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1、摘要 医疗器械在当今社会的卫生保健事业中得到了极为广泛的作用，同时也面临良好的发展机会，近三十年来，医疗器械产业得到了迅速地发展。目前，医疗器械的类别已达数千种，产品类型有4万余种，其应用已深入到卫生保健的各个环节，成为人们生活不可或缺的一部分。就世界医疗器械发展的总体水平来看，欧美国家的生产技术水平较高，而我国尚处于起步阶段，设备种类不齐全，设备的精密程度不高，尤其在神经探测等方面基本处于空白阶段，有待于进一步发展。本课题涉及的是神经探测方面的医疗电子仪器臂丛神经测试仪。臂丛神经测试仪的输出探针能产生脉冲波刺激神经干，诱发臂丛神经分支所支配的脉搏跳动，产生传感器可测得得反应；戴在人手臂上的压
2、电传感器再把这一反应信号传给蜂鸣器，蜂鸣声告知医务人员已经探测到神经的位置定位，从而进行其他的治疗。本课题涉及的知识面较广，既要深入了解人类臂丛神经的组成特点，医用设备的指标，还要学习生物医疗传感器，单片机的接口技术及其指令系统，智能仪器原理和显示技术等。本课题由硬件和软件两大部分构成。硬件设计采用8031为主控模块的单片机及其扩展系统，控制脉冲输出和传感器信号的接收，由键盘输入数据，由晶体管LED显示脉冲电压输出值；软件设计采用8031指令系统进行编程。关键词：臂丛神经； 神经测试仪； 医疗器械； 单片机。Abstract Medical equipment in todays health
3、 care community has been the cause of a wide range of roles, while also facing a good development opportunities, nearly three decades, medical equipment industry has been developing rapidly. At present, the medical device has reached thousands of categories, product types are more than 4 species, th
4、eir application has been deep into all aspects of health care has become an indispensable part of peoples lives. Medical equipment on the worlds overall level of development, Europe and the United States a higher level of production technology, while China is still at the initial stage, the type of
5、equipment is not complete, the sophistication of equipment is not high, particularly in the neural detection of gaps in areas such as the basic stage to be further developed. The issue relates to the detection of neural medical electronic equipment - brachial plexus tester. Brachial plexus tester pr
6、obe to produce the output pulse to stimulate the neural stem, induced by brachial plexus branch dominated by the pulse beat, resulting in a sensor can be measured reaction; wearing arm in the piezoelectric sensor and then the reaction signal to the buzzer, beep sound to inform the medical staff has
