位置传感器在心电图机中的应用

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传感器在人体参数测量过程中起能量变换作用，因此也称换能器。在生物医学测量中，需要测定各种力学量（距离、位移、力、扭转、速度、加速度、压力等），由于这些力学量都与位移有一定的关系，因此通常先将各种力学量通过一次变换器变换成位转量。位移的测量方法很多，诸如光学测量法、超声法、辐射成像法。由于价格昂贵，通常采用电参数传感器，如电阻式、电容式和电感式等。电参数传感器能将位移的变化变换成相应的电参数（电阻、电容、电感）的变化，再通过检测电路变换成电信号的幅度或频率的变化，以达到测量人体参数之目的。

1 位置传感器

1.1 “差动变压器”式位置检测器

差动变压器原理图如图1所示。它包含初级线圈和次级线圈两部分。初级线圈接入几百KHz交流信号电压作信号激励用，次级线圈由两个结构、尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成。也就是说差动变压器是由一组相对于固定位置的次级线圈而可以移动的初级线圈和两组固定位置的次级线圈组成。它是利用初级线圈作直线移动，以改变初次级线圈的互感的互感量（初次级之间是通过空间耦合）来达到两个次级线圈电压的差值与初级线圈作距离线性关系的。差动变压器的工作原理是：在初级线圈L0中加入一定的交流激励电压E时，在次级线圈L1和L2中将分别感应出交流信号V1和V2。当L0和L1、L2之间等距时，将在次级L1、L2感应出大小相等相位相同的电压信号，输出为零。当L0和移动到L1附近（远离L２时），L1上上感应到的交流信号V1>V2。反之V２>V1。总之，当L0产生位移时，两个次级线圈L 1、 L2的感应电势就不相等，一个增加伴随另一个减少，因此，差动变压器便产生差动电压输出，输出电压的大小与相位取决于位移的大小与位移的方向。

该系统与传统的盘香弹簧机械式记录系统比较，其优点是：无噪音，寿命极长，无接触，分辨率小，力矩小，频响和灵敏度高，可靠性好，小型轻量。而且还克服了传统的检流计笔描记录器为提高时间精度采取了各种直线补偿联动机械，其转动惯量和摩擦阻力的增加又导致了固有频率降低，回零滞后增大等缺点，同时也克服了采用增加扭转部件刚度解决上述缺点，从而又带来偏转所需的线圈电流电压会随之增大，甚至超出驱动放大器输出能力和记录器结构功耗能力允许的弱点。缺点是：差动变压器位置检测器的初级线圈需要激励信号，电路中增设了高频信号电压产生电路和检波电路等。该传感器应用在国产的XDH—3B型心电图机中，现已淘汰。

1.2 “电磁传感式”位置传感器

电磁传感式位置传感器由初级线圈和次级线圈组成，次级线圈有上下两个绕组。与差动式位置传感器的结构大致相似，工作原理基本相同。所不同的是初级线圈接收高频交流信号电压是10KHz，初次级线圈之间装有一个带有螺纹的磁芯。该传感器应用在ECG—5403型心电图机中，已淘汰。

1.3 “同轴电位器”式位置检测器

“同轴电位器”式位置检测器原理图请参看笔者编著的《中外心电图机实用技术》一书P164图5—61。该位置检测器是采用了与记录线圈同轴转动的固态性电位器结构，其工作原理是当固态线性电位器随记录线圈同轴转动时，R01和R02的阻值也在变化：线性电位器中心臂在中产位置时，R01=R02，此时V0＝；线性电位器中心臂在上面位置时，R01<R02,此时V0>；线性电位器中心臂在下面位置时，R01>R02，，此时V0<。也就是说它是利用电位器中心臂与记录器线圈同轴移动，在不同的位置时R0不同的原理，以达到检测记录器不同位置时的相应反馈电压之目的。该传感器应用在进口心电图机中。

1.3“磁敏电阻”式检测器

“磁敏电阻”式检测器原理图请参看笔者编著的《中外心电图机实用技术》一书P151图5—54。当磁铁在磁敏电阻上、下移动时，R磁1和R磁2的阻值也相应变化：磁铁在中间位置时，此时V0=；磁铁在上面位置时，R磁1>R磁2此时V0<；磁铁在下面位置时，R磁1<R磁2，此时V0>。总之，它是得用磁铁与记录器线圈同轴转动。使磁铁在磁敏电阻上、下移动时，R磁不同的原理，从而达到检测记录器不同位置时的相应反馈电压之目的。该传感器已广泛应用于现代心电图机之中。

