医用传感器实验教学改革途径的探索
段元民1，王锐2，陈安宇1*（1. 首都医科大学生物医学工程学院，北京 100069；2. 国家知识产权局专利审查协作中
心，北京 100083；*通讯作者）
医科大学学报社会科学版增刊（2011 年）
305
通电桥、放大器和显示仪表，系统具体构成参见图
1，其中电阻 R2 和 R4 为高灵敏度的负温度系数型
球状热敏电阻，时间常数 t
具有良好的线性特性。
图 1：呼吸信号检测电路
现有的传感器实验平台具有用于测量应变片
形变的电桥电路，该电桥电路结构与图 1 所示惠斯
通电桥完全一致。在实际的呼吸信号检测实验中，
仅需要将热敏电阻插接到试验台的标识有可变电阻
的端口中，即可构成测量呼吸信号的惠斯通电桥
[3]
。
通过调零电阻 R 的调节，使电桥达到平衡。热敏电
阻放置在被测者鼻腔出口进行呼吸信号的测量。实
验台上的运算放大器接显示仪表或示波器，仪表中
显示随呼吸周期性波动的数字，示波器中则可以显
示随呼吸周期性波动的波形，通过观察数字或波形
的变化，可以确定被检测者的呼吸频率。
在上述呼吸信号检测电路中，两个热敏电阻 R2
和 R4 被分别放置在被检测者的两个鼻腔出口。为了
使学生加深对惠斯通电桥特性的理解，在实际实验
中，设计了使用定值电阻替代一个热敏电阻的环节。
学生通过实际测量，可以观察到采用一个热敏电阻的
显示数值或波形幅值仅为两个热敏电阻的一半
[4]
。
三、体温的检测
一般传感器实验装置中都备有温度检测项目，
使用热敏电阻作为传感元件，但热敏电阻大多安装
在机壳内，用来测量室温和电加热后的温度。根据
实验装置的情况，配置一个与机内热敏电阻规格相
同的热敏电阻，用导线与后续放大器连接，将热敏
电阻简单封装后放置在腋下，即可测量体温。这项
检测除传感器外，其他部分全部利用原有的实验平
台装置。
四、心率的检测
心率是最常用的生理参数之一，可以利用检测
脉搏的方法测量。一般传感器实验装置中都备有应
变片传感器实验，由金属应变片组成全桥、双臂或
单臂电桥，在其上施加不同的重量，验证重量与电
压的关系和不同电桥的灵敏度。根据实验装置的情
况，可以另行配置一个金属应变片组成的全桥，面
积如药片大小。应变片输出端直接接放大器输入
端，放大器输出端接示波器。将应变片放置在手腕
脉搏明显处，稍加固定的压力。在示波器可见电压
的周期性变化，每一次周期性变化对应一次脉搏，
计算其周期的倒数即可得知脉搏频率，以次/每分
钟表示即心率。这项检测除添置一个金属应变片
组成的电桥外, 其他部分全部利用原有的实验平台
装置和设备。
五、握力的检测
与呼吸信号类似，握力也是一种测量简便、重
复性高的生理参数。握力的测量是为了测量受试者
肌肉静力的耐力状况，反映前臂部、手部的肌肉力
量，同时也与其他肌群的力量有关，并且还是反映
肌肉总体力量的常用指标。
用于测量握力的传感器采用现有传感器实验
平台上的电阻应变片压力传感器。测量握力时，被
测者将应变片传感器持握在手中，用力握紧应变片
传感器，以测量握力数据。并且，每只手测量两次
握力数据，分别记录最好成绩。
实验所采用的电阻应变片传感器由弹性元件、
电阻应变片和其他附件组成。当弹性元件变形时，
粘贴在其上的电阻应变片随之变形，由于应变片的
电阻应变效应，把变形转化为电阻值的变化。
在拉伸金属材料使之产生应变的同时，测量其
被拉伸部分的电阻值，可以发现：在金属导体的拉
伸比例极限内，金属导体电阻值的相对变化与应变
片成正比
[5]
，即
式中：R ——无应变时的电阻值；
dR ——产生应变时的电阻的变化量；
ε——应变；
K ——金属材料的灵敏系数
金属材料的灵敏系数受两个因素的影响：一是
受力后因材料的的尺寸变化而引起的；二是受力后
材料的电阻率发生变化而引起的，这是由于材料发