7、been to detect the location of nerve location, so other treatment. Knowledge of the issues involved in a broader, deeper understanding of both the composition of the human brachial plexus characteristics, indicators of medical equipment, but also to study biomedical sensors, single-chip interface te
8、chnology and its command system, the principle of intelligent instrument and display technology. This issue by the majority of hardware and software constitute the two. Hardware design for the main control module 8031 and the expansion of the single-chip systems, control and sensor output pulse sign
9、als received from the keyboard input data, from the transistor LED display pulse voltage output value; software design systems used to program instructions 8031. Key words: brachial plexus； nerve tester；single-chip； medical devices目录第一章 绪论11.1医疗器械简介及分类1 1.2医疗设备的可靠性分析1 1.3环境对医疗仪器设备的影响2 1.3.1尘埃影响2 1.3
10、.2温度湿度影响2 1.3.3电磁干扰2 1.4医疗器械的行业发展状况及前景2 1.5医用电子检测仪器3 1.6课题涉及3第二章 臂丛神经测试仪5 2.1臂丛神经组成及其对刺激的反应5 2.2神经刺激器的参数5 2.3神经刺激电极6 2.4臂丛神经根电生理研究6 2.5神经阻滞及麻醉6 2.6神经刺激仪7 2.7臂丛神经测试仪简介7第三章 方案论证8 3.1硬件设计8 3.2软件设计8第四章 硬件电路设计94.1传感器9 4.1.1传感器定义及分类9 4.1.2电压传感器工作原理9 4.1.3纵向效应压电传感器10 4.1.4横向效应压电传感器10 4.1.5压电传感器等效电路10 4.2放大
11、器11 4.3地址锁存器12 4.4 EPROM13 4.5反向器13 4.6显示电路设计14 4.6.1硬件译码显示接口14 4.6.2 LED显示器驱动技术15 4.7键盘电路的设计16 4.7.1键盘输入的特点16 4.7.2按键的确定与抖动的消除16 4.7.3按键接口设计164.8脉冲可调电路设计174.9电源电路的设计17 4.9.1变压器的使用17 4.9.2稳压器的使用18第五章 软件设计205.1 主程序205.2 子程序20第六章 综合调试24参考文献25致谢26第一章 绪论1.1 医疗器械简介及分类 医疗器械是用于预防，治疗，护理，保健和康复等方面的仪器，设备和器具。医疗
12、器械近三十年得到了极为迅速的发展。近代科技的历史表明，人类的许多科技成就首先被用于军事与国防上，而和平时期则大量转向为人类健康服务的医学应用上。70年代以来全球局势趋向暖和，特别是美国阿波罗登月计划完成后，大量优秀的电子工程师纷纷转向省委医疗器械和医学工程领域从此在全球范围内，以医疗电子技术为先导的医疗器械出现了空前的发展局面。而70年代随着微电子技术及计算机技术的发展，大量高科技成果的涌入，则又使医疗器械步入了高科技发展的阶段，并在80年代初形成了以X-CT（计算机断层扫描），MRI(磁共振)，超声摄像，核成像四大成像技术为代表的现代医疗器械产业。 目前的医疗器械行业已成为集中了许多学科成就
