傳感器與自動檢測技術（第二版）環(huán)境量檢測與生物傳感器

環(huán)境量檢測與生物傳感器本章學習的主要內(nèi)容：8.1氣敏傳感器8.2濕度傳感器8.3生物傳感器8.1氣敏傳感器

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，氣體成分或含量對空氣質(zhì)量、環(huán)境、安全等具有相當重要的作用。

氣敏傳感器就是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，它將氣體種類及其與濃度有關的信息轉換成電信號，根據(jù)這些電信號的強弱便可獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。家庭用煤氣報警器8.1.1氣敏傳感器的類型與特性1.氣敏傳感器的類型類型原理檢測對象特點半導體方式若氣體接觸到加熱的金屬氧化物（SnO2、Fe2O3、ZnO2）），電阻值就增大或減小還原性氣體、城排放氣體、丙烷等靈敏度高、構造與電路簡單，但輸出與氣體濃度不成比例接觸燃燒方式可燃性氣體接觸到氧氣就會燃燒,，使得作為氣敏材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應增大燃燒氣體輸出與氣體濃度成比例，但靈敏度較低化學反應式

化學溶劑與氣體反應產(chǎn)生電流、顏色變化、電導率的增加等CO、H2、CH4、C2H5OH、SO2等氣體選擇性好．但不能重復使用

光干涉式利用與空氣的折射率不同而產(chǎn)生的干涉帶與空氣折射率不同的氣體CO2等壽命長，但選擇性差熱傳導方式

根據(jù)熱傳導率差而放熱的發(fā)熱元件的溫度降低進行檢測與空氣熱傳導率不同的氣體H2等構造簡單，但靈敏度低，選擇性差

紅外線吸收散射方式根據(jù)紅外線照射時氣體分子諧振而吸收或散射的量來檢測CO、CO2、NO2能定性測量，但裝置大，價格貴2.氣敏傳感器的特性（1）初期穩(wěn)定特性；（2）響應復歸特性；（3）靈敏度；（4）選擇性；（5）時效性和互換性；（6）環(huán)境依賴性。8.1.2氣敏傳感器的工作原理1.半導體氣敏傳感器

半導體氣敏傳感器由塑料底座、電極引線、氣敏元件（燒結體）、防爆用的雙層不銹鋼網(wǎng)以及包裹在燒結體中的兩組銅絲組成。其中一組銅絲為工作電極，另一組為加熱電極。MQN型氣敏傳感器結構及測量電路1－引腳2－塑料底座3－燒結體4－不銹鋼網(wǎng)罩5－加熱電極6－工作電極7－加熱回路電源8－測量回路電源加熱、工作回路工作回路基本測量轉換電路

氣敏傳感器工作時必須加熱，其目的是：加速被測氣體的吸附、脫出過程；燒去氣敏元件上的污垢，起清潔作用；控制不同的加熱溫度能對不同的被測氣體起選擇作用。一般在200℃～400℃溫度下，氣敏傳感器有較高靈敏度。

元件加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，其表面遇到可燃性氣體發(fā)生吸附，電阻明顯減小，電阻的減小程度與可燃性氣體的濃度成正比。半導體氣敏傳感器是以被測氣體和半導體表面或氣體間的可逆反應為基礎，能夠反復使用。氣敏電阻工作原理動畫演示萬用表測量顯示的是什么物理量？如何接線？半導體氣敏傳感器的材料主要有SnO2系列、ZnO2及Fe2O3系列，添加不同的物質(zhì)，能夠檢測不同成分的氣體。這類氣敏傳感器主要用于檢測低濃度的可燃性氣體和毒性氣體，如一氧化碳、硫化氫、乙醇、天然氣、液化氣、煤氣等，其測量范圍為10-3

～10-6數(shù)量級。氣敏傳感器在空氣中為恒定的電阻值。在還原性氣體中，電阻值減??；在氧化性氣體中，則電阻值增大。根據(jù)電阻值的變化檢測出氣體的濃度。2.固體電解質(zhì)氣敏傳感器(a)電化學固體電解質(zhì)型CO傳感器固體電解質(zhì)型傳感器主要以無機鹽類（如ZrO2、Y2O3、KAg4I5、K2CO3及LaF3等）為固體電解質(zhì)，加上陰、陽極材料組合而成。純固體電解質(zhì)可以傳導離子，但卻無法傳導電子，且在室溫下電導率極低，因此需要高溫工作環(huán)境，一般采用內(nèi)設加熱器來實現(xiàn)。2.固體電解質(zhì)氣敏傳感器(b)電化學固態(tài)高分子電解質(zhì)型CO傳感器

