换和逆转换的功能。换和逆转换的功能。P121压电效应是压电传感器的主要工作原理压电效应是压电传感器的主要工作
34、原理压电传感器不能用于静态测量，因为经过压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。能够测量动态的应力。压电传感器主要应用在加速度、压力和力压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。等的测量中。心室微音器当声音信号经由金属膜片而对压电当声音信号经由金属膜片而对压电元件产生作用时元件产生作用时,压电元件将产生对压电元件将产生对应的电信号应的电信号,这些信号经过放大器
35、后这些信号经过放大器后送往记录送往记录,分析分析.心音是在心动心音是在心动周期中，由于周期中，由于心肌收缩和舒心肌收缩和舒张，瓣膜启闭，张，瓣膜启闭，血流冲击心室血流冲击心室壁和大动脉等壁和大动脉等因素引起的机因素引起的机械振动，通过械振动，通过周围组织传到周围组织传到胸壁。胸壁。2.体温检测体温检测体温分为体表温度、深部温度和器官温度。体温分为体表温度、深部温度和器官温度。温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。式两大类。式两大类。式两大类。接触式测温仪表
36、测温仪表比较简单、可靠，测量接触式测温仪表测温仪表比较简单、可靠，测量接触式测温仪表测温仪表比较简单、可靠，测量接触式测温仪表测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的所以存在测温的延迟现象，同
37、时受耐高温材料的所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。限制，不能应用于很高的温度测量。限制，不能应用于很高的温度测量。限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温不受测温上限的限制，也不会破
38、坏被测物体的温不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。其测量误差较大。其测量误差较大。其测量误差较大。从原理上分为：（从原理上分为：（从原理上分为：（从原理上分为：（1 1）热膨胀式（热膨胀式（热
39、膨胀式（热膨胀式（2 2）热电式）热电式）热电式）热电式（3 3）热阻式（）热阻式（）热阻式（）热阻式（4 4）热辐射式）热辐射式）热辐射式）热辐射式（1）热膨胀式热膨胀式利用材料的利用材料的利用材料的利用材料的热膨胀效应热膨胀效应热膨胀效应热膨胀效应，如水银温度计。利用液，如水银温度计。利用液，如水银温度计。利用液，如水银温度计。利用液体热胀原理体热胀原理体热胀原理体热胀原理体温计玻璃泡上方有个小缩口，温度上升时体温计玻璃泡上方有个小缩口，温度上升时,水水银柱上升，温度降低时，水银柱不会降低，保银柱上升，温度降低时，水银柱不会降低，保持原来的温度持原来的温度.（2）热电式）热电式根据根据热电
40、效应热电效应，两种不同金属连成闭合回，两种不同金属连成闭合回路时，若使两个接点处在不同温度下，则路时，若使两个接点处在不同温度下，则该回路中存在温差电动势，在回路中有电该回路中存在温差电动势，在回路中有电流通过。流通过。利用不同金属材料间的利用不同金属材料间的热电效应热电效应（温差电（温差电效应），发热电偶。效应），发热电偶。热电偶的尺寸可小到直径数十热电偶的尺寸可小到直径数十um，长期稳，长期稳定性好，适用于口腔、直肠、血液等温度定性好，适用于口腔、直肠、血液等温度测量及细胞内瞬态温度测定。测量及细胞内瞬态温度测定。（3）热阻式）热阻式利用金属或半导体材料的利用金属或半导体材料的热电阻效应热
41、电阻效应，如，如热敏电阻。数字显示式温度计即利用热敏热敏电阻。数字显示式温度计即利用热敏元件。由于电阻率随温度变化，具有一定元件。由于电阻率随温度变化，具有一定的电阻的电阻-温度特性。可以通过直接测量热敏温度特性。可以通过直接测量热敏电阻两端的电压或流过的电流测温。也可电阻两端的电压或流过的电流测温。也可以通过电阻电桥测温，电路比较简单。以通过电阻电桥测温，电路比较简单。（4）热辐射式）热辐射式利用热辐成像原理。自然界中，一切物体都可以利用热辐成像原理。自然界中，一切物体都可以利用热辐成像原理。自然界中，一切物体都可以利用热辐成像原理。自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用探测仪测定目标
42、的本身和辐射红外线，因此利用探测仪测定目标的本身和辐射红外线，因此利用探测仪测定目标的本身和辐射红外线，因此利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像，背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像，背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像，背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像，热红外线形成的图像称为热图。热红外线形成的图像称为热图。热红外线形成的图像称为热图。热红外线形成的图像称为热图。物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。度