13、的跨学科高技术行业。其产品大致可归成九大类： (1) 医疗电子器； (2) 放射医学及核医学设备； (3) 医学光学仪器及激光仪器； (4) 医用超声波设备；(5) 医学检测仪器；(6) 体外循环及抑制仪器；(7) 口腔科器械，设备及材料；(8) 理疗仪器及保健器具；(9) 手术，急救，卫生，消毒及公共医用设备。1.2 医疗设备的可靠性分析 医疗设备的可靠性与传感器的可靠性事密不可分的，作为医疗设备的前端敏感元件，若传感器丧失了部分或全部性能，则医疗设备的可靠性必然下级。另外，传感器作为第一级换能元件，其性噪比高，可保证整台仪器的良好性能，否则，无论后级的特性如何好，整台仪器的性能都会大大降低
14、。 医疗设备可分为三种类型，他们的可靠性关系如下： 第I类型：这类的医疗设备可能直接或间接地造成病人的死亡或其他严重危害，因此对这类设备的可靠性要求很高。 第II类型：这类设备包括用于治疗的绝大多数常规电子设备，半紧急诊断或治疗用的电子设备以及用于实验室的绝大部分设备。和第I类设备相比，这类设备缺乏实时使用的时间，但和第I类设备有同等重要的作用。这类设备造成的后果不如第I类严重，一般有时间对其进行修理和替换，所以它的可靠性要求比第I类设备低些。 第III类型：这类设备主要为病人提供方便，如出故障部分危及生命或健康。他们包括：轮椅，电子床等，他的可靠性要求不是特别严格。1.3 环境对医疗仪器设备
15、的影响 医疗仪器室精密贵重的仪器设备，关系到医院的医疗质量和患者的人身健康。工作环境的好坏，对仪器的正常运作和延长使用寿命有着至关重要的影响。绝大部分医疗设备在出厂时对该仪器的工作环境都有明确严格的要求。但由于受外部自然环境，医疗单位经济条件，使用人员素质等因素的影响，往往达不到所要求的指标或忽视保持正常良好的工作环境，以至仪器设备的性能下降，出现故障，缩短寿命，完全损害，使医疗单位蒙受损失。厦门分别就几个重要环境指标进行探讨：1.3.1 尘埃影响 医疗仪器正常工作通常都要求在无尘环境，大多数仪器都不是完全封闭的，有的仪器有散热风扇，有的仪器内部存在高压，因此对尘埃的吸附力很强。如果使用环境部
16、洁清，防尘不好久易造成堆积。长期不清洗仪器内部堆积的尘埃，则有可能使电路局部打火或焊点氧化，使仪器出现故障。1.3.2温度影响医疗器械大部分是精密的电子仪器，对温度和湿度要求较高，一旦环境达不到它的工作要求，元器件就会参数改变，加快损失。特别是近些年由于微电子技术和一些特殊材料在医疗设备上的大量运作，使对温度的要求更加严格，过高的温度使微电脑部分经常死机，特殊材料形状改变。在潮湿的环境中，仪器容易生锈，生霉，温差较大还可生成水雾或结成水滴，损坏一些电路板和光学仪器。1.3.3电磁干扰主要来自日趋恶化的自然电磁环境和设备自身产生的电磁辐射的互相影响。几乎所有医疗仪器都产生或强或弱的电磁辐射，对外
17、进行电磁辐射的同时本身也受到外来电磁辐射的干扰，既是干扰源又是被干扰体。电磁干扰的危害主要原因表现在影响诊断仪器，如使心电，脑电，肌电这类运用生物电信号的仪器波形失真，还可以使核磁，CT等影像设备产生伪影，直接或间接地影响诊断质量。所以，加装适合的电磁屏蔽，既可以使贵重医疗设备免受外界电磁干扰又可以使其产生的电磁辐射不能影响其他医疗设备。医疗仪器的屏蔽都应该有良好的接地，一方面确保仪器和人身安全，另一方面用于减轻电磁干扰。综上所述，可见创作良好符合标准的人工环境，可以使医疗仪器运转良好和延长使用寿命。虽然各个地域的自然环境和经济条件不同，但是为了避免更大的损失，都应尽可能地改善医疗仪器的使用环
18、境，并教育医务工作者保持这个环境。1.4医疗器械的行业发展状况及其前景医疗器械行业是知识密集，资金密集，多学科交叉，充满挑战与竞争的高科技产业，它是一个国家制造业和高科技尖端水平的标志之一。随着医学的发展，人们将工程科学的原理和方法与生命科学的原理和方法相结合，来认识人的生命及其运动规律，从而发展新的技术设备，使医疗器械的研究，开发有宏观向微观发展，形成了生物医学工程产品和产业。世界医疗器械工业在当前各发达国家的国民经济中均占有重要位置，被称之为“朝阳工业”，有着广阔的发展前景，其发展趋势可概括为“全球经济衰退，医疗器械市场坚挺”。美国是世界上最大的医疗器械生产，使用和出口国，日本，德国次之。
