生物医学传感器复习大纲.docx
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生物医学传感器复习大纲.docx
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生物医学传感器复习大纲
一、选择题(每题2分,共20分)
二、填空题(每空1分,共22分或20分)
三、判断题(每题1分,共10分)或名词解释三个,12分
四、简答题(每题8分,共24分)
五、计算题(每题12分,共24分)
1.国家标准(GB7665—87)关于传感器的定义,传感器的组成部分及其作用。
定义:
能感受(或响应)规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。
传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件(换能器)以及相应的电子线路所组成。
狭义定义:
能把外界非电信号转换成电信号输出的器件或装置。
2.生物医学测量仪器的三个主要部分及其所起作用。
组成:
传感器和电极,放大器和测量电路,数据处理和显示装置(现代生物医学测量仪器已包括治疗仪器组成完整的生物医学仪器,也包括基于网络的数据传输部分。
)
生物医学测量仪器已经成为生物医学研究,诊断,治疗,自动监护等工作必不可少的工具。
3.人体测量的目的是诊断和治疗疾病,这一过程可以看作为控制系统,其模式有开环和闭环两种,它们之间的区别是?
开环测量系统:
全部信息变换只沿着一个方向进行,结构较简单,但各环节特性的变化都会造成测量误差
闭环测量系统:
有两个通道,一为前向通道,二为反馈通道
4.常见生理参数的测量范围(心电,脑电,肌电)
生物信号类型
所用传感器
典型幅值范围
典型频率范围
心电图(ECG)
体表电极
心脏电极
通过母体测量胎儿ECG
50uV~5mV
~50mV
~10uV
0.05~100HZ(250HZ)
脑电图(EEG)
头皮电极
颅内
2~200uV
10uV~100mV
0.5~100HZ
肌电图(EMG)
针电极
0.2~1mV
10Hz~2KHZ
5.通过人体的低频电流对人体的作用有三个方面。
低频电流对人体的三个作用:
产生焦耳热;刺激神经、肌肉等细胞;化学效应。
这些作用使组织液中的离子、大分子等粒子振动、运动和取向。
6.什么是膜电位?
静息时细胞膜内外常见离子浓度情况如何?
膜电位(membranepotential):
在可兴奋组织(如神经,肌肉或腺组织)的细胞膜内外,存在着不同的带电离子。
膜外呈正电,膜内呈负电,存在着一定的电位差。
(平时呈现静息电位,细胞膜内介质的静息电位约为-50mV~-100mV)
静息时:
K+的膜内浓度比膜外高30倍;Na+的膜外浓度比膜内高10-15倍;
CL-的膜外浓度比膜内高4~7倍;Ca2+的膜外浓度比膜内高104倍;
蛋白质阴离子的膜内浓度比膜外高等
由此可知,膜内外的K+、Na+、CL-、Ca2+等离子之间各有一定的浓度差形成浓度梯度。
7.能斯特(Nernst)方程以及利用能斯特方程求静息时K+的平衡电位εk。
或者
这就是能斯特(Nernst)方程式,式中ε为扩散电位差,生理学上为膜两边的跨膜电位;k为玻耳兹曼常数(k=1.38x10-23J·K-1)),T为热力学温度(T=t+273.15);膜两侧的浓度C与离子密度n成正比。
Eg:
已知人体神经细胞内、外K+的有效浓度分别为[K+I]和[K+o](单位为mol/L),则根据Nernst方程式计算出K+的平衡电位εk:
,k=1.38x10-23J·K-1);T为绝对温度(K);Z=+1,e=1.60x10-19C。
在人体体温(37℃)下,若将各项值代入,则Nernst方程式可化为:
代入表中给出参数,得εk=-89mV,理论计算值与实测结果(-86mV)很接近。
人神经细胞
人红细胞
离子
内液
外液
离子
内液
外液
K+
141
5
K+
136
5
Na+
10
142
Na+
13
164
Cl-
4
100
Cl-
83
154
8.细胞膜的模拟等效电路。
细胞膜用来分隔两种导电性很好的溶液,膜两边存在着稳定的电位差;膜对某些离子通透性差,特性如同充电的电容器;又因为膜对某些离子容易通透,又象一定电阻一样,细胞膜等效电路为电容和电阻并联形式
若细胞膜面积S=5x10-6cm2,厚度d=10-6cm,ε=3.26
膜的电容值:
=1.3pF=1.3×10-12F(法拉)