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2 磁敏传感器在心电图机中的应用

该系统主要由笔马达，位置传感器和主放大电路组成。为了便于读者的理解，以国产ECG—11A型心电图机为例进行阐述。

2.1磁敏电阻式位置反馈记录器

磁敏电阻式位置反馈记录器主要由一个小磁铁和两个磁敏电阻组成。主要特点是无噪音，寿命极长，无接触，分辨率极小，力矩极小，频响和灵敏度高，可靠性好，小型轻量等特点。热笔采用“点”状接触热笔，它是采用了半导体材料“点”接触发热元件，元件与笔杆之间用绝缘材料隔离，因而它的热容量，散热量和耗电量均较小。“点”状热笔必须配合特殊机构才能将记录轴的转动变成笔端的直线运动，从而使笔端的垂位移与记录器的偏转角成正比。

2.2 磁敏电阻式位置反馈记录器放大电路

由前置放大单元放大输出的心电信号加到由输入信号处理器、限幅放大器、位置反馈放大器、信号合成处理器、微分放大器、电压变换器、驱动放大器等组成的磁敏电阻式位置反馈记录器放大电路，实现信号电平转换再驱动BTL功率放大器。静态时，由于四个晶体管参数对称，输出为0，热笔不动作。动态时热笔马达在正负心电信号的驱动下带动热笔在记录纸上描记出正负心电波形。

笔马达与位置传感器记录器由热笔机械连接在一起。当笔马达带动热笔偏转时，位置传感器的转轴旋转，固定在转轴上的永久小磁铁也随着转动，使磁场强度的方向发生改变，并导致固定在基座上靠近小磁铁的磁敏电阻的阻值发生变化而产生位置反馈信号电压，即产生一个正比于记录器的角位移信号。

2.3 记录器故障的检修

故障现象 开机后热笔单偏，调节基线电位器不起作用或将电位器调到某极限位置时，热笔能够勉强靠近中心位置。当把增益电位器逆时针调节，使增益为零时热笔仍不能回到中心位置。

分析检修 当出现此故障时，在确保电路没有问题后，应对记录器进行检查。首先卸下热笔，拔下位置传感器插头，然后用数字万用表测量位置传感器输出端（兰线与黑线）之间的电阻。当连杆位置自由上限时兰黑线间阻值正常值在11.60KΩ±3KΩ；当连杆位置在自由下限时兰黑线间的正常阻值在12.60KΩ±3KΩ。变化范围1KΩ。测量时，同时转动位置传感器的连杆观察阻值有无变化，如果无变化，阻值又很大，说明位置传感器已坏，应更换新的。如果在转动传感器的连杆到达极限位置时，阻值从小到大，突然又从大变小，而电阻的变化范围基本正常。出现这种现象主要是由于小磁铁的磁场强度方向没有处在最佳位置所引起。此时应对位置传感器的安装角度进行调整：

①位置传感器的安装角度调整

松开位置反馈传感器的固定螺钉，安装好热笔，将位置反馈传感器向热笔单偏相反的方向旋转一个角度，直到将故障排除，然后再紧固螺钉，进行通电实验。

②限幅（LIM）电位器的调整

当电桥失衡比较严重采取上面的措施仍不理想，热笔在某一侧的偏转幅度不够时，可在开机工作的状态下，将面板上的限幅电位器逆时针微调，以增大限幅范围。此时值得注意的是限幅电位器调整后，增益会随之改变，定标压会增高，所以还需把增益（GAIN）电位器逆时针微调一下，达到定标电压幅度符合标准即可。

③位置传感器磁场强度方向校正法

当磁敏电阻变值使电桥失衡较严重热笔单偏，经过上述方法处理后仍不能达到要求时，可调整小磁铁与传感器基座相对角度的方法进行校正。方法是：取下位置传感器的屏蔽罩，松开塑料基座的固定螺钉，将心电图机面板上的增益调节电位器逆时针调到头，使增益为零。将笔马达和位置传感器的接线插头分别插在电路板上，然后接通电源，边旋转塑料基座，边观察热笔是否回复到中心位置。这样直至热笔位置调到中点时，即相对于上下极限位置对称平衡，最后再固定塑料基座底部的固定螺钉，装上外壳即可。