19、据统计，在全球医疗器械销售额中，美国占份额达42%，欧洲占27%，日本占14%。从整个世界医疗器械的发展前景来看，我国医疗器械还处于较低水平，设备种类不齐全，设备的精密程度不高，尤其在神经探测等方面基本处于空白状态，有待于进一步的发展。2001年中国医疗器械工业总产值为423.20亿元，同比增加15%。医疗器械出口额为8.33亿美元，同比增长16.33%；卫生材料出口额2.89亿美元，同比增长10.90%。出口上亿美元的商品有9种。中国有13亿人口，31万个医疗卫生机构，医疗器械有广阔的市场。中国式全球医疗器械十大新市场之一，已成为除日本以外亚洲最大的市场。2000年，中国医疗器械市场容量达5
20、27亿元平均年增长率15%，占世界市场份额3%。和发达国家相比，中国医疗器械在世界市场中的份额依然很低，仍有很大的增长空间。使医疗器械行业展现出勃勃生机。医疗器械有其自身特点，既集机械，电子，光学等学科一身，综合性比较强，它能在一定程度上反映国家的工业水平和配套能力。所以，从1985年开始，医疗器械行业打通部门和系统界限，加大行业管理，包括中科院系统，机械，电子，轻工，仪器表，航天航空，高教系统有科技竞争力的企业，开始涉足医疗器械行业。医疗器械作为卫生保健事业一个重要方面，面临快速发展的大好机遇，21世纪高科技向医学领域的渗透，将使医学理论和医疗器械面目发生改观，不断涌现新的诊断和治疗方法。展
21、望21世纪，我们充满信心，使中国作为一个世界医疗仪器制造的形象屹立在世界的东方。1.5医疗电子检测仪器医用电子检测仪器旨在为诊断提供信息，是医学上应用广泛，临床基础最雄厚的医用仪器。从发展上看，这类设备的特点是对生物医学工程的研究成就及时物化，就当前而言，首先表现为计算机技术在应用上的深化，在设备方面表现为微电子化，智能化，多功能组合及具备通信传输功能。医用电子检测仪器主要包括检测分析和记录心电，脑电，肌电，眼震电，胃电等生理信号的仪器，检测脉搏，呼吸，体温，血压，血氧饱和度，胆固醇等体征参数的设备及各类监护仪器。1.6课题涉及本课题设计的臂丛神经测试系统属于医疗电子仪器类，涉及的知识面较广，
22、既要深入了解人类臂丛神经的组合特点，医用设备的指标，还要学习生物医疗传感器，单片机的接口技术及其指令系统，智能仪器原理和显示技术等，以便对硬件电路进行设计和软件编程。还要运用示波器进行综合调试。本课题的设计对医学医疗设备的发展起了一个推动作用，开辟了医学仪器的一个新领域，对医学仪器的发展有重要作用。 第二章 臂丛神经测试仪2.1臂丛神经组成及其对刺激的反应臂丛神经由C5，C6，C7，C8和T1神经根组成，分为根，干，股，束，支五部分，终末端形成腋，肌皮，桡，正中，尺神经。在根，干，束有神经分支发出，这些神经分支对臂丛神经的定位诊断有重要意义，如能找到这些分支，便可大概了解臂丛神经的位置。C8神
23、经根主要形成正中神经，支配指屈肌群；C7神经根主要形成桡神经，支配上肢伸肌群；C6神经根主要形成肌皮神经，支配肱二头肌；C5神经根主要形成腋神经，支配三角肌；T1神经根主要形成尺神经，支配手内部肌群。(如图2.1-1) 图2.1-1 臂丛节后神经解剖示意图当神经受到外界刺激，便会产生自然的条件反射，如下臂自然向内轻微弯曲再伸直等。根据这一特性，我们只要用电压来刺激神经，让其发生自然反射，再用传感器来接收这一信号，便可达到测试神经位置的目的。2.2神经刺激器的参数根据穴位神经刺激的神经化学理论与生理学的闸门控制学说，为使仪器达到有效刺激和良好的使用性能，对仪器提供了一系列技术要求。神经刺激器能输
24、出不同强度和不同频率的电刺激，为确保刺激电流能安全地作用于人体，又能提高监测效果，发出的电刺激脉冲需预先设置参数。刺激电流，电压呈恒速线性输出，不受其他干扰。为安全起见，其输出线路与电极有极性标记，并设有警报系统。神经刺激器的输出电压应限制在50400mv，常用100150mv。仪器要具有可控的恒流脉冲输出：根据人体组织的电性理特性可知，皮肤和皮下组织可等效为阻容网路，且其阻抗随位置和通过的电流密度变化而变化。研究表明，电刺激的作用是靠持续一定得时间的电流，即注入人体的电荷量而产生的。为达到有效刺激，仪器应自动保证电流的输出不受人体阻抗变化的影响，始终具有稳定均匀的刺激，并使刺激的作用深度大，
25、范围广，感觉舒适。当皮肤阻抗为00.25千欧时，输出额最大电流为6080mA，一般常用2050mA；当皮肤阻抗2.55千欧时，输出电流减少，对刺激的反应降低。因此，神经刺激器应有电流水平指示及低电流报警以避免判断错误。根据神经刺激器应有电流水平指示及低电流报警，避免判断错误。根据神经刺激器输出电流的大小，分为超强和亚强刺激电流两类。超强刺激电流约为4060mA，最佳亚强刺激电流水平一般为2030mA。由于不同频率的刺激可激活体内不同种类的啊片系统，为达到最佳的刺激效果，要使机体内3种主要的阿片类物质同时释放出来。为此，仪器应具有与对应的不同频率的刺激输出，将各种频率合理组合，自动切换。为使不同