生形变时，其自由电子的活动能力和数量发生变化
的结果，因此 K 只能靠实验求出。【摘要】医用传感器是生物医学工程相关专业的重要专业基础课程，其内容实用性强，具有医学应用的特点，实验教学
占有重要的地位。但是现有的实验设备所提供的实验没有体现出医用的特点，不能完全适应医用传感器课程的要求。为了提
高实验课的教学效果，针对现有实验的不足，将以往科研、毕设的相关制作加以转化，利用现有的实验条件，补充设计了与
临床实践紧密结合的实验项目。
【关键词】医用传感器；实验教学；呼吸；握力；检测
【中图分类号】 G642.0 【文献标识码】 A 【文章编码】
一、前言
医用传感器的作用是将各种非电量生物信息
转换成容易处理的电学量，是各种医学检测仪器的
关键器件，决定着检测的可能性和检测的质量。如
何正确的选择和使用医用传感器，根据实际需求检
测出可靠的人体生理参数，是医用传感器这门课程
的基本教学目的
[1]
。为此要求一方面通过理论授课
使学生理解医用传感器的基本原理，巩固生物医学
和电子技术等专业知识，另一方面还要通过实验环
节使学生将抽象的理论转化成生动、直观的感性认
识，培养学生的动手操作技能和解决实际问题的能
力。然而，目前医用传感器实验教学中所采用的实
验平台是一款基于工科非电量测量的通用实验平
台，该实验平台仅能用于验证基本传感元件的工作原
理，例如：应变片、电容、电感传感器的基本工作原
理，不能用于演示和验证如何进行生理参数的测量，
不利于学生巩固所掌握的医学信号检测知识
[2]
。
为此，我们对现有传感器实验教学内容进行了
改革的尝试，将以往教师科研工作中和学生毕业设
计中的相关制作加以改进和移植，并利用现有的传
感器实验平台，从常用的、验证性高的生理信号入
手，开发了用于检测人体生理信号的医用传感器实
验。
二、呼吸信号的检测
呼吸信号是反映生命指证的重要参数，呼吸信
号的检测在重症监护、睡眠呼吸暂停综合症的防治
等方面具有重要意义。采用应变式传感器、温度传
感器、流量传感器、电阻传感器和电容传感器都可
以检测呼吸信号。应变式传感器可以检测呼吸管道 11-48
和胸腹部由于呼吸运动而产生的周期性形变，温度
传感器可以检测呼吸过程中鼻腔温度变化，流量传
感器可以检测气体通路中的流量变化，而电阻和电
容传感器则是可以检测由于胸腹部运动而产生的
人体阻抗和容抗的变化。在上述各种方法中，应变
式传感器由于需要响应胸腹部的机械运动，因此其
对传感器的设置位置敏感；流量传感器成本高，多
用在中高档呼吸机中；电阻和电容传感器需要驱动
电路与之配合，电路结构比较复杂。因此，对于检
测精度要求不高的呼吸信号检测实验而言，温度传
感器是一种成本低、可重复性好、可利用现有传感
器实验平台的最佳呼吸信号转换器件。
由于环境温度通常低于人体体内温度，因此当
人体通过鼻腔与外界进行气体交换时，呼气时的鼻
腔温度要高于吸气时的鼻腔温度。通过在鼻腔出口
放置温度传感器，利用气体交换时鼻腔温度的周期
性波动，便可检测呼吸频率。由于呼吸气流的温度
变化不大，因此采用热敏电阻温度传感器即可满足
检测要求。
半导体热敏电阻分为 3 类，即负温度系数型、
正温度系数型和单晶掺杂的半导体型。它们的阻值
与温度的变化关系跟温度系数有关，温度系数为
正，表示电阻值随温度的升高而增大，温度系数为
负，电阻值随温度的升高而减小。如果热敏电阻上
施加电压，就可以将电阻的变化转化为电流或电压
的变化。
实验用呼吸信号检测电路包括热敏电阻、惠斯教育教学研究——实验教学研究 306
采用现有传感器实验平台上的惠斯通电桥构
成测量握力的传感器电路，具体连接方式如图 2 所
示，其中应变片传感器上的四个电阻应变片全部接
入到惠斯通电桥中，以获得最高的测量灵敏度。电
桥电路不仅灵敏度高于电阻分压电路，还可以有效