43、相关。度相关。度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析。行无接触温度测量和热状态分析。行无接触温度测量和热状态分析。行无接触温度测量和热状态分析。利用红外热成像仪。能把体表温度分布以热图象利用红外热成像仪。能把体表温度分布以热图象利用红外热成像仪。能把体表温度分布以热图象利用红外热成像仪。能把体表温度分布以热图象的形式显示、记录。可用于外科烧伤诊断、皮肤的形式显示、记录。可用于外科烧伤诊断、皮肤的形式显示、记录。可用于外科烧伤诊断、
44、皮肤的形式显示、记录。可用于外科烧伤诊断、皮肤移植、早期妊娠发现、胎盘定位等。移植、早期妊娠发现、胎盘定位等。移植、早期妊娠发现、胎盘定位等。移植、早期妊娠发现、胎盘定位等。光电法光电法（一）光电效应：（一）光电效应：（一）光电效应：（一）光电效应：当频率为当频率为当频率为当频率为f f的光照射在金属表面，如果频率大于金的光照射在金属表面，如果频率大于金的光照射在金属表面，如果频率大于金的光照射在金属表面，如果频率大于金属的临界频率时，电子将从金属表面逸出。属的临界频率时，电子将从金属表面逸出。属的临界频率时，电子将从金属表面逸出。属的临界频率时，电子将从金属表面逸出。（二）光电换能元件（二）
45、光电换能元件光电效应有三种类型，相应的元件也有三类：光电效应有三种类型，相应的元件也有三类：光电效应有三种类型，相应的元件也有三类：光电效应有三种类型，相应的元件也有三类：外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应：在光线作用下，使电子逸出物质表面：在光线作用下，使电子逸出物质表面：在光线作用下，使电子逸出物质表面：在光线作用下，使电子逸出物质表面的称外光电效应。有：光电管、光电倍增管。的称外光电效应。有：光电管、光电倍增管。的称外光电效应。有：光电管、光电倍增管。的称外光电效应。有：光电管、光电倍增管。内光电效应内光电效应内光电效应内光电效应：在光线作用下，物体内部原子释放出：在光线作用下，物
46、体内部原子释放出：在光线作用下，物体内部原子释放出：在光线作用下，物体内部原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部。电子和空穴数目电子，这些电子仍留在物体内部。电子和空穴数目电子，这些电子仍留在物体内部。电子和空穴数目电子，这些电子仍留在物体内部。电子和空穴数目增加使物体导电性（电阻率）发生改变的称内光电增加使物体导电性（电阻率）发生改变的称内光电增加使物体导电性（电阻率）发生改变的称内光电增加使物体导电性（电阻率）发生改变的称内光电效应。有：光敏电阻。效应。有：光敏电阻。效应。有：光敏电阻。效应。有：光敏电阻。阻挡层光电效应阻挡层光电效应阻挡层光电效应阻挡层光电效应：在光线作用下，使物体产生电
47、动：在光线作用下，使物体产生电动：在光线作用下，使物体产生电动：在光线作用下，使物体产生电动势的效应称阻挡层光电效应。有：光电池。势的效应称阻挡层光电效应。有：光电池。势的效应称阻挡层光电效应。有：光电池。势的效应称阻挡层光电效应。有：光电池。光电管，如果将光电管的阴极与电源负极光电管，如果将光电管的阴极与电源负极相连，而把阳极与正极相连，那么当阴极相连，而把阳极与正极相连，那么当阴极受到光线照射时，就产生光电效应，电子受到光线照射时，就产生光电效应，电子即从阴极逸出，在外电路形成电流（即光即从阴极逸出，在外电路形成电流（即光电流）。该电流强弱随光照强弱而相应变电流）。该电流强弱随光照强弱而相
48、应变化。化。为提高光电管的灵敏度，常用光电倍增管为提高光电管的灵敏度，常用光电倍增管使光电流放大。使光电流放大。光敏电阻光敏电阻物体内部原子释放出电子，这些电子仍留物体内部原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部。电子和空穴数目增加使物体在物体内部。电子和空穴数目增加使物体导电性（电阻率）发生改变的称内光电效导电性（电阻率）发生改变的称内光电效应。有：光敏电阻。应。有：光敏电阻。光敏电阻灵敏度高于光电管。光敏电阻灵敏度高于光电管。光电池是一种不许要外加电源，在光照下光电池是一种不许要外加电源，在光照下直接将太阳能（或其他光源）转换成电能直接将太阳能（或其他光源）转换成电能的半导体元件。的半导体元
49、件。光电换能器的测量电路光电换能器的测量电路光电元件的测量电路需根据选用的光电元光电元件的测量电路需根据选用的光电元件来确定。如件来确定。如:光敏电阻是电阻型换能器，可接电桥电路。光敏电阻是电阻型换能器，可接电桥电路。光电池是电势型换能器，可接测电压的电光电池是电势型换能器，可接测电压的电路。路。临床应用：临床应用：血氧饱和度血氧饱和度血氧饱和度：是血液中，被氧结合的氧合血红蛋血氧饱和度：是血液中，被氧结合的氧合血红蛋血氧饱和度：是血液中，被氧结合的氧合血红蛋血氧饱和度：是血液中，被氧结合的氧合血红蛋白白白白(HbO(HbO(HbO(HbO2 2 2 2)的容量占全部可结合的血红蛋白的容量占全
50、部可结合的血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)(Hb)(Hb)(Hb)容容容容量的百分比，即血液中血氧的浓度，是呼吸循环量的百分比，即血液中血氧的浓度，是呼吸循环量的百分比，即血液中血氧的浓度，是呼吸循环量的百分比，即血液中血氧的浓度，是呼吸循环的重要生理参数。的重要生理参数。的重要生理参数。的重要生理参数。血液中通常含有四种类型的的血红蛋白，即氧血液中通常含有四种类型的的血红蛋白，即氧 合血红蛋白（合血红蛋白（HbO2）、）、还原血红蛋白（还原血红蛋白（Hb）、）、正正铁铁血血红红蛋蛋白白和和碳碳氧氧血血红红蛋蛋白白。除除病病理理情情况况外外，后两者浓度很