這種傳感器的感測原理與固體電解質(zhì)型相類似，但是以高分子中的官能基來傳導離子，可在室溫下工作。一般所使用的固態(tài)高分子電解質(zhì)有Nafion、PEO、DowSulfonicacid、DowCarboxylic-acid等。2.固體電解質(zhì)氣敏傳感器這類CO傳感器可分為電位式與電流式兩種，目前研究重點以電流式為主。由于加工性好，與其他技術兼容性好，且可常溫工作等，該類傳感器是目前受關注研究的重點之一。(b)電化學固態(tài)高分子電解質(zhì)型CO傳感器

NH3傳感器甲烷傳感器酒精傳感器其他還原性氣體傳感器手持數(shù)字酒精測試儀呼氣管家庭用液化

氣報警器一氧化碳檢測儀8.1.3氣敏傳感器的應用技術1.氣敏傳感器的檢測電路

半導體氣敏傳感器采用加熱器對氣敏元件進行加熱，加熱器的加熱溫度對氣敏傳感器的特性有很大影響。為此，加熱器的電壓恒定是非常重要的，例如，AF30L/38L半導體氣敏傳感器，加熱器的電壓在5±0.2V的范圍內(nèi)使用應該不會有問題。另外，氣敏元件的消耗功率不能超過額定值，否則會損壞氣敏元件，對于AF30L/38L氣半導體敏傳感器，氣敏元件消耗的功率不能超過15mW。(a)輸出電壓獲取方式(b)簡單的氣體檢測電路氣敏傳感器的檢測電路基準電壓氣敏元件的阻值降低時輸出電壓升高比較器RS與氣敏元件串聯(lián)2．氣敏傳感器的溫度補償電路簡單的溫度補償電路負溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度和濕度低時電阻值較大輸出電壓減小溫度降低，基準電壓減小3．防止氣敏傳感器誤動作的電路防止誤動作的電路加電后氣敏傳感器的阻值從低到高逐漸趨于穩(wěn)定加電后電源給C1充電，A點電位上升加電后，經(jīng)一段延時VT1、VT2才導通，此前繼電器K不會動作A8.1.4氣敏傳感器的選擇

氣敏傳感器的類型較多，其性能差異也大，在實際應用時，宜根據(jù)具體的使用場合、條件和要求進行合理選擇，做到既經(jīng)濟合理、又安全可靠。目前，對于氣體成份濃度的測量都采用一體式儀器完成，這類儀器就是將氣敏傳感器、測量電路、顯示器、報警器、電源（充電電池）、抽氣泵等組裝成一個整體，成為一體式儀器。對某一種氣敏傳感器的選擇實際上就是對某一種氣體檢測儀的選擇。選擇時把握以下幾點：1．確認所要檢測氣體的種類和濃度范圍2．確定使用場合3．選擇儀器型號8.1.5氣敏傳感器的應用實例1．自動換氣扇控制電路自動換氣扇的電路2．便攜式酒精探測電路便攜式酒精探測器電路3．家用可燃氣體濃度檢測報警電路家用可燃氣體濃度檢測報警電路8.2濕度傳感器

隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術的發(fā)展及生活條件的提高，濕度的檢測與控制成為生產(chǎn)和生活中必不可少的手段。8.2.1濕度的定義及濕度傳感器的特性

濕度是指物質(zhì)中所含水蒸氣的量，目前的濕度傳感器多數(shù)是測量空氣中的水蒸氣含量。通常用絕對濕度、相對濕度和露點（或露點溫度）來表示。1.絕對濕度指單位體積的空氣中水蒸氣的質(zhì)量，其表達式為：待測空氣中的水汽質(zhì)量；V：待測空氣的總體積。2．相對濕度為待測空氣中水汽分壓與相同溫度下水的飽和水汽壓的比值的百分數(shù)?？諝庵泻械乃a(chǎn)生的壓強，叫水汽壓在一定的溫度下，如果水汽壓增大到某一個極限值，空氣中水汽就達到飽和，若超過這個極限值，將有一部分水汽凝結成液體水，這個極限值稱為該溫度下的飽和水汽壓，即水汽達到飽和時的水汽壓強。2．相對濕度為待測空氣中水汽分壓與相同溫度下水的飽和水汽壓的比值的百分數(shù)。高溫時，飽和水汽壓大，空氣中能容納的水汽含量增多；若降低飽和空氣的溫度，由于飽和水汽壓減小，就會有多余的水汽凝結出來。2．相對濕度為待測空氣中水汽分壓與相同溫度下水的飽和水汽壓的比值的百分數(shù)。：待測空氣的水汽分壓；：待測空氣溫度相同時水的飽和水汽壓。相對濕度是日常生活中常用來表示濕度大小的方法。當相對濕度達到100%時，稱為飽和狀態(tài)這是一個無量綱量，常表示為%RH，其表達式為表示空氣距離飽和的相對程度3．露點