地消除温度对压阻的影响。
图 2：测量电路
传感器检测得到的电信号较弱, 必须通过大电
路进行处理, 因此需要选取合适的高性能的放大电
路。现有传感器实验平台上提供了用于放大测量信
号的放大电路，该放大电路是能够同时提供高输入
阻抗和高共模抑制比的差动放大电路，如图 3 所
示。经放大后的握力信号，可连接显示仪表，以显
示最大握力值。
图 3：放大电路
六、结束语
实验教学的改革有赖于实验设备的更新，但实 验设备的更新受制于经费、产品的种类、规格等多 种因素，往往不可能经常、及时地更新，更新的设 备也很难做到完全适用。在这种情况下，利用现有 的实验条件，基于以往的教师科研工作中和学生毕 业设计中的思路，将相关制作加以改进和转化，设 计开发与临床实践紧密结合的新实验，是一条多快 好省的实验教学改革途径。上述新实验都是采取这 样的途径实现的，最大限度地利用了现有的实验设 备。通过现场真实的生理信号的测量，理论与实践 有机地结合，激发了学生的学习兴趣，加深学生对 理论课内容的理解，取得良好的实验教学效果。这 种实验教学改革的途径不仅可以应用于医用传感 器实验，还可以应用于其他实验教学的改革中。
【参考文献】
[1] 陈安宇等. 医用传感器[M].北京:科学出版社,2008. 1-5.
[2] 刘加峰, 石宏理等. 医用传感器课程研究型教学探索与 实践[J].首都医科大学学报(社会科学版),2010:224- 226.
[3] 赵燕等. 传感器原理及应用[M].北京:北京大学出版 社,2010.199-202.
[4] 司士辉等. 生物传感器[M].北京:化学工业出版社,2003. 14-16.
[5] 杨玉星等. 生物医学传感器与检测技术[M].北京:化学 工业出版社,2005.46-53.
【作者简介】段元民（1968 年—），男，北京市人， 中级实验师，研究方向：医用传感器实验。
医用传感器实验教学改革途径的探索
段元民1，王锐2，陈安宇1*（1. 首都医科大学生物医学工程学院，北京 100069；2. 国家知识产权局专利审查协作中
心，北京 100083；*通讯作者）
医科大学学报社会科学版增刊（2011 年）
305
通电桥、放大器和显示仪表，系统具体构成参见图
1，其中电阻 R2 和 R4 为高灵敏度的负温度系数型
球状热敏电阻，时间常数 t
具有良好的线性特性。
图 1：呼吸信号检测电路
现有的传感器实验平台具有用于测量应变片
形变的电桥电路，该电桥电路结构与图 1 所示惠斯
通电桥完全一致。在实际的呼吸信号检测实验中，
仅需要将热敏电阻插接到试验台的标识有可变电阻
的端口中，即可构成测量呼吸信号的惠斯通电桥
[3]
。
通过调零电阻 R 的调节，使电桥达到平衡。热敏电
阻放置在被测者鼻腔出口进行呼吸信号的测量。实
验台上的运算放大器接显示仪表或示波器，仪表中
显示随呼吸周期性波动的数字，示波器中则可以显
示随呼吸周期性波动的波形，通过观察数字或波形
的变化，可以确定被检测者的呼吸频率。
在上述呼吸信号检测电路中，两个热敏电阻 R2
和 R4 被分别放置在被检测者的两个鼻腔出口。为了
使学生加深对惠斯通电桥特性的理解，在实际实验
中，设计了使用定值电阻替代一个热敏电阻的环节。
学生通过实际测量，可以观察到采用一个热敏电阻的
显示数值或波形幅值仅为两个热敏电阻的一半
[4]
。
三、体温的检测
一般传感器实验装置中都备有温度检测项目，
使用热敏电阻作为传感元件，但热敏电阻大多安装
在机壳内，用来测量室温和电加热后的温度。根据
实验装置的情况，配置一个与机内热敏电阻规格相
同的热敏电阻，用导线与后续放大器连接，将热敏
电阻简单封装后放置在腋下，即可测量体温。这项
检测除传感器外，其他部分全部利用原有的实验平
台装置。
四、心率的检测
