現(xiàn)代檢測技術(shù)-新型傳感器

1、現(xiàn)代檢測技術(shù)(jsh) 新型傳感器 共八十一頁共八十一頁Xian Jiaotong University共八十一頁共八十一頁共八十一頁Xian Jiaotong University共八十一頁Xian Jiaotong University共八十一頁Xian Jiaotong University共八十一頁Xian Jiaotong University共八十一頁Xian Jiaotong University共八十一頁Xian Jiaotong University共八十一頁Xian Jiaotong University共八十一頁Xian Jiaotong University共八十一頁X

2、ian Jiaotong University共八十一頁Xian Jiaotong University共八十一頁1紅外輻射(fsh)：紅光以外的光線，波長0.761000m。 波長(bchng)/m 任何溫度高于絕對零度（-273.16）的物體，都會發(fā)射或吸收紅外線，即紅外輻射。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，散發(fā)和吸收的輻射一樣多。物體紅外輻射的強(qiáng)度和波長分布取決于物體的溫度和輻射率等。紅外輻射傳感器 共八十一頁2紅外輻射(fsh)規(guī)律： 1）基爾霍夫定律：物體(wt)向外發(fā)射輻射能取決于它的吸收本領(lǐng)。ER 物體在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的輻射能；物體對輻射能的吸收系數(shù)；E0 常數(shù)，等價(jià)于黑體在相同溫度下

3、發(fā)射出的輻射能。紅外輻射傳感器 共八十一頁2）斯蒂芬玻爾茨曼(Stefan-Boltzmann)定律 ： 物體(wt)單位面積輻射功率、物體(wt)輻射強(qiáng)度 W 與其熱力學(xué)溫度 T 四次方成正比：（1）黑體=1，在任何溫度下能全部(qunb)吸收任何波長的輻射；（2）物體輻射強(qiáng)度隨溫度升高而明顯增強(qiáng)；（3）大氣對不同波長的紅外輻射有不同的穿透程度。紅外輻射傳感器 共八十一頁3）普朗克定律：絕對溫度為 T 時(shí)，在單位波長內(nèi)其單位面積沿半球方向所輻射的能量稱為光譜輻射通量密度。不同溫度時(shí)黑體(hit)光譜輻射通量密度與波長的關(guān)系為：紅外輻射(fsh)傳感器 共八十一頁a. 隨溫度(wnd)升高，峰

4、值輻射波長向短波方向移動，強(qiáng)度按指數(shù)增長；b. 溫度不太高時(shí)，輻射波長位于紅外區(qū)域；c. 峰值左側(cè)能量約占25，右側(cè)約占75。4）維恩位移(wiy)定律：光譜輻射通量密度峰值波長與物體自身的絕對溫度成反比。紅外輻射傳感器 共八十一頁 能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的裝置稱為(chn wi)紅外傳感器，按其工作原理可以分為光敏型（或稱光子型、量子型）和熱敏型兩類。 光敏型直接把紅外光能轉(zhuǎn)換為電能，其工作原理(yunl)是光電效應(yīng)。需要在低溫下工作、靈敏度很高，響應(yīng)速度快，但響應(yīng)紅外光的波長范圍較窄（圖中曲線2）。紅外傳感器光譜響應(yīng)曲線 紅外輻射傳感器 熱敏型將吸收的紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使器件自身的溫度發(fā)

5、生變化，包括熱電偶式、電阻式和熱釋電式等。熱敏型紅外傳感器響應(yīng)的紅外光譜范圍寬，（圖中的曲線1），能在常溫下工作，價(jià)格便宜。它的響應(yīng)速度和靈敏度較低。 共八十一頁 以紅外線為測量介質(zhì)的系統(tǒng)稱為紅外傳感系統(tǒng)，按照功能可以分成五類：（1）溫度計(jì)和輻射計(jì)，用于溫度、輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運(yùn)動進(jìn)行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像(t xin)；（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，由以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)組合而成。 紅外輻射(fsh)傳感器 共八十一頁（3）光學(xué)(gungxu)接收器：接收部分紅外輻射并傳輸

6、給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用的是物鏡。 （4）輻射調(diào)制器：將來自待測目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，并且可以濾除大面積的干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器。 （1）待側(cè)目標(biāo)：具有(jyu)紅外輻射特性。（2）大氣衰減：由于各種氣體分子以及溶膠粒的散射和吸收，使待測目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。 典型的紅外傳感系統(tǒng) 共八十一頁（5）紅外探測器：它是紅外傳感系統(tǒng)的核心，利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射，按照工作原理分為光敏探測器和熱敏探測器兩類。 （6）探測器制冷器：由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，探測器可以縮短響應(yīng)