若已知膜电位为V=-86mV,代入公式Q=CV,可求得应带的电量为
Q=1.3×10-12×0.086=1.1×10-13库仑(C)。
这些电量应是Q/e个K+离子所有,已知e=1.6×10-19库仑(即K+离子的电量),得参与扩散的K+离子数应为:
Q/e=6.9×105。
已知典型的细胞体积为10-9cm3,K+离子的浓度约为0.14克分子/升,或每立方厘米约有0.14×6×1023/1000≈1020个离子。
照此计算,每一细胞内就有:
1020×10-9=1011个K+离子,其中只有6.9×105个K+离子向膜外扩散
9.什么是动作电位,动作电位在去极化和复极化过程中各个时期的特点(包括时程,电位幅度,K+、Na+、Ca2+离子运动情况)。
心肌细胞受到窦房结发来的电脉冲剌激时(阈剌激),受剌激部位膜电位将发生短暂的电位变动。
最初膜电位升高,接着慢慢恢复到原来静息电位水平。
这个过程经历300ms时程,膜电位的变动,生理学上称为“动作电位”。
它类似于RC电路受到触发后电位变化暂态过程。
Ø
去极化即除极,是动作电位的0期。
当可兴奋的细胞受到外界剌激,如给它以电剌激,剌激电流从膜内流向膜外,因此膜的极化状态减弱,称之为去极化。
表现:
去极化达到一定临界水平,即阈电位(例如比静息电位升高20mV),便产生兴奋;这时细胞膜的极化现象消除,出现膜内为正、膜外为负的反极化状态:
在短时间内由-50mV—100mV变到+20mV—+40mV,构成动作电位上升支(去极相)。
主要特点:
对于心肌细胞,,此期历时很短,仅1~2ms
0期去极化表现为:
快钠通道“开放”,Na+通过快钠通道,向膜内迅速扩散,
使膜电位升高得很快,最快变化率可达800v/s,上升幅度大(-80mV至+30mV)。
Ø复极化是从去极化电位达到正峰值后开始,一直恢复到静息电位水平状态之间的过程。
动作电位的产生,取决于细胞膜两边的电压和膜对于Na+、K+随时间变化的通透性。
复极化共分4期:
1期:
亦称快速复极初期
此时Na+向内扩散减慢,而K+的向外扩散则缓慢地上升,两者达到动态平衡。
但膜外CL-浓度高于膜内4~7倍,而且此时膜内电位为正,高于膜外,故CL-借助于浓度差和电位差两者的作用而大量向内扩散,使细胞内的电位逐渐降低。
1期占时平均约10ms。
2期:
缓慢复极期或平台期
由于胞外Ca2+浓度比细胞内高得多,此期慢钙通道‘早已开放’,并且开得很大,Ca2+在浓度梯度作用下经过慢通道而缓慢地向内扩散。
少量Na+缓慢内流,使膜电位复极受阻。
因而使复极过程停滞在0电位水平。
2期占时约100ms。
3期:
“快速复极末期”
是复极化的主要过程。
主要是由K+的外流而造成的。
由于K+外流的增加和慢通道的失活,Ca2+和Na+内流减少,因而K+外流不再与Ca2+和Na+内流平衡,致使膜电位较快地下降而形成复极3期。
此期历时约100~150ms。
从0-3期,对应着心肌的收缩期。
共同特点:
各种离子都借助于膜内外两侧电解质溶液中离子的浓度差和电位差的作用,在系统的内力作用下而产生的一种特殊的扩散现象。
从能量角度看,离子扩散的能量是由物体系统的内能转换来的,不需消耗外部能量,故称为"被动传输"过程。
4期:
“舒张期”或“静息期”
对应心肌的舒张期,是膜复极化完毕和膜电位恢复到静息水平。
特点:
要依靠钾-钠泵的作用,将向外扩散的K+和向内扩散的Na+逆浓度梯度分别驱回膜内和膜外,恢复到静息期的极化状态。
它需要外界供给能量才能维持,故称为“主动传输”过程。
10.动作电位的主要特征参量。
动作电位幅度(APA);静息膜电位(RP)
动作电位时程(APD):
从去极化到复极化后静息电位的时间间隔。
常用APD90(达到峰电位百分之九十的时间)。
有效不应期(ERP):
细胞膜从去极化开始后,必须经过一定时间。
才能下一次去极化,产
生可传播动作电位,该时间间隔称为有效不应期。
11.相对不应期与绝对不应期。
在神经元某处发生动作电位后再一次响应刺激有一个时间间隔,存在绝对不应期和相对
不应期。
绝对不应期是指动作电位去极化进程中,无论用如何强的刺激都不会引起新的动
作电位。
相对不应期是指绝对不应期以后的一段短时间,用很强阈上刺激可在该处引起动
作电位,但其动作电位最大振幅变小,这个时期为相对不应期。
刺激脉冲时间间隔大于不应期可以产生新的兴奋。
或者说连续刺激产生兴奋的最小时间间
隔是取决于不应期大小。
12.心电图曲线与单个细胞的生物电位变化曲线有明显的区别,这是为什么?