心率是最常用的生理参数之一，可以利用检测
脉搏的方法测量。一般传感器实验装置中都备有应
变片传感器实验，由金属应变片组成全桥、双臂或
单臂电桥，在其上施加不同的重量，验证重量与电
压的关系和不同电桥的灵敏度。根据实验装置的情
况，可以另行配置一个金属应变片组成的全桥，面
积如药片大小。应变片输出端直接接放大器输入
端，放大器输出端接示波器。将应变片放置在手腕
脉搏明显处，稍加固定的压力。在示波器可见电压
的周期性变化，每一次周期性变化对应一次脉搏，
计算其周期的倒数即可得知脉搏频率，以次/每分
钟表示即心率。这项检测除添置一个金属应变片
组成的电桥外, 其他部分全部利用原有的实验平台
装置和设备。
五、握力的检测
与呼吸信号类似，握力也是一种测量简便、重
复性高的生理参数。握力的测量是为了测量受试者
肌肉静力的耐力状况，反映前臂部、手部的肌肉力
量，同时也与其他肌群的力量有关，并且还是反映
肌肉总体力量的常用指标。
用于测量握力的传感器采用现有传感器实验
平台上的电阻应变片压力传感器。测量握力时，被
测者将应变片传感器持握在手中，用力握紧应变片
传感器，以测量握力数据。并且，每只手测量两次
握力数据，分别记录最好成绩。
实验所采用的电阻应变片传感器由弹性元件、
电阻应变片和其他附件组成。当弹性元件变形时，
粘贴在其上的电阻应变片随之变形，由于应变片的
电阻应变效应，把变形转化为电阻值的变化。
在拉伸金属材料使之产生应变的同时，测量其
被拉伸部分的电阻值，可以发现：在金属导体的拉
伸比例极限内，金属导体电阻值的相对变化与应变
片成正比
[5]
，即
式中：R ——无应变时的电阻值；
dR ——产生应变时的电阻的变化量；
ε——应变；
K ——金属材料的灵敏系数
金属材料的灵敏系数受两个因素的影响：一是
受力后因材料的的尺寸变化而引起的；二是受力后
材料的电阻率发生变化而引起的，这是由于材料发
生形变时，其自由电子的活动能力和数量发生变化
的结果，因此 K 只能靠实验求出。【摘要】医用传感器是生物医学工程相关专业的重要专业基础课程，其内容实用性强，具有医学应用的特点，实验教学
占有重要的地位。但是现有的实验设备所提供的实验没有体现出医用的特点，不能完全适应医用传感器课程的要求。为了提
高实验课的教学效果，针对现有实验的不足，将以往科研、毕设的相关制作加以转化，利用现有的实验条件，补充设计了与
临床实践紧密结合的实验项目。
【关键词】医用传感器；实验教学；呼吸；握力；检测
【中图分类号】 G642.0 【文献标识码】 A 【文章编码】
一、前言
医用传感器的作用是将各种非电量生物信息
转换成容易处理的电学量，是各种医学检测仪器的
关键器件，决定着检测的可能性和检测的质量。如
何正确的选择和使用医用传感器，根据实际需求检
测出可靠的人体生理参数，是医用传感器这门课程
的基本教学目的
[1]
。为此要求一方面通过理论授课
使学生理解医用传感器的基本原理，巩固生物医学
和电子技术等专业知识，另一方面还要通过实验环
节使学生将抽象的理论转化成生动、直观的感性认
识，培养学生的动手操作技能和解决实际问题的能
力。然而，目前医用传感器实验教学中所采用的实
验平台是一款基于工科非电量测量的通用实验平
台，该实验平台仅能用于验证基本传感元件的工作原
理，例如：应变片、电容、电感传感器的基本工作原
理，不能用于演示和验证如何进行生理参数的测量，
不利于学生巩固所掌握的医学信号检测知识
[2]
。
为此，我们对现有传感器实验教学内容进行了
改革的尝试，将以往教师科研工作中和学生毕业设
计中的相关制作加以改进和移植，并利用现有的传
感器实验平台，从常用的、验证性高的生理信号入
手，开发了用于检测人体生理信号的医用传感器实
验。
二、呼吸信号的检测
呼吸信号是反映生命指证的重要参数，呼吸信