7、時(shí)間，提高(t go)靈敏度。 （7）信號處理系統(tǒng)：將探測的信號進(jìn)行放大、濾波，并從中提取出有用的信息。然后將這些信息轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)母袷?，傳送到控制設(shè)備或者顯示器中。 （8）顯示設(shè)備：它是紅外傳感系統(tǒng)的終端設(shè)備，常用的有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。典型(dinxng)的紅外傳感系統(tǒng) 共八十一頁 濾光片采用允許在814m的紅外輻射能通過的材料，步進(jìn)電機(jī)帶動調(diào)制盤轉(zhuǎn)動，將被測的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線，透鏡焦點(diǎn)落在紅外光敏面上，被測目標(biāo)的紅外輻射通過透鏡聚焦(jjio)在紅外探測器上，并將紅外輻射變換為電信號。 例1：紅外測溫 （0-700）紅外輻射(fsh)傳感器 共八

8、十一頁例2：紅外測溫 （800以上(yshng)的高溫）假定人造黑體吸收(xshu)了由被測物輻射的全部能量，則有： 從而得到：紅外輻射傳感器 共八十一頁Xian Jiaotong University例3：紅外熱成像 紅外熱像儀將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光進(jìn)行顯示，利用物體自身的紅外輻射來攝取物體熱輻射圖像。它能通過快速掃描(somio)，精確的攝取反映被測物體溫差信息的熱圖像。紅外輻射(fsh)傳感器 共八十一頁Xian Jiaotong University熱像技術(shù)應(yīng)用：溫度分布檢測(jin c)、飛行器表面溫度檢測(jin c)、無損探測、安全生產(chǎn)監(jiān)控、夜間機(jī)場狀況檢測、海岸線檢測、臨床醫(yī)學(xué)

9、、軍事等。紅外輻射(fsh)傳感器 防爆型紅外熱像儀 用于探測地面和井下煤堆自燃溫度。 礦用本質(zhì)安全型紅外成像生命探測儀 用于井下人員搜救、探測隱性火區(qū)分布、探測瞎炮位置分布、采煤機(jī)組與液壓支架實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、探測井下各種開關(guān)、接頭、變壓器的事故隱患、各種電器及傳動設(shè)備的發(fā)熱狀態(tài)等。 共八十一頁紅外熱像儀應(yīng)用(yngyng) 貯存(zhcn)罐液位檢測內(nèi)部屋頂檢查 微觀電路檢測 塑料擠壓過程 溫度檢測 共八十一頁總線(zn xin)節(jié)點(diǎn)發(fā)熱檢測 耐火材料(nihucilio)設(shè)備檢測 電腦主板發(fā)熱量分布 瀝青鋪路溫度分布 紅外熱像儀應(yīng)用 共八十一頁 機(jī)械振動在介質(zhì)(jizh)中的傳播稱為聲波，人

10、耳可以聽到的聲波頻率范圍是1620kHz，超過20kHz的聲波稱為超聲波，如圖所示。超聲波傳感器 共八十一頁 聲敏傳感器是將在氣體、液體或固體介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電信號的器件或裝置。傳統(tǒng)的聲敏傳感器包括電阻(dinz)變換型、壓電式、電容式等，下面介紹超聲波傳感器和聲表面波（SAW）傳感器。3）表面波：質(zhì)點(diǎn)(zhdin)的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波。它只能在固體的表面?zhèn)鞑ァ?）縱波：質(zhì)點(diǎn)振動方向與傳播方向一致的波稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播。2）橫波：質(zhì)點(diǎn)振動方向與傳播方向相垂直的波稱為橫波。聲波的分類 共八十一頁 以非接觸

11、方式工作，特別(tbi)適用于防爆、放射性、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用，也更容易安裝和維護(hù)。 頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象(xinxing)??； 方向性好、能夠成為射線而定向傳播； 對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。 碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射式回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)； 傳播速度取決于媒質(zhì)，與超聲波頻率無關(guān)。超聲波的特點(diǎn) 共八十一頁 利用壓電材料制成，逆壓電效應(yīng)將電振動轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動產(chǎn)生(chnshng)超聲波，作為發(fā)射探頭；正壓電效應(yīng)將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號，作為接收探頭。 壓電式換能器是利用電致伸縮效應(yīng)(xioyng)制成的。通過在壓電材料上施加交