在一定大氣壓下，將含水蒸氣的空氣冷卻，當降到某溫度時，空氣中的水蒸氣達到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結成露珠，這種現(xiàn)象稱為結露，此時的溫度稱為露點或露點溫度。如果這一特定溫度低于0℃，水汽將凝結成霜，此時稱其為霜點。通常對兩者不予區(qū)分，統(tǒng)稱為露點，其單位為℃。當空氣中水汽達到飽和時，氣溫與露點溫度相同；當水汽未達到飽和時，氣溫一定高于露點溫度。露點與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。

濕敏元件是指對環(huán)境濕度具有響應或將濕度轉換成相應可測信號的元件。濕度傳感器是由濕敏元件及轉換電路組成的，具有把環(huán)境濕度轉變?yōu)殡娦盘柕哪芰ΑC械式、電子式溫濕度計對比降低溫度會產(chǎn)生結露現(xiàn)象測量露點的儀器露點傳感器4．濕度傳感器的主要特性（1）感濕特性：濕度傳感器的特征量（如電阻、電容、頻率等）隨濕度變化的關系，常用感濕特征量和相對濕度的關系曲線來表示。（2）濕度量程：表示濕度傳感器技術規(guī)范規(guī)定的感濕范圍。全量程濕度為（0～100）%RH。（3）靈敏度：濕度傳感器的感濕特征量（如電阻、電容等）隨環(huán)境濕度變化的程度，也是該傳感器感濕特性曲線的斜率。由于大多數(shù)濕度傳感器的感濕特性曲線是非線性的，因此常用不同環(huán)境下的感濕特征量之比來表示其靈敏度的大小。（4）濕滯特性：濕度傳感器在吸濕過程和脫濕過程中吸濕與脫濕曲線不重合，而是一個環(huán)形回線，這一特性就是濕滯特性。（5）響應時間：在一定環(huán)境溫度下，當相對濕度發(fā)生躍變時，濕度傳感器的感濕特征量達到穩(wěn)定變化量的規(guī)定比例所需的時間。一般以相應的起始濕度和終止?jié)穸冗@一變化區(qū)間90％的相對濕度變化所需的時間來計算。（6）感濕溫度系數(shù)：當環(huán)境濕度恒定時，溫度每變化1℃所引起的濕度傳感器感濕特征量的變化量。（7）老化特性：濕度傳感器在一定溫度、濕度氣氛下存放一定時間后，其感濕特性將發(fā)生變化的特性。8.2.2濕度傳感器的工作原理按輸出的電學量電阻型電容型頻率型按探測功能絕對濕度型相對濕度型結露型1.電阻式濕度傳感器

電阻式濕度傳感器根據(jù)使用濕敏材料的不同可分為高分子型和陶瓷型。(a)ZrO2濕度傳感器結構示意圖1－電極引線2－印制的ZrO2感濕層（厚為幾十微米）3－瓷襯底4－由多孔高分子膜制成的防塵過濾膜5－用絲網(wǎng)印刷法印制的Au硫狀電極ZrO2系厚膜型濕度傳感器的感濕層是用一種多孔ZrO2系厚膜材料制成的。濕敏電阻外形圖濕敏電阻工作過程：水分子極易吸附于感濕材料表面→滲透到感濕材料內(nèi)部→元件的電阻值降低在濕敏元件的吸濕和脫濕過程中，水分子分解出的離子H+的傳導狀態(tài)發(fā)生變化，從而使元件的電阻值隨濕度變化。100%20%40%60%80%RH(b)輸入-輸出特性根據(jù)檢測情況的不同，加熱裝置對濕敏元件進行加熱清洗，對于濕敏陶瓷在500℃以上進行幾秒鐘的加熱，從而清除陶瓷的污染，使其重現(xiàn)原來的性能。陶瓷材料在溫度200℃以下時的電阻值受溫度影響比較小，當溫度在200℃以上時呈現(xiàn)普通的熱敏電阻特性。這樣加熱清洗的溫度控制可利用濕敏陶瓷在高溫時具有熱敏電阻特性進行自動控制。濕度檢測動畫演示2．電容式濕度傳感器

