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1、3.10 生物化学传感器,第三章、传感器原理及应用基础,化学传感器是指把气体或液体中的化学量转化为电量信号输出的器件。一般来说，化学传感器大致相当于动物的嗅觉、味觉器官。相应于嗅觉的是气体传感器，相应于味觉的是检测液体或溶液中成份的离子敏感传感器、生物传感器。比较起物理量如压力、温度、流量等的测量，对化学量的测量要困难得多。因为不仅需要有准确度、稳定性、灵敏度等方面的要求，而且还要求传感器具有选择性。化学传感器是由化学敏感层和物理转换器结合而成的，是能提供化学组成直接信息的传感器件。,3.10.1 离子选择性电极,离子选择性电极是一种将给定离子活度转换为电位信号的电化学传感器，实际上是一种电化
2、学装置。其变换原理是基于电极电位效应，即利用电极膜两边的电位因外界溶液离子的渗透作用而发生变化来实现化学量到电量的转换。,3.10 生物化学传感器,3.10 生物化学传感器,医院里用钾、钠、氯电极作为血液检验的工具。 地震观测站用氟电极监测井水中氟含量变化作为地震先兆之一。 气象站用银电极观察人工降雨效果。 公安部门用氟电极检验氟中毒情况。 酒厂用铅电极测定白酒中的铅。 药厂可用药物电极检验一大批药物的含量。 饮料厂用糖精电极检验饮料中的糖精等。,应用,3.10.2 气体传感器,3.10 生物化学传感器,气敏传感器就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种器件，它将气体种类及其与浓度有关的信息转换
3、成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。,接触燃烧式传感器 利用化学反应或红外线吸收与散射原理的传感器,分类,3.10 生物化学传感器,测量汽车尾气中氧含量的氧传感器,应用,3.10.3 生物传感器,3.10 生物化学传感器,生物传感器与其它传感器是检测对象中含生命物质。根据敏感物质不同,生物传感器分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。,3.10 生物化学传感器,1. 酶传感器,基本原理 利用酶的分子识别 和分子转化功能。,3.10 生物化学传
4、感器,产品,谷氨酸葡萄糖双功能分析仪 /味精行业,糖化酶生物传感分析仪,3.10 生物化学传感器,2. 微生物传感器,典型的微生物传感器即微生物电极，是酶电极的衍生型电极，其结构和工作原理类似酶电极。其差异主要由所采用的生物活性物质的性质决定。微生物电极按测量信号可分为电流型和电位型两大类。一般来说，电流型传感器较电位型传感器更为优越：它的输出信号直接和被测物浓度呈线性关系；其输出值的读数误差所对应的浓度相对误差较小；灵敏度高。,3.10 生物化学传感器,2. 产品,便携式农药残毒快速检测仪,3.10 生物化学传感器,3. 免疫传感器,酶和微生物传感器主要以低分子有机化合物作为测定对象。对高分
5、子有机化合物识别能力不佳。利用抗体对抗原的识别和结合功能，可构成对蛋白质、多糖类等高分子有高选择性的免疫传感器。 免疫传感器以免疫反应为基础，一般可分为非标记免疫传感器和标记免疫传感器。,非标记免疫传感器（也称直接免疫电极）不用任何标记物。其原理为：蛋白质分子（抗原或抗体）携带有大量电荷，当抗原、抗体结合时会产生若干电化学或电学变化，涉及参数包括：介电常数、电导率、膜电位、离子通透性、离子浓度等，检测其中一种参数的变化，即可测得免疫反应的发生。,3.10 生物化学传感器,标记免疫传感器（也称间接免疫传感器）以酶、红细胞、放射性同位素、稳定的游离基、金属、脂质体及唾菌体等为标记物。 其原理如下：
6、使一定量的标记抗原和等当量的抗体发生反应，抗原将全部与抗体结合而形成复合体；然后取与上述相同量的标记抗原和抗体，再加入被测非标记抗原。此时，由于标记抗原和非标记抗原与抗体发生竞争反应以形成复合体，使复合体中标记抗原量发生改变（减少或增加），据此可推断出抗原、抗体反应前存在的非标记抗原量（即被测对象）。,3.10 生物化学传感器,产品,时间分辨荧光免疫分析系统,2、环境监测,3.医学,应用领域,1、发酵工业(食品),3.10 生物化学传感器,血糖乳酸测定流程,体育上耐力训练,3.10 生物化学传感器,德国研发的环境废水BOD分析仪,3.10 生物化学传感器,手掌型葡萄糖(glucose)分析仪,
7、3.10 生物化学传感器,工厂发酵车间化验 员正在分析样品,发酵工厂谷氨酸-葡萄糖分析,3.10 生物化学传感器,3.10.4 生物化学传感器的发展前景,3.10 生物化学传感器,环境保护,基础医学,食物生产和储藏过程监控用的化学传感器研究,3.11.1 热电偶,1. 热电效应,将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,3.11 其他类型传感器,3.11 其他类型传感器,k玻耳兹曼常数， e电子电荷量， T接触处的温度 NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。,3.11 其他类型传感器,热电效应产生的热电势由接
8、触电势和温差电势两部分组成。,接触电势,3.11 其他类型传感器,热电效应产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。,温差电势,回路总电势,3.11 其他类型传感器,回路总电势,结论：,1)如果热电偶两电极的材料相同，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零。因此，热电偶必须用两种不同材料作热电极。,2)如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，闭合回路中不产生热电势。,热电偶测温基本定律,1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,2)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入