号的检测在重症监护、睡眠呼吸暂停综合症的防治
等方面具有重要意义。采用应变式传感器、温度传
感器、流量传感器、电阻传感器和电容传感器都可
以检测呼吸信号。应变式传感器可以检测呼吸管道 11-48
和胸腹部由于呼吸运动而产生的周期性形变，温度
传感器可以检测呼吸过程中鼻腔温度变化，流量传
感器可以检测气体通路中的流量变化，而电阻和电
容传感器则是可以检测由于胸腹部运动而产生的
人体阻抗和容抗的变化。在上述各种方法中，应变
式传感器由于需要响应胸腹部的机械运动，因此其
对传感器的设置位置敏感；流量传感器成本高，多
用在中高档呼吸机中；电阻和电容传感器需要驱动
电路与之配合，电路结构比较复杂。因此，对于检
测精度要求不高的呼吸信号检测实验而言，温度传
感器是一种成本低、可重复性好、可利用现有传感
器实验平台的最佳呼吸信号转换器件。
由于环境温度通常低于人体体内温度，因此当
人体通过鼻腔与外界进行气体交换时，呼气时的鼻
腔温度要高于吸气时的鼻腔温度。通过在鼻腔出口
放置温度传感器，利用气体交换时鼻腔温度的周期
性波动，便可检测呼吸频率。由于呼吸气流的温度
变化不大，因此采用热敏电阻温度传感器即可满足
检测要求。
半导体热敏电阻分为 3 类，即负温度系数型、
正温度系数型和单晶掺杂的半导体型。它们的阻值
与温度的变化关系跟温度系数有关，温度系数为
正，表示电阻值随温度的升高而增大，温度系数为
负，电阻值随温度的升高而减小。如果热敏电阻上
施加电压，就可以将电阻的变化转化为电流或电压
的变化。
实验用呼吸信号检测电路包括热敏电阻、惠斯教育教学研究——实验教学研究 306
采用现有传感器实验平台上的惠斯通电桥构
成测量握力的传感器电路，具体连接方式如图 2 所
示，其中应变片传感器上的四个电阻应变片全部接
入到惠斯通电桥中，以获得最高的测量灵敏度。电
桥电路不仅灵敏度高于电阻分压电路，还可以有效
地消除温度对压阻的影响。
图 2：测量电路
传感器检测得到的电信号较弱, 必须通过大电
路进行处理, 因此需要选取合适的高性能的放大电
路。现有传感器实验平台上提供了用于放大测量信
号的放大电路，该放大电路是能够同时提供高输入
阻抗和高共模抑制比的差动放大电路，如图 3 所
示。经放大后的握力信号，可连接显示仪表，以显
示最大握力值。
图 3：放大电路
六、结束语
实验教学的改革有赖于实验设备的更新，但实 验设备的更新受制于经费、产品的种类、规格等多 种因素，往往不可能经常、及时地更新，更新的设 备也很难做到完全适用。在这种情况下，利用现有 的实验条件，基于以往的教师科研工作中和学生毕 业设计中的思路，将相关制作加以改进和转化，设 计开发与临床实践紧密结合的新实验，是一条多快 好省的实验教学改革途径。上述新实验都是采取这 样的途径实现的，最大限度地利用了现有的实验设 备。通过现场真实的生理信号的测量，理论与实践 有机地结合，激发了学生的学习兴趣，加深学生对 理论课内容的理解，取得良好的实验教学效果。这 种实验教学改革的途径不仅可以应用于医用传感 器实验，还可以应用于其他实验教学的改革中。
【参考文献】
[1] 陈安宇等. 医用传感器[M].北京:科学出版社,2008. 1-5.
[2] 刘加峰, 石宏理等. 医用传感器课程研究型教学探索与 实践[J].首都医科大学学报(社会科学版),2010:224- 226.
[3] 赵燕等. 传感器原理及应用[M].北京:北京大学出版 社,2010.199-202.
[4] 司士辉等. 生物传感器[M].北京:化学工业出版社,2003. 14-16.
[5] 杨玉星等. 生物医学传感器与检测技术[M].北京:化学 工业出版社,2005.46-53.
【作者简介】段元民（1968 年—），男，北京市人， 中级实验师，研究方向：医用传感器实验。