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1、第二章 分析仪器中常用的传感器,传感器的引入,人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。 而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（“电五官” ）。,身体与机器人的对应关系,传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。,一、传感器的作用 传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。,传感器的作用和重要性,传感器所检测的信号进来显著地增加，因而其品种也极其繁多。为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有
2、电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。,总结： 因此作为一种功能块地传感器可狭义的定义味：“将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。”如下图所示：,二、传感器的重要性 作为人脑的一种模拟的电子计算机的发展极为迅速，可是起五种感觉模拟作用的传感器却发展很慢，因而如果不进行传感器的开发，现在的电子计算机将不能适应实际需要。现代社会要求传感器、电子计算机和执行器三者都能相互协调才行。这样，传感器就成了现代科学的中枢神经系统，它日益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器技术的必然趋势。,三、传感器的应用：传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为
3、代表的尖端科学与工程等重要领域有广泛应用。同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。,一、传感器的定义 定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。,传感器的定义和组成,传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。其包含一下几个方面的意思：传感器是测量装置，能完成检测任务它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等,输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种
4、量可以是气、光、电，但主要是电量。输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。,二、传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：,敏感元件（Sensitive element）：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件（Transduction element）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。转换电路（Transduction circuit）：将转换电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。,有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量。如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电
5、路。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。,一、传感器的分类 传感器种类繁多，目前常用的分类有两种：以被测量来分以传感器的原理来分,传感器的分类及要求,按被测量来分类,电阻式，光电式（红外式、光导纤维式），电感式，谐振式，电容式，霍尔式（磁式），阻抗式（电涡流式），超声式，磁电式，同位素式，热电式，电化学式，压电式，微波式,按传感器的原理来分类,二、分类目的：各类传感器的工作原理、主要性能及其特点、应用。使大家能合理地选择和使用传感器。使学生了解常用传感器地工程设计方法和掌握常用传感器地试验研究方法。了解传感器地发展方向等。,三、传感器的一般要求足够的容量传感器的工作范围或量程足够大
6、；具有一定的过载能力。灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。,响应速度快，工作稳定，可靠性好。使用性和适应性强体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。使用经济成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。,传感器开发的新趋向包括:社会对传感器需求的新动向传感器新技术的发展趋势,传感器开发的新趋势,一、传感器需求的新动向社会需求是传感器技术发展的强大动力。随着现代科学技术，特别是微电子技术和信息产业的飞速发展，以及“电
7、脑”的普及，传感器在新的技术革命中的地位和作用将更为突出，一股竞相开发和应用传感器的热潮已在世界范围内掀起。,原因: 电五官”落后于“电脑”的现状，已成为微型计算机进一步开发和应用的一大障碍许多有竞争力的新产品开发和卓有成效的技术改造，都离不开传感器传感器的应用直接带来了明显的经济效益和社会效益传感器普及于社会各个领域，将造成良好的销售前景,二、传感器的应用领域和需求量,三、传感器技术的发展趋势 传感器的开发方向，大致分为如下四个方面：向检测范围挑战。集成化，多功能化。向未开发的领域挑战生物传感器。智能传感器（Smart sensor）,向检测范围挑战：传感器的量子化 传感器的极限检测范围大多
8、取决于量子力学效应。其比较典型的例子是利用核磁变振吸收的磁传感器以及利用约瑟夫效应的磁传感器。,集成化，多功能化：向敏感功能装置发展 传感器的集成化，最近积极地应用了半导体集成电路技术及其开发思想。,生物传感器：到目前为止，正大力研究。开发的传感器大多为物理传感器，今后应积极开发研究化学传感器和生物传感器。,智能传感器： 具有判断能力、学习能力的传感器 智能传感器大致分为如下三种：具有判断力的敏感装置具有学习能力的敏感装置具有创造能力的敏感装置,从构成上看，智能式传感器是一个典型的以微处理器为核心的计算机检测系统。,智能式传感器特点： 同一般传感器相比，智能式传感器有以下几个显著特点： 精度高