9、就不会影响热电偶回路的总热电动势。,3.11 其他类型传感器,3)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：,3.11 其他类型传感器,3.11 其他类型传感器,2.热电偶材料和结构,组成热电偶的两根热偶丝称为热电极。,合金热电极的热电性能和工艺性能介于两者之间，所以合金热电极用得较多。如：铂铑铂热电偶、镍铬康铜热电偶等。,特点： 结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号适于远传等。 自身能产生电压，不需要外加驱动电源。,3.11 其他类型传感器,3.11 其他类型传感器,3.补偿导线与冷端
10、补偿,(1) 补偿导线,把热电偶与测量仪表仪器连接起来的导线称为补偿导线。 补偿导线有两类：一类是采用与热电偶相同材料的伸长型，另一类是利用与热电偶热电势类似特性合金材料的补偿型。,(2) 冷端补偿(基准接点补偿),标准中规定基准接点的热电势为0时的热电势。,3.11 其他类型传感器,3.11.2 热辐射检测传感器,工作原理：绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体温度(K)，根据普朗克辐射定律有以下表达式：,3.11 其他类型传感器,按斯蒂芬-玻尔兹曼定律,结论：总的辐射通量密量与绝对温度T四次方成正比。,2 辐射式高温计,3.11 其他类型传感器,应用：冶金、轧制、磨削加工以及各种热加
11、工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。,3.11 其他类型传感器,3 红外测温仪,3.11 其他类型传感器,红外探测器按其工作原理: 可分为光电红外探测器和热敏红外探测器。,光电红外探测器：光敏电阻和光电池； 热敏红外探测器：热敏电阻型、热电偶型等。,应用,3.11 其他类型传感器,高层建筑 、金融机构、保险业、 娱乐场所、商场超市、住宅小区、宾馆酒店、 仓库堆场、 压力容器加油站等行业。,家庭使用：人体测温 房间环境测温、 电线接点、镇流器、 烤箱、 冰箱、 空调等。,3.11.3 光纤传感器,3.11 其他类型传感器,特点 可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、易爆、化学腐蚀等恶劣条件下使
12、用，高灵敏度及低损耗的优点使其用途广泛。,单模光纤 多模光纤,光纤传感技术发展的方向: 采用新材料研制特殊结构的专用光纤。,1 工作原理,3.11 其他类型传感器,将来自光源的光经过光纤送入调制器使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。,2 类型,传光型：结构型或非功能型光纤传感器，用多模光纤 传感型：物性型或功能型光纤传感器，用单模光纤。,3.11 其他类型传感器,传光型光纤传感器,光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其它物理性质的功能
13、元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。,3.11 其他类型传感器,案例,3.11 其他类型传感器,利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变）的作用下，其光学特性（光强、相位、偏振态等）的变化来实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的。,传感型光纤传感器,案例,3.11 其他类型传感器,光纤检测型光电传感器,作业件检测,颜色检测,3.
14、11 其他类型传感器,产品,3.11 其他类型传感器,应用 加速度、压力、温度,输油管道预警系统,3.11.4 IP传感器,3.11 其他类型传感器,IP传感器的目标是使传感器在现场级实现Internet/Intranet功能，使测控网和信息网在现场级实现统一。其技术核心是实现TCP/IP协议(这里TCP/IP协议是一个相对广泛的概念，还包括UDP、HTTP、SMTP、POP3等协议)。它是把TCP/IP作为一种嵌入式应用，即把TCP/IP协议嵌入到智能传感器的ROM中，使得信号的收发都以TCP/IP方式进行，这样测控系统在数据采集、信息发布及系统集成等方面都以企业内部网(Intranet)为
15、依托，如果Intranet连通Internet，还可在Internet范围内组建系统，这使得测控网和信息网统一在一起，通过将现场传感器直接与网络通信线缆连接，使得现场传感器与普通计算机一样成为网络中的独立节点。,1 IP传感器的含义,3.11 其他类型传感器,IP传感器的优点,数据的处理是由分散于各地的单个传感器(分布式智能)进行的。 IP sensor输出的是有用的数据，这在某些时候可以减少节点的带宽，增加系统的节点数量。 IP sensor可随用户用途的不同而进行动态编程，传感器制造商只需生产少数几种传感器就可满足各种不同的需要。 能将传感器直接集成到系统中去，并用计算机辅助工具组建系统。
16、,3.11 其他类型传感器,2 IP传感器的体系结构,IEEE P1451标准 IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators,嵌入式计算机,智能倾角RS232传感器,IC总线数字温度传感器,3.11 其他类型传感器,3 IP传感器的应用前景,振动网络传感器,智能压力网络传感器,3.11 其他类型传感器,GSM/SMS,3.11 其他类型传感器,第三章、传感器原理及应用基础,3.12 总结,3.12.1 传感器的特性指标,1 静态指标,(1)灵敏度与信噪比,(2)线性,(3)时滞,(4)环境特性,(5)稳定性,(6)精度,2 动态指标,3.12 总结,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,1、灵敏度,一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。c)交叉灵敏度问题。,3.12.2 传感器选用原则,