12、變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動而產(chǎn)生超聲波。常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷和鋯鈦酸鉛等。 壓電式超聲波探頭結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu) 共八十一頁 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。晶片的材料、大?。ㄈ缰睆胶秃穸龋└鞑幌嗤?，因此(ync)每個(gè)探頭的性能是不同的： （1）工作頻率：壓電晶片的共振頻率。當(dāng)交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （2）工作溫度：由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，工作溫度比較低，可以長時(shí)間地工作而不失效。當(dāng)超聲探頭的溫度比較高時(shí)，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。 （3）靈敏度：主要取決于制造晶片本

13、身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。 超聲波傳感器的性能指標(biāo) 共八十一頁超聲波壓電陶瓷(toc)片的形式 共八十一頁超聲波傳感器的形式(xngsh) 共八十一頁超聲波傳感器的應(yīng)用(yngyng) 各種場合的距離測量； 生產(chǎn)線上的工件計(jì)數(shù)； 接近開關(guān)； 倒車報(bào)警裝置； 機(jī)器人自動避障裝置； 超聲波液位/物位計(jì)； 自動門開關(guān)裝置； 液體、氣體的濃度(nngd)和流量檢測；超聲波清洗；超聲波霧化；探傷、測厚、測密度； 醫(yī)療器械、美容儀、按摩儀 共八十一頁超聲波傳感器的應(yīng)用(yngyng) 超聲波測物位 ：通過測量發(fā)射和接收信號之間的時(shí)間差測距離。包括液位測量、固體(gt)料位測量、固液分界

14、面測量以及液液分界面測量和液體有無測量等。 共八十一頁超聲波流量(liling)傳感器 超聲波傳感器的應(yīng)用(yngyng) 共八十一頁超聲波傳感器的應(yīng)用(yngyng) 共八十一頁超聲波傳感器的應(yīng)用(yngyng) 常用(chn yn)超聲波流量傳感器分類：時(shí)差法和多普勒效應(yīng)法；固定式和便攜式；條件傳播時(shí)間差法多普勒法適用液體水類(江河水，海水農(nóng)業(yè)用水等),油類（純凈燃油，潤滑油，食用油等），化學(xué)試劑，藥液等含雜質(zhì)多的水(下水，污水，農(nóng)業(yè)用水等)，漿類(泥漿，礦漿，紙漿化工料漿等)，油類(非凈燃油，重油，原油等)重復(fù)性誤差0.1%-0.3%1%傳輸電纜長度100-300m,在能保證信號質(zhì)量的前

15、提下,可以小于100m30m價(jià)格較高一般較低共八十一頁超聲波測厚 常用(chn yn)脈沖回波法。超聲波探頭與被測物體表面接觸，主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，脈沖波傳到被測工件的另一面被反射回來，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速v是已知的，設(shè)工件厚度為d，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔為t，則工件的厚度為：dvt/2超聲波傳感器的應(yīng)用(yngyng) 共八十一頁超聲波無損(w sn)探傷 超聲波探傷(tn shng)分為穿透法探傷和反射法探傷。 穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化狀況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單，適合探測薄板；探測靈敏度較低，不能精確定位；對兩探頭的

16、相對距離和位置要求較嚴(yán)格。 超聲波傳感器的應(yīng)用 共八十一頁 反射法是以超聲波在工件中反射情況的不同來探測缺陷的方法，具體又分為一次脈沖(michng)反射法和多次脈沖反射法。一次脈沖反射法是以一次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷的方法。多次脈沖反射法是以多次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷的方法。 超聲波傳感器的應(yīng)用(yngyng) 共八十一頁超聲波傳感器的應(yīng)用(yngyng) 超聲波測厚儀 超聲波探傷儀 超聲波探傷(tn shng) 共八十一頁 聲表面波簡稱SAW（Surface Acoustic Wave），是英國物理學(xué)家瑞利（Rayleigh）于19世紀(jì)末期在研究地震波的過程中發(fā)現(xiàn)的一種集中在地表面?zhèn)鞑サ穆暡?。任?/p>