電容式濕度傳感器是利用了兩個電極間的電介質(zhì)隨濕度變化引起電容值變化的特性制造出來的。以高分子電容式濕度傳感器為例。在絕緣襯底上制作一對平板金（Au）電極，然后在上面涂敷一層均勻的高分子感濕膜做電介質(zhì)，在表層以鍍膜的方法制作多孔浮置電極（Au膜電極），形成串聯(lián)電容。電容式濕度傳感器1—微晶玻璃襯底2—下電極3—敏感膜4—多孔浮置電極5—引線3．結露傳感器結露傳感器是利用了摻入炭粉的有機高分子材料吸濕后的膨潤現(xiàn)象。在高濕度下，高分子材料的膨脹引起其中所含炭粉間距變化而產(chǎn)生電阻突變。利用這種現(xiàn)象可制成具有開關特性的濕度傳感器。結露傳感器是一種特殊的濕度傳感器，它與一般濕度傳感器的不同之處在于它對低濕度不敏感，僅對高濕度敏感。故結露傳感器一般不用于測濕，而作為提供開關信號的結露信號器，用于自動控制或報警，如用于檢測磁帶錄像機、照相機結露及小汽車玻璃窗除露等。8.2.3濕度傳感器的應用技術1．濕敏電阻的濕度測量電路濕敏電阻的濕度測量電路VD1、R1～R3和濕敏電阻RH構成VT1的偏置電路，VD1有一定的溫度補償作用。2．濕敏電容的濕度測量電路濕敏電容的濕度測量電路振蕩器3．濕度傳感器的簡單溫度補償電路在濕度要求不太高的場合，可以使用簡單溫度補償濕度傳感器電路。簡單溫度補償電路濕敏電阻RH與PTC溫度補償熱敏電阻RT串聯(lián)，溫度升高時，濕敏電阻的靈敏度會下降，而熱敏電阻的電阻值會增大，該變化將抵消溫度對濕度傳感器所造成的影響。輸出電壓為8.2.4濕度傳感器的選擇1．選擇合適的測量范圍2．選擇測量精度3．考慮時漂和溫漂4．其他注意事項8.2.5濕度傳感器的應用實例1．房間濕度控制電路房間濕度控制電路2．盆花缺水指示器電路盆花缺水指示器電路3．汽車后玻璃自動去濕電路汽車后玻璃自動去濕電路8.3生物傳感器

生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學換能器有機結合的一門交叉學科，用以檢測和識別生物體內(nèi)的化學成分，是發(fā)展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。

生物傳感器的原理，如下圖所示。待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進入生物活性材料，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學反應，產(chǎn)生的信息繼而被相應的物理或化學換能器轉變成可定量和可處理的電信號，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度。8.3.1生物傳感器的分類1.按所用生物活性物質(zhì)分類酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器和細胞傳感器。2.按所用變換器器件分類半導體生物傳感器、光生物傳感器、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器和介體生物傳感器。3.其他分類方法微型生物傳感器、親和生物傳感器、多功能生物傳感器、復合生物傳感器。8.3.2常用的生物傳感器1.酶傳感器酶傳感器是問世最早、成熟度最高的一類生物傳感器。它是利用酶的催化作用，在常溫常壓下將糖類、醇類、有機酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后通過換能器將反應過程中化學物質(zhì)的變化轉變?yōu)殡娦盘栍涗浵聛?，進而推出相應的生物分子濃度。因此，酶傳感器是間接型傳感器，它不是直接測定待測物質(zhì)，而是通過對反應后有關物質(zhì)濃度的測定，來推斷被測物質(zhì)的濃度。分類：1）電流型酶傳感器將酶催化反應產(chǎn)生的物質(zhì)，通過電極反應產(chǎn)生電流，作為測量信號。在一定條件下，利用測得的電流信號與被測物活度或濃度的函數(shù)關系，來測定樣品中某一生物組成的活度或濃度。常用電極：氧電極、H2O2電極。2）電位型酶傳感器通過電化學傳感器，測量敏感膜電位，確定與催化反應有關的各種物質(zhì)濃度。電位型一般用NH3電極、CO2電極、H2電極，以離子作為檢測方式，表8-2給出了酶傳感器的種類。2.微生物傳感器