26、频率的刺激强度协调，低频和较高频率的感觉强度基本相同，并同时达到最佳效果，要求脉冲宽度随频率自动变化。常用刺激频率为0.1100Hz。神经刺激器发出的刺激脉冲波形应是单钜形波。刺激脉冲波形宽度，即刺激脉冲持续时间，常用0.10.3ms，刺激脉冲持续时间与神经肌肉的反应强度成正比，即持续时间越长，刺激神经肌肉的反应越强。但不能超过0.5ms，如果超过0.5ms，可诱发出第二个动作电位，引起类似双相刺激波形的作用，使运动神经出现爆发性动作电位。2.3神经刺激电极常用电极有两类：表面电极和针形电极。表面电极用于经皮电刺激，针形电极用于皮内电刺激。一些简单神经刺激器直接由球形或片状金属电极，两电极相距
27、约3cm，虽然使用方便，但与病人皮肤接触效果差，有致烧伤的可能。表面电极可为重复使用的导电橡胶电极或一次性预涂导电膏型氯化银电极，后者使用最广泛。表面电极多为粘贴型，使用方便，操作简单，无创伤，病人舒适且乐于接受。表面电极的实际导电面直径约为78mm。针对电极虽然有专用的，但也能用短细的不锈钢注射针头或针灸针代替，专用针形电极表面附有特殊涂料，以减少组织反应。针形电极仅需插至皮下，不能直接接触神经干，插入过深可导致直接肌肉刺激或神经损伤。针形电极刺入皮下的角度应与神经干平行，以防机械性刺激或损伤。电极插入皮下后，须用胶布将其固定，因为电极头端移动可影响监控结果。针形点可明显降低电极-皮肤阻抗，
28、尤其适合在皮肤增厚，末梢较冷和水肿的情况下使用，如肥胖，甲状腺机能低下和肾衰竭等病人等。2.4臂丛神经根电生理研究将记录针电极插入神经检测部位，用刺激电极依然放置在颈5胸1神经根部进行刺激，分别记录肌肉的肌电图像。所有记录必须符合以下情况才被确定：（1）刺激电流在40mA以下；（2）刺激脉冲宽度必须在0.10.3ms之间。2.5神经阻滞及麻醉神经阻滞也称为传导阻滞，是将麻醉药注射到神经干旁，暂时地阻滞神经传导功能，达到手术无痛的手法。由于外周神经干事混合性的，不禁感觉神经纤维被阻断，运动神经和交感，副交感纤维也同时被不同程度地阻断，所以能产生无痛良好的肌肉松弛和外周血管扩张等作用。常用的神经阻
29、滞有颈丛神经阻滞，臂丛神经阻滞以及一些外周神经阻滞。2.6神经刺激仪神经刺激仪定位的原理：利用一定强度，频率的电流，当穿刺针接近神经时刺激神经引起相应肌群收缩运动。与传统方法相比，利用神经刺激仪定位神经阻滞具有以下优点：1阻滞成功的指标客观明确，可直观诱发肌群缩加以判断；无论从何路径进针，都能引出腕及手指屈伸，麻醉成功较高。2适用于无准确表达异感的病人，如小儿或神志不清者；3适当镇痛镇静减少了审计阻滞穿刺时病人的不舒适；4提高了神经阻滞成功率，减少因阻滞麻醉失败改用其他麻醉方法带来的不安全因素；5减少了传统方法为寻找异感刺伤神经的可能。借助神经刺激仪定位可提高臂丛神经阻滞的成功率，但仍应熟悉神
30、经的解剖与定位标志。神经刺激仪为了提高仪器的性能，采用单片机作为仪器核心，全按键控制波形和刺激方法选择及刺激强度挑战，由单片机准确控制所有参数，晶体管定量显示，从而保证了仪器的精密度和可靠性。根据上述技术要求，确定了以单片机为核心的电路方案，仪器分为单片机控制电路，输入输出电路和电源电路三部分，仪器的电源部分完成电源的稳压，仪器的开，关机和电压检测任务，采用了电源控制芯片，具有使用简单，性能可靠，功耗低并可自动关断等特性。单片机部分主要完全以下任务：1系统的各种定时，如波形的脉宽，频率，同步和交替计时，波形自动切换计时，显示刷新等。2对电极开路，电压，电源等进行监测和控制。3按键扫描和参数调节
31、，并在显示器上显示输出电压。2.7臂丛神经测试仪简介在本仪器的控制面板上主要有电源指示灯，输入输出指示灯，电源开关，灵敏度调节旋钮，个位加减键，十位加减键及其清零，复位键。当我们用键盘输入一个数值时，由输出端输出约为显示数据二倍的电压脉冲。当输出端的坛针刺到神经时，戴在人手臂上的神经压力传感器将神经反射信号由压力转换成电信号，再把电信号送入蜂鸣器，通过蜂鸣器的蜂鸣声告知医务人员是否已经探测到神经的位置。由于不同人的神经反射力大小不同，所以传感器接收的力信号经转化形成的电信号不一定够大，因此，我们可以调节灵敏度旋钮来控制电信号的大小。第三章 方案论证3.1 硬件设计本仪器的主体是单片机及神经压力