17、固體表面都存在這種現(xiàn)象。某些外界因素（如溫度、壓力、加速度、磁場、電壓等）對SAW的傳播參數(shù)會造成影響，根據(jù)這些影響與外界因素之間的關(guān)系可以研制出測量各種物理、化學(xué)參數(shù)的SAW傳感器。SAW瑞利波 SAW是一種沿彈性體表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械波。瑞利波質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動是一種橢圓偏振。在各向同性固體中，它是由平行于傳播方向的縱振動和垂直于表面及傳播方向的橫振動合成的，兩者的相位差為90度。瑞利波的能量只集中在一個(gè)(y )波長深的表面層內(nèi)，頻率越高，能量集中的表面層越薄。SAW傳感器 共八十一頁 SAW傳感器是以SAW技術(shù)(jsh)、電路技術(shù)(jsh)、薄膜技術(shù)(jsh)相結(jié)合設(shè)計(jì)的器件，由SAW換能器、電子放大

18、器和SAW基片及其敏感區(qū)構(gòu)成，采用瑞利波進(jìn)行工作。SAW換能器 換能器（IDT）是用蒸發(fā)或?yàn)R射等方法在壓電基片表面淀積一層金屬膜，再用光刻方法形成(xngchng)的叉指狀薄膜，它是產(chǎn)生和接收聲表面波的裝置。 SAW傳感器 共八十一頁敏感基片采用石英、鈮酸鋰（LiNbO3）等壓電單晶材料制成。當(dāng)敏感基片受到物理、化學(xué)或機(jī)械量擾動作用時(shí)，其振蕩頻率會發(fā)生變化。通過適當(dāng)(shdng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論計(jì)算，能使它僅對某一被測量有響應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)換成頻率量。 SAW傳感器 當(dāng)電壓加到叉指電極上時(shí)，由于(yuy)壓電效應(yīng)，在表面產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的彈性形變。由IDT激勵(lì)的聲表面波沿基片表面?zhèn)鞑?。?dāng)基片或基片上覆

19、蓋的敏感材料薄膜受到被測量調(diào)制時(shí)，聲表面波的頻率將改變，并由接收叉指電極測得。共八十一頁SAW諧振器結(jié)構(gòu)是將一個(gè)或兩個(gè)叉指換能器（IDT）置于一對反射柵陣列組成(z chn)的腔體中構(gòu)成的。諧振器結(jié)構(gòu)采用一個(gè)IDT時(shí)稱為單端對諧振器，采用兩個(gè)IDT時(shí)稱為雙端對諧振器。反射柵陣列能夠?qū)⒁欢l率的入射波能量限制在由柵條組成的諧振腔內(nèi)。SAW傳感器的核心(hxn)是SAW振蕩器，有諧振器型（R型）和延遲線型（DL型）兩種。SAW傳感器 共八十一頁諧振器型SAW振蕩器由SAW諧振器和放大(fngd)電路組成。單端對諧振器的IDT既是發(fā)射端，也是接收端；雙端對諧振器中一個(gè)IDT作為發(fā)射端，另一個(gè)IDT作

20、為接收端。將SAW諧振器的輸出信號經(jīng)放大后，正反饋到輸入端，只要放大器的增益能夠補(bǔ)償諧振器及其導(dǎo)線的損耗，同時(shí)又滿足一定的相位條件，諧振器就可以起振并維持振蕩狀態(tài)。 SAW傳感器 共八十一頁當(dāng)在壓電基片上設(shè)置兩個(gè)IDT，一個(gè)為發(fā)射(fsh)IDT，另一個(gè)為接收IDT時(shí)，SAW在兩個(gè)IDT中心距之間產(chǎn)生時(shí)間延遲，稱為SAW延遲線。 延遲線型SAW振蕩器由聲表面波延遲線和放大電路組成(z chn)。輸入換能器T1激發(fā)出聲表面波，傳播到換能器T2轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大后反饋到T1以保持振蕩狀態(tài)。 SAW傳感器 共八十一頁（1）高精度，高靈敏度。SAW傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換為電信號頻率進(jìn)行測量，而頻率的測

21、量精度很高，有效檢測范圍線性好；對惡劣環(huán)境的抗干擾能力很強(qiáng)，適于遠(yuǎn)距離傳輸。 （2）數(shù)字化。SAW傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的頻率信號進(jìn)行傳輸、處理，易于與計(jì)算機(jī)接口，組成自適應(yīng)(shyng)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。（3）易批量生產(chǎn)。SAW傳感器的制作與集成電路技術(shù)兼容，極易集成化、智能化，結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定，重復(fù)性與可靠性好，適于批量生產(chǎn)。（4）體積小、質(zhì)量輕、功耗低，可獲得良好的熱性能和機(jī)械性能。SAW傳感器的特點(diǎn)(tdin) 共八十一頁 典型的SAW傳感器包括： 石英聲表面波裝置（ST-Quartz SAW Device） SAW裝置檢測片（SAW Device Detector Block） 振