用微生物作為分子識別元件制成的傳感器稱為微生物傳感器。微生物傳感器與酶傳感器相比，有價格便宜、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，但其響應時間較長（數(shù)分鐘），選擇性較差。目前微生物傳感器已成功地應用于發(fā)酵工業(yè)和環(huán)境檢測中，例如測定江水及廢水污染程度，在醫(yī)學中可測量血清中微量氨基酸，有效地診斷尿毒癥和糖尿病等。

微生物本身就是具有生命活性的細胞，有各種生理機能，其主要機能是呼吸機能（O2的消耗）和新陳代謝機能（物質(zhì)的合成與分解），還有菌體內(nèi)的復合酶、能量再生系統(tǒng)等。因此在不損壞微生物機能情況下，可將微生物用固定化技術固定在載體上，就可制作出微生物敏感膜，而采用的載體一般是多孔醋酸纖維膜和膠原膜。微生物傳感器從工作原理上可分為兩種類型，即呼吸機能型和代謝機能型。O2O2底物鉑陰極固定化微生物O2

氧電極陽極a）呼吸機能型微生物傳感器結構燃料電池型電極CO2電極NH3電極pH電極H2CO2NH3

H+底物固定化微生物b）代謝機能型微生物傳感器結構3.免疫傳感器

利用抗體能識別抗原，并與抗原結合的生物傳感器稱為免疫傳感器。它利用固定化抗體（或抗原膜）與相應的抗原（或抗體）的特異反應，此反應的結果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化。免疫傳感器的基本原理是免疫反應。從生理學可知，抗原是能夠刺激動物機體產(chǎn)生免疫反應的物質(zhì)。但從廣義的生物學觀點看，凡是能夠引起免疫反應性能的物質(zhì)，都可稱為抗原?？乖袃煞N性能：刺激機體產(chǎn)生免疫應答反應；與相應免疫反應產(chǎn)物發(fā)生特異性結合反應?？乖坏┍涣馨颓蝽憫托纬煽贵w。而微生物病毒等也是抗原。抗體是由抗原刺激機體產(chǎn)生的具有特異免疫功能的球蛋白，又稱免疫球蛋白。

圖中，2、3兩室間有固定化抗原膜，1、3兩室間沒有固定化抗原膜。1、2室內(nèi)注入0.9%的生理鹽水，當3室內(nèi)導入食鹽水時，1、2室內(nèi)電極間無電位差。若3室內(nèi)注入含有抗體的鹽水時，由于抗體和固定化抗原膜上的抗原相結合，使膜表面吸附了特異的抗體，而抗體是有電荷的蛋白質(zhì)，從而使固定化抗原膜帶電狀態(tài)發(fā)生變化，于是1、2室內(nèi)的電極間有電位差產(chǎn)生。電位差信號放大可檢測超微量的抗體。免疫傳感器結構原理8.3.3生物傳感器的應用

生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、臨床醫(yī)學、軍事及軍事醫(yī)學等方面得到了深度重視和廣泛應用。1.在發(fā)酵工業(yè)中的應用在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、設備簡單、不受發(fā)酵液渾濁程度的限制、能消除發(fā)酵過程中干擾物質(zhì)的干擾等特點。因此，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料和代謝產(chǎn)物；另外，還用于微生物細胞數(shù)目的測定。利用這種電化學微生物細胞數(shù)傳感器可以實現(xiàn)菌體濃度的連續(xù)、在線測定。2.在環(huán)境監(jiān)測中的應用近年來，環(huán)境污染問題日益嚴重，生物傳感器即可用于環(huán)境監(jiān)測中。利用環(huán)境中的微生物細胞如細菌、酵母、真菌作為識別元件，這些微生物通常可從活性泥狀沉積物、河水、瓦礫和土壤中分離出來。生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中應用最多的是水質(zhì)分析。例如，在河流中放入特制的傳感器及其附件可進行現(xiàn)場檢測。

微生物傳感器是快速準確測定焦化、煉油、化工等企業(yè)廢水中酚的有效方法。這種方法以微生物膜電極為傳感器測酚。由極譜型氧電極和緊貼于其透氣薄膜表面的微生物膜構成。當酚物質(zhì)與氧一起擴散進入微生物膜時，由于微生物對酚的同化作用而耗氧，致使進入氧電極的氧分子速率下降，傳感器輸出電流減小，并在幾分鐘內(nèi)達到穩(wěn)定。在一定的酚濃度范圍內(nèi)，電流降低值ΔI與酚濃度呈線性關系，由此來測定酚的