位置傳感器在心電圖機中的應用

傳感器在人體參數測量過程中起能量變換作用，因此也稱換能器。在生物醫學測量中，需要測定各種力學量（距離、位移、力、扭轉、速度、加速度、壓力等），由于這些力學量都與位移有一定的關系，因此通常先將各種力學量通過一次變換器變換成位轉量。位移的測量方法很多，諸如光學測量法、超聲法、輻射成像法。由于價格昂貴，通常采用電參數傳感器，如電阻式、電容式和電感式等。電參數傳感器能將位移的變化變換成相應的電參數（電阻、電容、電感）的變化，再通過檢測電路變換成電信號的幅度或頻率的變化，以達到測量人體參數之目的。

1 位置傳感器

1.1 “差動變壓器”式位置檢測器

差動變壓器原理圖如圖1所示。它包含初級線圈和次級線圈兩部分。初級線圈接入幾百KHz交流信號電壓作信號激勵用，次級線圈由兩個結構、尺寸和參數相同的兩個線圈反相串接而成。也就是說差動變壓器是由一組相對于固定位置的次級線圈而可以移動的初級線圈和兩組固定位置的次級線圈組成。它是利用初級線圈作直線移動，以改變初次級線圈的互感的互感量（初次級之間是通過空間耦合）來達到兩個次級線圈電壓的差值與初級線圈作距離線性關系的。差動變壓器的工作原理是：在初級線圈L0中加入一定的交流激勵電壓E時，在次級線圈L1和L2中將分別感應出交流信號V1和V2。當L0和L1、L2之間等距時，將在次級L1、L2感應出大小相等相位相同的電壓信號，輸出為零。當L0和移動到L1附近（遠離L２時），L1上上感應到的交流信號V1>V2。反之V２>V1。總之，當L0產生位移時，兩個次級線圈L 1、 L2的感應電勢就不相等，一個增加伴隨另一個減少，因此，差動變壓器便產生差動電壓輸出，輸出電壓的大小與相位取決于位移的大小與位移的方向。

該系統與傳統的盤香彈簧機械式記錄系統比較，其優點是：無噪音，壽命極長，無接觸，分辨率小，力矩小，頻響和靈敏度高，可靠性好，小型輕量。而且還克服了傳統的檢流計筆描記錄器為提高時間精度采取了各種直線補償聯動機械，其轉動慣量和摩擦阻力的增加又導致了固有頻率降低，回零滯后增大等缺點，同時也克服了采用增加扭轉部件剛度解決上述缺點，從而又帶來偏轉所需的線圈電流電壓會隨之增大，甚至超出驅動放大器輸出能力和記錄器結構功耗能力允許的弱點。缺點是：差動變壓器位置檢測器的初級線圈需要激勵信號，電路中增設了高頻信號電壓產生電路和檢波電路等。該傳感器應用在國產的XDH—3B型心電圖機中，現已淘汰。

1.2 “電磁傳感式”位置傳感器

電磁傳感式位置傳感器由初級線圈和次級線圈組成，次級線圈有上下兩個繞組。與差動式位置傳感器的結構大致相似，工作原理基本相同。所不同的是初級線圈接收高頻交流信號電壓是10KHz，初次級線圈之間裝有一個帶有螺紋的磁芯。該傳感器應用在ECG—5403型心電圖機中，已淘汰。

1.3 “同軸電位器”式位置檢測器

“同軸電位器”式位置檢測器原理圖請參看筆者編著的《中外心電圖機實用技術》一書P164圖5—61。該位置檢測器是采用了與記錄線圈同軸轉動的固態性電位器結構，其工作原理是當固態線性電位器隨記錄線圈同軸轉動時，R01和R02的阻值也在變化：線性電位器中心臂在中產位置時，R01=R02，此時V0＝；線性電位器中心臂在上面位置時，R01<R02,此時V0>；線性電位器中心臂在下面位置時，R01>R02，，此時V0<。也就是說它是利用電位器中心臂與記錄器線圈同軸移動，在不同的位置時R0不同的原理，以達到檢測記錄器不同位置時的相應反饋電壓之目的。該傳感器應用在進口心電圖機中。

1.3“磁敏電阻”式檢測器

“磁敏電阻”式檢測器原理圖請參看筆者編著的《中外心電圖機實用技術》一書P151圖5—54。當磁鐵在磁敏電阻上、下移動時，R磁1和R磁2的阻值也相應變化：磁鐵在中間位置時，此時V0=；磁鐵在上面位置時，R磁1>R磁2此時V0<；磁鐵在下面位置時，R磁1<R磁2，此時V0>。總之，它是得用磁鐵與記錄器線圈同軸轉動。使磁鐵在磁敏電阻上、下移動時，R磁不同的原理，從而達到檢測記錄器不同位置時的相應反饋電壓之目的。該傳感器已廣泛應用于現代心電圖機之中。