22、幅測量系統(tǒng)（Amplitude Measurement System） 相位(xingwi)測量系統(tǒng)（Phase Measurement System） 頻率測量系統(tǒng)（Frequency Measurement System） 壓力監(jiān)測系統(tǒng)（Pressure Monitoring System） 溫度控制系統(tǒng)（Temperature Control System） 溫度壓力檢測儀（Temperatureand Pressure Test Apparatus） 數(shù)據(jù)采集軟件（Data Acquisition Software） SAW傳感器的組成(z chn) 共八十一頁1. SAW壓力(yl)

23、傳感器 SAW諧振式力學(xué)量傳感器包括(boku)壓力傳感器和加速度傳感器，SAW器件在基底壓電材料受到外界作用力時(shí)，諧振器的結(jié)構(gòu)尺寸、壓電材料的密度、彈性系數(shù)等發(fā)生變化，從而導(dǎo)致SAW的波長、頻率和傳播速度等發(fā)生變化。通過測量SAW傳感器的頻率變化可以得知壓力的大小。 SAW壓力傳感器由SAW振蕩器、敏感模片、基底等組成。SAW傳感器的應(yīng)用 共八十一頁 2. SAW氣體傳感器 SAW氣體傳感器是在SAW傳播路徑上和IDT區(qū)域淀積一層化學(xué)界面膜，當(dāng)界面膜吸附被測氣體后，引起SAW傳播頻率變化，可以通過測量SAW頻率的變化測量氣體濃度。已經(jīng)開發(fā)出來的SAW氣體傳感器有SO2、水蒸氣、丙酮、甲醇(j

24、i chn)、氫氣、H2S、NO2等傳感器。 SAW傳感器的應(yīng)用(yngyng) 化學(xué)戰(zhàn)劑檢測器以SAW化學(xué)傳感器對 化學(xué)毒劑進(jìn)行檢測。 共八十一頁3. 溫度傳感器 當(dāng)溫度變化時(shí)，SAW振蕩器的振蕩頻率會發(fā)生變化，從而可以(ky)制成SAW溫度傳感器。SAW溫度傳感器具有長期穩(wěn)定性，靈敏度很高，可測量出10-410-6的微小溫度變化。SAW溫度傳感器可以用于氣象測溫、糧倉測溫、火災(zāi)報(bào)警等。SAW傳感器的應(yīng)用(yngyng) /commIndustry2/content.asp?contentid=149117共八十一頁4. SAW無源(w yun)電子標(biāo)簽技術(shù)，射頻識別 SAW傳感器的應(yīng)用(y

25、ngyng) a，SAW標(biāo)簽由叉指換能器和若干反射器組成。b，閱讀器的天線周期地發(fā)送高頻詢問脈沖，電子標(biāo)簽天線將接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉(zhuǎn)換為聲表面波，并在晶體表面?zhèn)鞑?。c，反射器組將聲表面波反射回叉指換能器，重新轉(zhuǎn)換為高頻脈沖串后通過天線發(fā)送出去。d，如果反射器組按照某種特定的規(guī)律設(shè)計(jì)，則其反射信號中將含有該物體的特定編碼信息，通過解調(diào)達(dá)到自動識別的目的。共八十一頁SAW傳感器的應(yīng)用(yngyng) 信號處理 SAW標(biāo)簽 詢問脈沖 回波脈沖 詢問機(jī) SAW電子標(biāo)簽可廣泛應(yīng)用于物流管理、路橋收費(fèi)、公共交通、門禁(mnjn)控制、防偽、超市收費(fèi)和防盜、設(shè)備資產(chǎn)管理、郵包跟蹤、航空行李分揀等