1)单个心肌细胞电位变化是用细胞内电极记录方法得到的,即一个电极放在细胞表面,另一个电极插入细胞膜内。
所记录的是细胞膜内、外电位差,包括膜的动作电位和静息电位。
而心电图在体表记录,是所有心肌电兴奋传导到体表的结果。
2)心肌细胞电位变化反映的是单个细胞膜电位变化曲线,而ECG反映的是一次心动周期中整个心脏的生物电位变化和传导过程。
因此ECG是很多心肌细胞电活动综合效应在体表的反映。
包括窦房结和房室结组织、心房、浦肯野纤维和心室组织等表现的电活动
3)心电图电极放置位置不同,记录的心电图曲线也就不同。
13.临床上应用的是心电图标准十二导联系统,分别是?
哪些属于单极导联,哪些属于双极导联?
分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联(标准肢体导联)【双极导联方式】
单极导联方式
aVR、aVL、aVF导联(肢体加压导联)
V1-V6导联(胸前导联)
14.心脏各部分电激动与心电图在时间上是对应相关的。
心电图各波形分别对应哪些部位的去极化和复极化过程。
心房电激动与P波对应,心室电激动与QRS波群对应,心室复极化与T波对应等。
①P波,由心房的激动所产生,代表左、右心房去极化过程。
前一半主要由右心房所产生,后一半主要由左心房所产生。
正常P波的宽度不超过0.11s,肢体导联最高电压不超过0.25mV。
②QRS波群,也称QRS综合波。
包括三个紧捞相连的电位波动,在不同的导联中,这三个波不一定都出现。
各波波幅在不同导联中变化较大。
QRS综合波反映左、右心室去极化过程的电位变化,称QRS综合波的宽度为QRS时限,它代表全部心室肌激动过程所需要的时间,在0.06~0.10s之间,正常人最高不超过0.10s。
R波幅度在0.5~2.5mV之间不等。
③T波,代表心室复极化过程中的电位变化。
在R波为主的心电图上,T波不应低于R波的1/10。
T波历时0.05~0.25s。
波的方向与QRS波群的主波方向相同。
T波异常可见于冠心病、电解质紊乱、心室肥大等。
④U波,又称后电位,是位于T波之后0.02~0.04s出现的一个小波,方向多与T波一致。
电压低,肢体导联一般<0.05mV,胸前导联可达0.2~0.3mV左右。
U波明显增高可见于血钾过低。
U波倒置或负正双向,常见于高血压或冠心病。
15.脑电波的分类,各类型的波形有何特点
Øα波:
可在头颅枕部检测到,频率为8~13Hz,振幅为20~100μV,它是脑电波中最明显的波;整个皮层均可产生。
正常人在清醒、安静、闭目时,α波即可出现,波幅由小到大、再由大到小规律性变化,呈棱状图形。
一般认为,α波是大脑皮层处于清醒安静状态时电活动的主要表现。
Øβ波:
在额部和颞部最为明显,频率为14~30Hz:
,振幅为5~20μV,是一种快波。
当被试者睁眼视物、进行思考活动时,β波即可出现。
一般认为,β波是大脑皮层处在紧张激动状态时电活动的主要表现。
Øθ波:
频率为4~7Hz:
,振幅为10~50μV。
它是在困倦时,中枢神经系统处于抑制状态时所记录的波形。
Øδ波:
频率为0.5~3Hz,振幅为20~200μV。
正常成人在清醒状态下,几乎是没有δ波的,但在睡眠、深度麻醉、缺氧或大脑有器质性病变时可出现。
一般认为,高幅度的慢波(δ或θ波)可能是大脑皮层处于抑制状态时电活动的主要表现。
16.脑电图的导联方式有哪两种?