2 磁敏傳感器在心電圖機中的應用

該系統主要由筆馬達，位置傳感器和主放大電路組成。為了便于讀者的理解，以國產ECG—11A型心電圖機為例進行闡述。

2.1磁敏電阻式位置反饋記錄器

磁敏電阻式位置反饋記錄器主要由一個小磁鐵和兩個磁敏電阻組成。主要特點是無噪音，壽命極長，無接觸，分辨率極小，力矩極小，頻響和靈敏度高，可靠性好，小型輕量等特點。熱筆采用“點”狀接觸熱筆，它是采用了半導體材料“點”接觸發熱元件，元件與筆桿之間用絕緣材料隔離，因而它的熱容量，散熱量和耗電量均較小。“點”狀熱筆必須配合特殊機構才能將記錄軸的轉動變成筆端的直線運動，從而使筆端的垂位移與記錄器的偏轉角成正比。

2.2 磁敏電阻式位置反饋記錄器放大電路

由前置放大單元放大輸出的心電信號加到由輸入信號處理器、限幅放大器、位置反饋放大器、信號合成處理器、微分放大器、電壓變換器、驅動放大器等組成的磁敏電阻式位置反饋記錄器放大電路，實現信號電平轉換再驅動BTL功率放大器。靜態時，由于四個晶體管參數對稱，輸出為0，熱筆不動作。動態時熱筆馬達在正負心電信號的驅動下帶動熱筆在記錄紙上描記出正負心電波形。

筆馬達與位置傳感器記錄器由熱筆機械連接在一起。當筆馬達帶動熱筆偏轉時，位置傳感器的轉軸旋轉，固定在轉軸上的永久小磁鐵也隨著轉動，使磁場強度的方向發生改變，并導致固定在基座上靠近小磁鐵的磁敏電阻的阻值發生變化而產生位置反饋信號電壓，即產生一個正比于記錄器的角位移信號。

2.3 記錄器故障的檢修

故障現象 開機后熱筆單偏，調節基線電位器不起作用或將電位器調到某極限位置時，熱筆能夠勉強靠近中心位置。當把增益電位器逆時針調節，使增益為零時熱筆仍不能回到中心位置。

分析檢修 當出現此故障時，在確保電路沒有問題后，應對記錄器進行檢查。首先卸下熱筆，拔下位置傳感器插頭，然后用數字萬用表測量位置傳感器輸出端（蘭線與黑線）之間的電阻。當連桿位置自由上限時蘭黑線間阻值正常值在11.60KΩ±3KΩ；當連桿位置在自由下限時蘭黑線間的正常阻值在12.60KΩ±3KΩ。變化范圍1KΩ。測量時，同時轉動位置傳感器的連桿觀察阻值有無變化，如果無變化，阻值又很大，說明位置傳感器已壞，應更換新的。如果在轉動傳感器的連桿到達極限位置時，阻值從小到大，突然又從大變小，而電阻的變化范圍基本正常。出現這種現象主要是由于小磁鐵的磁場強度方向沒有處在最佳位置所引起。此時應對位置傳感器的安裝角度進行調整：

①位置傳感器的安裝角度調整

松開位置反饋傳感器的固定螺釘，安裝好熱筆，將位置反饋傳感器向熱筆單偏相反的方向旋轉一個角度，直到將故障排除，然后再緊固螺釘，進行通電實驗。

②限幅（LIM）電位器的調整

當電橋失衡比較嚴重采取上面的措施仍不理想，熱筆在某一側的偏轉幅度不夠時，可在開機工作的狀態下，將面板上的限幅電位器逆時針微調，以增大限幅范圍。此時值得注意的是限幅電位器調整后，增益會隨之改變，定標壓會增高，所以還需把增益（GAIN）電位器逆時針微調一下，達到定標電壓幅度符合標準即可。

③位置傳感器磁場強度方向校正法

當磁敏電阻變值使電橋失衡較嚴重熱筆單偏，經過上述方法處理后仍不能達到要求時，可調整小磁鐵與傳感器基座相對角度的方法進行校正。方法是：取下位置傳感器的屏蔽罩，松開塑料基座的固定螺釘，將心電圖機面板上的增益調節電位器逆時針調到頭，使增益為零。將筆馬達和位置傳感器的接線插頭分別插在電路板上，然后接通電源，邊旋轉塑料基座，邊觀察熱筆是否回復到中心位置。這樣直至熱筆位置調到中點時，即相對于上下極限位置對稱平衡，最后再固定塑料基座底部的固定螺釘，裝上外殼即可。