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1、1,微波传感器,一、 微波概述,微波是波长为1 mm1 m的电磁波，可以细分为三个波段： 分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。微波具有下列特点： 定向辐射的装置容易制造； 遇到各种障碍物易于反射； 绕射能力差； 传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小； 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例， 水对微波的吸收作用最强。,2,二、微波传感器的原理和组成,1、微波传感器的测量原理及分类 微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生
2、变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。 根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。,3,（1）反射式微波传感器 反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。通常它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。 （2）遮断式微波传感器 遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、 含水量等参数的。,5,由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管（管长为10 cm以上，可用同轴电缆）传
3、输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常用的天线如图所示，其中有喇叭形天线（图（a） 、（b）、 抛物面天线（图（c）、（d）、 介质天线与隙缝天线等。,常用的微波天线 扇形喇叭天线; (b) 圆锥形喇叭天线; (c) 旋转抛物面天线; (d) 抛物柱面天线,6,（2）微波检测器 电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流-电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。与其它传感器相比， 敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。作为非线性的电子元件，在几兆赫以下的频率通常可用半导体PN结，而对于频率比较高的可使用肖特基结。在灵敏度特
4、性要求特别高的情况下可使用超导材料的约瑟夫逊结检测器、SIS检测器等超导隧道结元件，而在接近光的频率区域可使用由金属-氧化物-金属构成的隧道结元件。,7,3、微波传感器的特点 微波传感器作为一种新型的非接触传感器具有如下特点： 有极宽的频谱（波长=1.0 mm1.0m）可供选用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率； 在烟雾、 粉尘、 水汽、 化学气氛以及高、 低温环境中对检测信号的传播影响极小， 因此可以在恶劣环境下工作； 时间常数小， 反应速度快， 可以进行动态检测与实时处理， 便于自动控制；,8, 测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实
5、现遥测和遥控； 微波无显著辐射公害。 微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未得到很好的解决。其次，使用时外界环境因素影响较多，如温度、气压、取样位置等。 ,9,三、微波传感器的应用,1、微波液位传感器,微波液位计,10,2、微波湿度传感器 水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。 在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。 当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中得到能量（储能），又不断释放能量（放能），前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波衰减。,使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量， 就可以换算出物体的含水
6、量。,11,下图给出了测量酒精含水量的仪器框图，图中，MS产生的微波功率经分功率器分成两路，再经衰减器A1、A2分别注入到两个完全相同的转换器T1、T2中。其中，T1放置无水酒精， T2放置被测样品。相位与衰减测定仪（PT、AT）分别反复接通两电路（T1和T2）输出，自动记录与显示它们之间的相位差与衰减差， 从而确定样品酒精的含水量。,12,3、 微波测厚仪 微波测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物体金属表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。 微波测厚仪原理如图所示，在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。微波信号源发出的微波，经过环行器A、 上传输波导管传输到上终端器，
7、由上终端器发射到被测物体上表面上，微波在被测物体上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输导管、环行器A、下传输波导管传输到下终端器。由下终端器发射到被测物体下表面的微波，经全反射后又回到下终端器，再经过传输导管回到环行器A。因此被测物体的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切关系，当被测物体厚度增加时， 微波传输的行程长度便减小。,13,微波测厚仪原理图,14,一般情况下，微波传输的行程长度的变化非常微小。为了精确地测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法， 前面讨论的微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波的传输行程设置一个参考臂（图右部）。若测量臂与参考臂行程完全相同，则反相叠加的
8、微波经过检波器C检波后，输出为零。 若两臂行程长度不同，两路微波叠加后不能相互抵消，经检波器后便有不平衡信号输出。此不平衡差值信号经放大后控制可逆电机旋转，带动补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，直到两臂行程长度完全相同，放大器输出为零，可逆电机停止转动为止。,15,4、微波无损检测 微波无损检测是综合利用微波与物质的相互作用， 一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。,16,生物传感器,一、生物传感器的基本概念,生物传感器通常