各有何优缺点?
Ø单极导联是把头皮电极作为探查电极,把同侧的耳垂作为参考电极。
优点是:
能记录活动电极下脑电位变化的绝对值,其波幅较高且较稳定,异常波较局限,这有利于病灶的定位。
缺点是:
参考电极不能保持零电位,易混进其他生物电干扰。
例如,当振幅大的异常波出现于颞部时,耳垂电极由于靠近颞部而受其电场的影响,这样有可能记录到与颞部电位数值相近的异常电位。
Ø双极导联不使用参考电极,只使用头皮上的两个活动电极。
优点:
这样记录下来的是两个电极部位脑电变化的差值,因此可以大大减小干扰,并可排除参考电极引起的误差。
缺点:
双极导联不适合测量电极间距离很小(例如,在3cm以内)的情况,因为距离小使记录的波幅较低,将来自较大范围的脑电位视为共模干扰信号,结果电位差值互相抵消。
所以两电极的距离应在3~6cm
17.运动单位电位和不同程度肌肉收缩时的肌电图
运动单位就是用来表示肌肉基本功能的单位,由一个运动神经元和由它所支配的肌纤维
构成。
一个运动单位所包括的肌纤维数目有多有少,一般有10~1000根。
运动单位为肌
肉活动的最小单位,实际看到的肌肉收缩,是众多个运动单位共同参加活动的结果。
正
常肌肉在轻微主动收缩时,出现的动作电位称为运动单位电位。
正常运动单位电位有以
下特征:
(1)波形位相图:
分段正常肌肉的动作电位,用单极同心针电极引导,由离开基线偏转的位相来决定,根据偏转次数的多少分为单相、双相、三相、四相或多相电位
(2)时程(时限):
时程指运动单位电位从离开基线的偏转起,到返回基线所经历的时间。
运动单位电位时程变动范围较大,一般在3~15ms范围。
运动单位时限的测量(3)电压:
正常肌肉运动单位电压是肌纤维兴奋时动作电位的综合电位,是正、负波最高偏转点的差,一般为100~2000μV,最高电压不超过5mV.
(1)
(2)
(3)
正常骨骼肌做轻度、中度或最大用力收缩时,参加活动的运动单位增多,可出现如下肌电波形。
(1)单纯相:
轻度用力收缩时,只出现几个运动单位电位相互分离的波形
(2)混合相:
骨骼肌做中度用力收缩时,多个运动单位持续活动,肌纤维放电频率增加,有些较密集难以分出单个运动单位电位,有些部位较稀疏可以分出单个运动单位电位,称混合相。
(3)干扰相:
骨骼肌做最大收缩时,参加活动的运动单位增加,几乎全部运动单位皆参加了活动,可产生节律的、反复发生的动作电位,呈密集相互干扰的波形,称干扰相。
干扰相振幅一般在2-5mV,此时波形及时程难以分析。
现代肌电图机,对干扰相给出每秒翻转次数和平均电压两个参数。
(1)
(2)
(3)
18.运动神经传导速度(MCV)及其测定;感觉神经传导速度(SCV)
运动神经传导速度是研究神经在传递冲动过程中的生物电活动。
利用一定强度和形态(矩形)的脉冲电刺激神经干,在该神经支配的肌肉上,用同心针电极或皮肤电极记录所诱发的动作电位(M波),然后根据刺激点与记录电极之间的距离,发生肌肉收缩反应与脉冲刺激后间隔的潜伏时间来推算在该段距离内运动神经的传导速度。
这是一个比较客观的定量检查神经功能的方法。
神经冲动按一定方向传导,感觉神经将兴奋冲动传向中枢,即向心传导、而运动神经则将兴奋传向远端肌肉,即离心传导。
某运动神经把在近端受刺激的冲动传向远端,使受控肌肉产生诱发电位所需的时间称为潜伏期,以毫秒ms表示。
分别在某一运动神经的两个部位施加刺激,在同一肌肉引出诱发电位,可得两个潜伏期数值,这两值之差叫做两刺激点之间的神经传导时间,以毫秒表示。
图所示为正中神经肘腕节的运动神经传导速度测定图,其中T1代表刺激A点时的潜伏期,T2代表刺激B点时的潜伏期,BA段正中神经的传导时间为T2-T1。
测量A、B两刺激点之间距离L,以毫米表示。
该运动神经传导速度(MCV)
周围神经病变的早期,病人一般只有感觉的障碍,而没有运动的障碍和肌肉萎缩的现象。
所以这时测定感觉神经传导速度便具有重要诊断意义。
测定感觉神经传导速度有两种方
法:
顺行法和逆行法或称正流法和反流法。
(1)正流法:
将指环状电极套在食指上作为刺激电极,并在神经干一点或两点上记录神经的激发电位,如图所示。
用此法测得的感觉神经的电位比较小。
一般不易测得,常需用叠加法才能得到,同运动神经传导速度一样,根据潜伏期,刺激点和采样点之间距离可以算出感觉神经传导速度。