26、領(lǐng)域。共八十一頁生物敏傳感器是含有生物敏感元件的器件，它們(t men)能對化學(xué)成分、特別是與生物相關(guān)聯(lián)的分子提供特殊而靈敏的響應(yīng)。生物敏傳感器的基本(jbn)結(jié)構(gòu) 外膜片允許目標(biāo)分析物滲透，但排除其它物質(zhì)的進(jìn)入； 生物元件通過生物化學(xué)反應(yīng)，將分析物轉(zhuǎn)換成不同的化學(xué)成分，釋放化學(xué)物質(zhì)或改變分析物的電特性、機(jī)械特性、光學(xué)特性等。生物敏傳感器 共八十一頁生物敏傳感器是分子生物學(xué)與微電子學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)等結(jié)合的產(chǎn)物。它采用固定化的細(xì)胞、酶、抗體、抗原、激素等生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器利用生物特有的生化反應(yīng)，有針對的對有機(jī)物進(jìn)行簡便而迅速的測定。它有良好的選擇性，噪聲低，操作簡單

27、，重復(fù)性好，能以電信號方式直接輸出，容易實(shí)現(xiàn)(shxin)檢測自動化。生物(shngw)敏傳感器 共八十一頁生物敏傳感器由分子識別元件（敏感基元）和與之結(jié)合的信號轉(zhuǎn)換(zhunhun)器件（換能器）兩部分組成。敏感基元是指對目標(biāo)物進(jìn)行選擇性作用的生物活性單元。它可以是生物體成分或生物體本身。敏感基元的主要功能是特異的識別各種被測物并與之反應(yīng)。換能器是指能捕捉敏感基元與目標(biāo)物之間的作用過程，并將其表達(dá)為物理信號的元件。常用的換能器有電化學(xué)電極、離子敏場效應(yīng)晶體管（ISFET）、熱敏電阻及微光管等。生物(shngw)敏傳感器的組成 共八十一頁 按所用分子識別元件的不同(b tn)可以分為酶傳感器、

28、微生物敏傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、免疫傳感器等； 按信號轉(zhuǎn)換元件不同可以分為電化學(xué)生物敏傳感器、半導(dǎo)體生物敏傳感器、測熱型生物敏傳感器、測光型生物敏傳感器、測聲型生物敏傳感器等； 按對輸出信號的不同測量方式又分為電位型生物敏傳感器、電流型生物敏傳感器和伏安型生物敏傳感器。 生物(shngw)敏傳感器的分類 共八十一頁1. 將化學(xué)變化(huxu binhu)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?以酶傳感器為例，酶能催化特定的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而使特定物質(zhì)的量有所增減。用能把這類物質(zhì)的量的改變轉(zhuǎn)換為電信號的裝置(zhungzh)與固定化酶相耦合，即組成酶傳感器。常用的信號轉(zhuǎn)換裝置(zhungzh)有氫離子電極、過氧化

29、氫電極以及其它離子選擇性電極、ISFET等 2. 將熱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?固定化的生物物質(zhì)在進(jìn)行分子識別時(shí)經(jīng)常伴隨有熱量變化，例如大多數(shù)酶反應(yīng)。借助熱敏電阻可以把反應(yīng)的熱轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓瓿蔁犭娹D(zhuǎn)換。生物敏傳感器的工作方式 共八十一頁3. 將光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?有些酶能催化產(chǎn)生(chnshng)化學(xué)發(fā)光，例如過氧化氫酶能催化過氧化氫產(chǎn)生(chnshng)化學(xué)發(fā)光。許多酶反應(yīng)都伴隨有過氧化氫產(chǎn)生(chnshng)，如果將過氧化氫酶同其它催化酶一起做成復(fù)合酶膜，再與光電流測定裝置相連，就可以通過測定光電信號來檢測所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。4. 直接產(chǎn)生電信號方式 分子識別(shbi)元件同待測物質(zhì)發(fā)生化學(xué)

30、反應(yīng)時(shí)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞氧化等電信號的變化可以直接或通過電子傳遞體的作用由電極導(dǎo)出。 生物敏傳感器的工作方式 共八十一頁場效應(yīng)晶體管生物敏傳感器由分子識別部分（感受器）和信號轉(zhuǎn)換部分（換能器，F(xiàn)ET）兩部分構(gòu)成。感受器部分主要指一種膜，生物敏感物質(zhì)附著其上或包含在膜中。待測物質(zhì)與敏感物質(zhì)接觸時(shí)，發(fā)生物理或化學(xué)變化(binhu)，這種變化(binhu)通過離子敏場效應(yīng)晶體管 （ ISFET ）轉(zhuǎn)換成電信號輸出。場效應(yīng)晶體管（FET） 共八十一頁酶場效應(yīng)晶體管由酶膜和ISFET構(gòu)成，ISFET多為對H+敏感的pHISFET 。把酶膜固定在柵極(shn j)絕緣膜（Si3N4-SiO2）上。