32、传感器，但组成一个完整的系统还必须有其他辅助电路。自能控制系统主要部分集中在单片机上，它的结构和指令系统都按照要求设计的，它相当于一个不带外部设备的微型计算机。主要有中央处理器，存储器，接口电路及其总线。单片机具有以下特点：可靠性高，控制功能强，易扩展，低功效，价格便宜等优点。首先，本仪器采用了应用广泛的8031单片机作为核心部件，它负责整个仪器的控制。由于8031内部没有程序存储器，所以需要扩展外部ROM，这里采用EPROM作为程序存储器，EPROM采用2764，同时也就必须对其进行锁存，在8031和2764之间连接锁存器，锁存器采用74LS373。其次，从神经压力传感器接收的模拟信号需要转
33、换为数字信号，以及从8031发出的数字脉冲信号需要转换为电压脉冲，因此，必须有D/A和A/D转换，脉冲可调电路，滤波电路等。最后，本仪器为有源仪器，所以需要设计电源电路；而且，要求从键盘输入数据进行控制，因此要求设计键盘电路。由此可得如下硬件图：3.2 软件设计由于我们选择了8031作为微型计算机来控制整个电路的运行，而8031本身有自己的指令系统，这种指令系统简单易掌握，效率高，所以我们在软件调试过程中理所当然选择MCS-51单片机指令系统进行编程。程序主要包括主程序和预显示，显示，键盘扫描，键盘运算，中断等子程序。这里我们仅谈一下软件设计语言的选择及框架思路而已。具体设计的方法将在后面的章
34、节里进行详细的介绍。第四章 硬件电路设计4.1传感器4.1.1 传感器的定义及分类传感器是能把被测试物理量或化学量转换为与之有确定对应关系的电量输出装置。传感器又称为换能器，变换器或探测器，通常由敏感器件，转换器件和电子线路组成。传感器的输出信号又不同形式，如电压，电流，频率，脉冲等，以满足信息的传输，处理，记录，显示和控制等要求。传感器品种繁多，按构成原理来分类，可分为结构型和物性型两类；按信号转换效应来分，可分为物理型，化学型及生物型传感器等；按构成传感器敏感元件材料分，又可分为半导体传感器，陶瓷传感器，光纤传感器，高分子膜传感器等；按能量观点分类，又可分为有源传感器和无源传感器等；按电参
35、量分大概可分为为电阻式传感器，电感式传感器，电容是传感器，电涡流式传感器，压电式传感器，磁电式传感器，光电式传感器，热电式传感器，磁弹性式传感器，频率式传感器，力平衡式传感器，数字传感器等。传感器在生物医学领域的应用越来越多。医疗器械中的传感器是医用仪器与人体进行直接耦合的环节，其功能是把人体的生理信息拾取出来，以便进一步实现传输，处理和显示。传感器功能的好坏很大程度上决定了医用仪器的好坏，所以医用传感器在新型医用仪器的研制和医学研究中，占有相当重要的地位。生物传感器是利用某些生物活性物质所具有的选择性识别待测生物化学物质的能力而制作成的传感器，是一种在分子水平上识别物质的传感器。生物医学传感
36、器是获取人体生理和病理信息的工具，对化验，诊断，监护，控制和保健都有重要作用。目前已应用的酶传感器就可通过测试人体血液中脂质或酶含量作为诊断疾病的依据；微生物传感器稳定性好，可作为致癌物质探测器；过敏传感器用于检测人体白细胞的反应等等。迄今为止，生物传感器还是以分子加化学传感器或物理传感器构成。基于化学传感器的生物传感器，由于化学传感器本身干扰很多，如电极电位漂移，电极表面中毒等，使这类传感器的特性收到限制。而随着生物技术，生物电子学和微电子学的不断渗透和融合，新技术，新原理，新器件层出不穷，物理传感器以精度高，扰动小，易微型化，线性化等优点，以物理测试方法及技术为后盾，成为生物传感器器件的主
37、要支撑。此系统用的是压电式物理传感器。压力测试范围为059g，由陶瓷材料制成的表式模样。为什么选用电传感器呢？下面介绍压电传感器及其工作原理：4.1.2 压电传感器工作原理压电式传感器是一种典型的有源传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力的作用下载电介质的表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。某些介质当其在适合的方向施加压力作用力时，内部会产生电极化状态的变化，同时在电介质的两端表面出现符号相反的，与外力成正比的束缚电荷，这种由外力作用而导致电介质带电的现象，称为压电效应。如在相对应得两个面上蒸发金属电极，即可在电极上检测到有电极化的变化引起的电荷或电位差。这种现象可用来制作传感器。