(2)反流法:
电极安放同正流法,但以神经干上的两对电极作为刺激电极,而以食指或小指上的环状电极作为记录电极。
用此法测得的感觉神经的电位较高,一般容易得到。
最后要说明的是,测定运动神经传导速度时,记录的是肌肉活动电位。
测定感觉神经传导速度时,记录的是神经活动电位。
两者相比,神经活动电位比肌肉活动电位小得多,直接引入放大器进行测定比较困难,一般采用叠加方法来测定。
生物电电极
机体的各种生物电(心电、脑电、肌电、神经元放电等)
19.
电学参量
生物医学传感器根据主要特点分为哪几类。
电阻式传感器
按工作原理
电容式传感器
利用化学反应原理,把化学成分、浓度转换成电信号
物理传感器
利用材料的物理变化
生理参数
电感式传感器
压阻(效应)传感器
非电学参量
压电(效应)传感器
化学传感器
光电(效应)传感器
霍尔(效应)传感器
生物传感器
利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质
20.医用电极按工作性质可分为哪两类。
医用电极按工作性质可分为检测电极和刺激电极两大类。
检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。
需用电极把这个部位的电位引导到电位测量仪器上进行测量,这种电极称为检测电极。
剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的电极。
剌激电极是个执行元件。
21.什么是电极电位,电极的极化和极化电位又是什么。
电极通常由经过一定处理的金属板或金属丝、金属网等。
用电极引导生物电信号时,与电极直接接触的是电解质溶液,如导电膏、人体汗液或组织液(针电极插入皮下时)。
因而形成一个金属-电解质溶液界面。
由电化学知识可知,当金属放入含有该金属离子的电解质溶液中,在金属和溶液的界面发生化学反应产生电极电位。
电极的极化是指电极与电解质溶液的双电层界面在有电流通过时,电极-电解质溶液界面电位从原有平衡电位变化为新电极电位,该极化电位与通过电流密度有关。
(将有电流通过的电极电位与无电流的平衡电极电位的偏离现象称为极化现象。
两个电位的偏差采用极化电压或超电压描述。
)有电流流经一对电极时,电极出现极化现象并产生极化电压。
22.制作Ag/AgCl电极的方法。
Ø电解法制作Ag/AgCl电极
由反应式可知,要镀AgC1层的银电极作为阳极
Ag+Cl-AgCl+e
表面积较大的银板作为阴极,供给镀银。
AgCl+eAg+Cl
1.5V电池作为电源,串联电阻R用以限制峰值电流。
电流表I用来观察电流以便控制电极反应速度。
电流密度约以5mA/cm2为宜。
Ø烧结法制作Ag/AgCl电极:
将净化的纯银丝放在模具内,再填满银和氯化银粉末的混合物,用扳压机加压,压成圆柱体,然后再从模具中取出,在400℃的温度下烘几个小时,便制成一个银导线四周包围着烧结的Ag和AgCl圆柱体的Ag/AgCl电极.这种方法制作的Ag/AgCl电极不怕磨损,便于保存,成本低
23.传感器静态特性表征的重要指标
静态特性——当传感器输入、输出不随时间而变化时,其输出-输入特性。
指标:
灵敏度——传感器输出量的变化和输入量的变化之比。
线性度(非线性误差)----线性度是测量装置的输出和输入是否保持理想比例关系的一种度量。
回程误差(迟滞性)-----是在正反行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度。
重复性----在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度。
精度----可靠程度
24.电阻应变效应。
电阻应变效应:
拉伸金属导体产生应变,在拉伸比例极限内,金属导体电阻相对变化率与轴向应变成正比,即dR/R=k0*ε(R:
无应变电阻值;dR:
产生应变时电阻变化量;ε:
轴向应变(ε=dL/L);k0:
金属材料的灵敏系数)
25.电阻式传感器按材料不同分为两大类:
金属电阻应变式传感器,半导体压阻传感器。
金属材料和半导体材料的灵敏系数k0受哪两个因素影响,占主导地位的分别是哪个因素(尺寸效应,压阻效应)?