31、進(jìn)行測量時(shí)，由于酶的催化作用，使待測的有機(jī)分子反應(yīng)生成ISFET能夠響應(yīng)的離子。Si3N4表面離子濃度變化時(shí)，表面電荷將發(fā)生變化，場效應(yīng)晶體管柵極對表面電荷非常敏感，由此引起柵極的電位變化，從而對漏極電流(dinli)進(jìn)行調(diào)制。 酶場效應(yīng)晶體管 共八十一頁1. 葡萄糖FET 測定(cdng)葡萄糖的酶傳感器由對H+敏感的pHISFET和固定在柵極上的葡萄糖氧化酶膜構(gòu)成。 H+濃度變化，離子敏感膜的界面電位發(fā)生變化。根據(jù)ISFET的特性(txng)，當(dāng)其漏極電流、漏源電壓恒定時(shí)，柵極電壓的變化量正比于溶液中pH值的變化量。因此，采用恒壓電路可將柵壓的變化由記錄儀描繪下來。pH變化量又與葡萄糖含量

32、有關(guān)，所以該系統(tǒng)可以用于葡萄糖測定。 酶場效應(yīng)晶體管 共八十一頁2. 尿素酶FET 臨床檢查上，定量分析血清和體液中的尿素，對于腎功能衰竭(shuiji)患者的診斷是必不可少的。尿素在尿素酶的催化作用下，按下式分解：尿素尿素酶反應(yīng)時(shí)消耗溶液(rngy)中的H+，尿素酶FET的工作原理就是利用ISFET檢驗(yàn)?zāi)蛩啬蛩孛阜磻?yīng)時(shí)溶液中的pH值發(fā)生的變化。酶場效應(yīng)晶體管 共八十一頁生物敏傳感器的特點(diǎn)和應(yīng)用(yngyng)： 靈敏性、專一性、快速反應(yīng)、只需少量樣品等，可能代替生物鑒定和顯微分析，已用于物質(zhì)快速測量、食品和醫(yī)藥測試、環(huán)境檢測等。生物(shngw)敏傳感器 3. 青霉素FET 將青霉素酶涂覆在

33、H+ISFET柵上，就構(gòu)成了青霉素酶場效應(yīng)晶體管，可以用來測定青霉素的效價(jià)。青霉素水解為青霉菌酸（Penicilloic acid）放出H+，使電極表面的pH值下降，降低值與待測樣品中青霉素含量有關(guān)。這種青霉素FET檢測青霉素濃度的線性范圍為0.22.5m mol/L，響應(yīng)時(shí)間約為10s。 共八十一頁智能(zh nn)傳感器是微處理器和傳統(tǒng)傳感器相結(jié)合的產(chǎn)物，國際上稱為Intelligent Sensor 或Smart Sensor。它具有準(zhǔn)確度高、可靠性高等特點(diǎn)，并具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，能夠自檢、自校、自補(bǔ)償。主要由傳感器、微處理器及相關(guān)(xinggun)電路組成。智能傳感器 共八十一頁1

34、. 微處理器主板：由CPU、存儲器、串行通信接口、地址譯碼器、時(shí)鐘發(fā)生器、地址總線、控制總線等組成。其性能決定了傳感器的硬件(yn jin)電路、接口設(shè)計(jì)、模塊數(shù)目等。 2. 模擬量輸入模板傳感器輸出一般為毫伏數(shù)量級的模擬量，要滿足(mnz)A/D轉(zhuǎn)換電路的要求，必須經(jīng)過放大、濾波等處理，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)轿⑻幚砥髦靼迳?。智能傳感?硬件設(shè)計(jì) 共八十一頁 3. 標(biāo)準(zhǔn)總線模板：外總線通常分為并行和串行兩種。并行外總線以IEEE-488（或稱GP-IB總線，General Purpose Interface Bus）為代表，串行則為RS-232。采用標(biāo)準(zhǔn)總線模塊，能使智能傳感器在機(jī)械上、電氣上、功能上符合統(tǒng)一(tngy)的規(guī)范，便于將不同功能的儀器連接起來，組成各種自動測試系統(tǒng)。4. 接口模板：包括(boku)數(shù)字顯