38、压电效应是可逆的，在电极上加电动势也产生应变，亦即电场引起的应变，称为逆压电效应。具有电压效应的材料，称为压电材料。压电材料是固体，而且是各向异性的，所以它的介电性质，弹性和压电性质需要用张量方程或矩阵方程表示法莱描述。压电传感器的介电性质和弹性性质之间的关系式通过压电关系式来描述的。通常在压电体的端面上敷设金属电极，电极面与极化强度方向垂直，故在电极上面感应出与束缚电荷等量异号的自由电荷。自由电荷的面密度 等于极化强度 ，而平行电极的自由电荷面密度等于它的电通密度。压电传感器是一种有源器件，他利用压电效应在外加机械激励下输出与激励信号成正比的电信号，在医学仪器中有着广泛的应用。压电效应的模式
39、分为纵向和横向两种类型。4.1.3纵向效应压电传感器X切割石英的11方向和压电陶瓷的33方向均为薄板厚度振动模式。当一块X切割的石英片在X方向受均匀分布的力F1时，在其端面正X方向的电极上出去正电荷，则下电极上出去负电荷其电荷量q与外力F1成正比：q1=d11 F1若压电元件是Z轴方向极化的压电陶瓷，在Z方向均匀拉力F3时，则端面的电极上出现上正下负的同值异号电荷，其电荷量q3与外力F3成正比： q3=d33 F3当外力改变方向时，则出现的电荷亦改变符号。4.1.4横向效应压电传感器X切割石英的12方式和压电陶瓷的31方式均为长棒纵向伸缩横向电场方式。当一块X切割的石英在Y方向受均为分布的外力
40、F2时，在X轴方向电极上面出现与F2成正比的同值异号电荷q1： q1=d12F2A1/A2=-d11F2A1/A2式中：A1为X轴法线方向的电极面积。 A2为Y轴方向受力面积。可用下式综合纵向和横向压电传感器电荷量和力的关系：qm=dmiFiAm/Ai=KmiF(m=1,3;i=1,2,3;)简式为：q=k f4.1.5压电传感器等效电路把处于工作状态的压电传感器看成为一个电荷量为qm电荷发生器或一个等效的电源发生器。同时，这个压电传感器亦是一个容量器。这样，压电传感器的等效电路可画成一个与电容Ct并联的电荷量为q的电荷源。也可画成电动势q/Ct与电容串联的电压源。(如图4.1-1)： 图 4
41、.1-1 传感器等效电路由于压电传感器内阻抗很高，且输出信号很小，就应该使压电传感器的负载电阻RL尽量大。因此，与压电传感器相连接地测试电路的第一级应当是高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换和放大后才能送入下一级电路。4.2放大器传感器后接的放大器一般采用OP07低失调电压运算放大器。其具有以下优势:（1）低噪音；（2）不需要外部补偿；（3）廉价的斩波放大器代替器件；（4）单片机装配；（5）宽输入电压范围014V；（6）宽电源电压范围318V。而另一种常用的低功率双运算放大器LM358是由2个独立的，内部频率补偿的高增益运算放大器组成，它们专门设计成用一个宽电压范围的电源工作。也可以分开多个电
42、源工作，而且低功率电源的电流消耗与电源电压的大小无关。应用范围包括变频放大器，DC增益部件和所有常规运算放大器组成，现在可较容易在单电源系统中加以实现上述应用。由于OP07为双电源供电，且仅有一个运算放大器，而LM358允许单，双电源供电，且内部有两个经过补偿的运算放大器。因此，在本设计中选用LM358。由于传感器内阻高且输出信号很小，为使其工作频率范围内测量误差尽量小应增大R和C，但增加C会引起灵敏度降低，因此要求前置放大器的输入电阻Ra尽量大。放大器与传感器连接(如图4.2-1) 图4.2-1 传感器与一级放大器连接图在负载与放大器输出端电容耦合应用中，在放大器输出与地之间使用电阻值为1k的电阻以提高一级放大器的偏流；防止交越失真。图中一级放大器负反馈中74k电阻可视各台仪器的具体情况而添加，通常仅用阻值最大为200k的滑动变阻器进行控制增益就足够了。4.3 地址锁存器由于MCS-51单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程序存储扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离出来。在本设计中选择74LS373。其管脚(如图4.3-1) 图4.3-1 74LS373管脚图当三态门