灵敏系数k0(线材):
设纵向变化的相对变化量叫纵向应变,=dL/L
横向变化的相对变化量叫横向应变1,1=dr/r(r为半径)
弹性材料横向应变与纵向应变之比为一个常数(泊松比),有:
=-1/
如果受拉,则L变长,截面积A(A=πr2)变小:
dr/r=-;dA/A=-2
有:
dR/R=+2+d/或:
dR/R=(1+2)dL/L+d/
dR/R=(1+2)dL/L+d/式中第一项是因形变直接引起的电阻相对变化量,常称其为尺寸效应;第二项是因应变使电阻率变化而引起的电阻相对变化量,常称其为压阻效应
Ø将=dL/L带入式,有dR/R={(1+2)+(d/)/}*
得出金属材料的灵敏系数k0:
k0=(1+2)+(d/)/
灵敏系数为单位应变所引起的电阻相对变化率,它受两个因素影响:
1.是受力后材料几何尺寸变化所引起,即(1+2)项;(尺寸效应占主导地位)
2.是受力后材料电阻率变化所引起的,即(d/)/项。
((d/)/接近于0)
Ø半导体压阻传感器--材料本身的电阻率变化---(压阻效应占主导地位)kS为半导体应变片的灵敏系数,它等于半导体应变片的压阻效应(πE)。
用半导体应变元件制成传感器可以获得高灵敏度、低机械滞后、体积小等优点。
其缺点是温度系数较大,非线性比较大等。
26.电阻应变片的结构种类。
应变片的灵敏系数与金属材料的灵敏系数哪个更大,为什么?
结构种类:
丝式应变计;短接式应变计;箔式应变计。
电阻式传感器按材料不同分为两大类:
金属电阻应变式传感器;半导体压阻传感器。
半导体应变片的应变灵敏系数要比金属应变片大几十倍至一百多倍。
(半导体应变片的灵敏系数可从50到200,而一般的金属应变片的灵敏系数只有1~4。
)半导体晶片压阻效应的方向性很强。
半导体材料的压阻效应πE远大于(1+2μ),而且(d/)/接近于0
27.应变片电阻随温度变化必造成误差,称这种误差为应变片的温度误差。
在测量中应进行温度补偿。
补偿的方法有哪两种?
Ø
同步补偿:
把受力的应变片贴在受力件上,把补偿片贴在不受力但环境温度相同的材料上,然后接入电桥线路相邻的桥臂上,因而相互补偿。
电桥输出将只反映应变的大小,而与温度无关。
Ø
差动补偿:
将工作应变片贴在上表面,把补偿片贴在对应的下表面上,弯曲时,工作应变片电阻值减小,补偿片电阻值增大,两个电阻接在电桥的相邻两臂。
其结果:
使电桥的输出增加一倍,提高了输出灵敏度,上下温度一致,补偿了环境温度造成的误差。
Ø
28.电阻应变片传感器的测量电路(电桥原理,计算,非线性误差
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- 生物医学 传感器 复习 大纲