9、 稳定、可靠性好 检测与处理方便 功能广 性能价格比高,精度高 ：由于智能式传感器具有信息处理的功能，因此通过软件不仅可以修正各种确定性系统误差(如传感器输入输出的非线性误差、温度误差、零点误差、正反行程误差等)，而且还可以适当地补偿随机误差，降低噪声，从而使传感器的精度大大提高。稳定、可靠性好： 它具有自诊断、自校准和数据存储功能，对于智能结构系统还有自适应功能。,检测与处理方便： 它不仅具有一定的可编程自动化能力，可根据检测对象或条件的改变，方便地改变量程及输出数据的形式等，而且输出数据可通过串行或并行通讯线直接送入远地计算机进行处理。 功能广： 不仅可以实现多传感器多参数综合测量，扩大测
10、量与使用范围，而且可以有多种形式输出(如RS232串行输出，PIO并行输出，IEEE-488总线输出以及经D/A转换后的模拟量输出等)。,性能价格比高： 在相同精度条件下，多功能智能式传感器与单一功能的普通传感器相比，其性能价格比高，尤其是在采用比较便宜的单片机后更为明显。,电阻式传感器,热电阻式传感器在分析仪器中通常用电流来加热，并使处于与周围介质进行热交换状态的导体称为热电阻，以此种热电阻作为转换元件的传感器即为热电阻式传感器。在分析仪器中常称为热导检测器或热导池。导体与周围介质热交换。 对流 介质的导热 导体本身的导热 辐射作用,电阻式传感器,影响导体与介质间热交换强度的因素(1)导体的
11、几何尺寸和它的表面状态； (2)用以支持导体的各种装置的几何尺寸和形状； (3)周围介质的物理属性（如密度、导热系数、粘度等） (4）周围气态或液态介质的流速； (5)周围介质和支撑装置的温度。,电阻式传感器,制作电阻材料的要求(1)要有尽可能大而且稳定的电阻温度系数 (2)电阻率要大 (3)在使用温度范围内，其化学、物理性稳定性好 (4)材料易于制取，价格便宜,应用举例热导检测器,应用举例热导检测器,应用举例热导检测器,应用举例热导检测器,热导检测器原理,热导检测器结构,热导检测器结构,热导检测器结构,电容式传感器,基本原理,电容式传感器,电容式传感器,电容式传感器应用,液位传感器,电容式传
12、感器应用,气体分析传感器,电感式传感器,自感式传感器,电感式传感器,自感式传感器,电感式传感器,差动式传感器,电感式传感器,自感式传感器,电感式传感器,互感式传感器,电感式传感器,光电传感器,光电传感器,光电传感器,光电传感器,热电式传感器,热电式传感器,热电效应 接触电势 温差效应,热电式传感器,热电式传感器,热电偶的基本定律,热电式传感器,热电偶的基本定律,热电式传感器,热电式传感器,热电偶冷端温度补偿补正系数法 冷端恒温法 补偿导线法 冷端温度补偿器,热电式传感器,热电式传感器,热电式传感器,热电偶的种类常用热电偶 特殊热电偶 钨铼系热电偶（超高温） 金铁-镍铬热电偶（超低温） 薄膜热电
13、偶（快速测量） 非金属热电偶 铠装热电偶（缆式热电偶）,压电晶体传感器,压电晶体传感器,压电效应过程,压电晶体传感器,压电吸附晶片特性,气敏传感器,种类 金属氧化物半导体式 接触燃烧式 热传导式 固体电解式,气敏传感器,金属氧化物半导体式,气敏传感器,气敏传感器,光导纤维化学传感器,光导纤维化学传感器,光纤传感器分类功能型 传光型,光导纤维化学传感器,光导纤维化学传感器,光导纤维化学传感器,生物传感器 ( Biosensor),一概述 1定义 传感器能感受(或响应)一种信息并变换成可测量信号(一般指电学量)的器件。 生物传感器将生物体的成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组
14、织）固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物传感器。,2. 生物传感器的基本组成 敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件（图）,3.生物传感器的工作原理,（1） 将化学信号转变成电信号已经研究的大部分生物传感器的工作原理均属这种类型。例如酶传感器，酶催化特定底物发生反应，从而产生一种新的可供测量的物质，用能把这种物质的量转变为电信号的装置和固定化的酶相耦合，即称为酶传感器。,（2） 将热能变化转换为电信号 （3） 将光效应转换为电信号 （4） 直接产生电信号,生物传感器的分类,(1).根据生物传感器的输出信号方式分类 a生物亲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
15、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,b代谢型或催化型传感器另一类是底物（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或催化型传感器，其反应形式可表示为S（底物）R（受体）=SRP（生成物）,(2).根据生物传感器中分子识别元件上的敏感物质分类生物传感器中分子识别元件上所用的敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。根据所用的敏感物质可将生物传感器分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞
16、器传感器、免疫传感器等。,（3）.根据生物传感器的信号转换器分类生物传感器的信号转换器有：电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻、光电转换器等据此又将生物传感器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、测光型生传感器、测声型生物传感器等,以上后两种分类方法之间还可互相交叉，因而生物传感器的类别就更加增多，例如酶传感器又分为酶电极、酶热敏电阻、酶FET、酶光极等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。总之，生物传感器是传感器中类别较多、内容较广的一大类传感器，随着科学技术的不断发展，它所包含的内容也必将更为丰富为醒目起见，现将生物传感器的分类示于图中,