9、是指由一种生物敏感部件和转化器紧密结合,对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。 它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方法,也是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的方法。,17,1、生物传感器工作原理,生物传感器的工作原理是待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。,18,（1） 将化学变化转变成电信号,例,酶催化特定物发生反应,从而使特定生成物的量有所增减.用能把这类物质的量的改变转
10、换为电信号的装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器。,（2） 将热变化转换成电信号,固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化。,19,（3）将光信号转变为电信号,例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢发光,因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端,再和光电流测定装置相连,即可测定过氧化氢含量。 还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光。也可以用这种方法测定底物浓度.,上述三原理的生物传感器共同点： 都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应,将反应后所产生的化学或物理变化再通过信号转换器转变为电信号进
11、行测量,这种方式统称为间接测量方式.,20,（4）直接产生电信号方式,这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。,21,二、生物传感器分类,1、 根据传感器输出信号的产生方式,可分为生物亲合型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器; 2、 根据生物传感器的信号转换器可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等 3、 根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感材料可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、基因传感器、细胞及细胞器传感器。,22,生物亲
12、合型传感器 被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为： S（底物）+ R（受体） = SR,23,代谢型传感器 底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为 S（底物）R（受体）= SR P（生成物）,24,生物传感器的分类,25,上面介绍的各种名称都是类别的名称，每一类又都包含许多种具体的生物传感器 例如，仅酶电极一类，根据所用酶的不同就有几十种，如葡
13、萄糖电极、尿素电极、尿酸电极、胆固醇电极、乳酸电极、丙酮酸电极等等 就是葡萄糖电极也并非只有一种，有用pH电极或碘离子电极作为转换器的电位型葡萄糖电极，有用氧电极或过氧化氢电极作为转换器的电流型葡萄糖电极等实际上还可再细分。,26,三、生物传感器组成部分,一是生物分子识别元件(感受器),是具有分子识别能力的生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等); 二是信号转换器(换能器),主要有电化学电极(如电位、电流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，当待测物与分子识别元件特异性结合后,所产生的复合物(或光、热等)通过信
14、号转换器变为可以输出的电信号、光信号等,从而达到分析检测的目的。,27,敏感器件（分子识别元件）,28,四、生物传感器优点,(1)根据生物反应的特异性和多样性,理论上可以制成测定所有生物物质的传感器,因而测定范围广泛 (2)一般不需进行样品的预处理,它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂,使测定过程简便迅速,容易实现自动分析 (3)体积小、响应快、样品用量少,可以实现连续在位检测,29,(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次使用 (5)准确度高,一般相对误差可达到1%以内 (6)可进行活体分析 (7)传感器连同测定仪的成本远低于大
15、型的分析仪,因而便于推广普及 (8)有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息,30,在食品分析的应用,五、应用,食品成分分析 食品添加剂的分析 农药和抗生素残留量分析 微生物和生物毒素的检验 食品鲜度的检测,31,在环境监测中的应用,水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量（BOD），传统方法测BOD需5天，且操作复杂。1977年Karube等首次报道了BOD微生物传感器，只需15分钟即能测出结果,连续使用寿命达17天； 废气或环境大气的监测 ：可用于测定空气中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量； 农药
16、和抗生素残留量的分析 ：用乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶为敏感材料制作的离子敏场效应晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药DDVP和伏杀磷等的测定,32,在生物医学上的应用,临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。 生物医药： 利用生物工程技术生产药物时，将生物传感器用于生化反应的监视，可以迅速地获取各种数据，有效地加强生物工程产品的质量管理。,33,在军事上的应用,现代战争往往是在核武器、化学武器、生物武器威胁下进行的战争。侦检、鉴定和检测是进行有效化学战和生物战防护的前提。由于具有高度特异性、灵敏性和能快速地探测化学战剂和生物战剂（包括病毒、细菌和毒素等）的特性，生物传感器将是最重要的一类化学战剂和生物战剂侦检器材。如烟碱乙酰胆碱受体生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器能在10s内侦检出10-9浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽杆菌、流感病毒等。,34,德国研发的环境废水BOD分析仪,35,手掌型葡萄糖(glucose)分析仪
