2019年第9章新型传感器.ppt

第9章新型传感器9.1生物传感器9.2微波传感器9.3超声波传感器9.4机器人传感器9.5实训9.1生物传感器9.1生物传感器9.1.1概述1.生物传感器及其分类生物传感器是利用各种生物或生物物质做成的，用以检测与识别生物体内的化学成份的传感器。生物或生物物质是指酶、微生物、抗体等，它们的高分子具有特殊的性能，能精确地识别特定的原子和分子。生物传感器一般是在基础传感器上再耦合一个生物敏感膜，也就是说生物传感器是半导体技术与生物工程技术的结合，是一种新型的器件。溶液中被测定的物质，经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应。其所产生的信息可通过相应的化学或物理换能器转变成可定量和可显示的电信号，就可知道被测物质的浓度。2.分子识别功能及信号转换表9-1列出了具有分子识别能力的主要生物物质。生物传感器的信号转换方式主要有以下几种：（１）化学变化转换为电信号方式；（２）热变化转换为电信号方式；（３）光变化转换为电信号方式；（４）直接诱导电信号方式。表9-1具有分子识别功能的生物物质生物物质被识别的分子酶底物，底物类似物抑制剂辅酶抗体抗原，抗原类似物结合蛋白质维生素H,维生素A等植物凝血素糖链，具有糖链的分子或细胞激素受体激素3.生物物质的固定化技术生物传感器的关键技术之一是如何使生物敏感物质附着于膜上或包含于膜之中,在技术上称为固定化。（1）化学固定法化学固定法是在感受体与载体之间、或感受体相互之间至少形成一个共价键，能将感受体的活性高度稳定地固定。（2）物理固定法物理固定法是感受体与载体之间、或感受体相互之间，根据物理作用即吸附或包裹进行固定。9.1.2生物传感器的工作原理及结构1.酶传感器酶传感器的基本原理是用电化学装置检测酶在催化反应中生成或消耗的物质（电极活性物质），将其变换成电信号输出。固定化酶传感器是由Pt阳极和Ag阴极组成的极谱记录式H2O2电极与固定化酶膜构成的。它是通过电化学装置测定由酶反应生成或消耗的离子，通过电化学方法测定电极活性物质的数量，以测定被测成分的浓度。2.葡萄糖传感器测定血液和尿中葡萄糖浓度对糖尿病患者做临床检查是很必要的。现已研究出对葡萄糖氧化反应起一种特异催化作用的酶—葡萄糖氧化酶（GOD），并研究出用它来测定葡萄糖浓度的葡萄糖传感器，如图9-1所示。图9-1葡萄糖酶传感器3.微生物传感器酶传感器是利用单一的酶，而微生物传感器是利用多种酶有关的高度机能的综合即复合酶。也就是说，微生物的种类是非常多的，菌体中的复合酶、能量再生系统、辅助酶再生系统、微生物的呼吸及新陈代谢为代表的全部生理机能都可以加以利用。因此，用微生物代替酶，有可能获得具有复杂及高功能的生物传感器。微生物传感器是由固定化微生物膜及电化学装置组成，如图9-2所示。微生物膜的固定化法与酶的固定方式相同。由于微生物有好气（O2）性与厌气（O2）性之分（也称好氧反应与厌氧反应），所以传感器也根据这一物性而有所区别。好气性微生物传感器将微生物呼吸量转化为电流值来测定。厌气性微生物传感器，利用CO2电极或离子选择电极测定代谢产物。微生物固定化膜封闭式氧电极或CO2电极被测物质氧消耗变化(呼吸机能)电信号图9-2微生物传感器基本结构(a)图微生物固定化膜电化学敏感电极被测物质新陈代谢变化(代谢机能)电信号图9-2微生物传感器基本结构(b)图4.免疫传感器抗原是能够刺激动物机体产生免疫反应的物质。抗体是由抗原刺激机体产生的具有特异免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。免疫传感器是利用抗体对抗原结合功能研制成功的，如图9-3所示。抗原与抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反应强烈的分子功能性膜。根据抗体膜的膜电位的变化，就可测定抗原的吸附量。图9-3免疫传感器结构原理5.半导体生物传感器半导体生物传感器是由半导体传感器与生物分子功能膜、识别器件所组成。通常用的半导体器件是酶光电二极管和酶场效应管（FET），如图9-4和图9-5所示。因此，半导体生物传感器又称生物场效应晶体管（BiFET）。最初是将酶和抗体物质（抗原或抗体）加以固定制成功能膜，并把它紧贴于FET的栅极绝缘膜上，构成BiFET，现已研制出酶FET、尿素FET、抗体FET及青霉素FET等。图9-4酶光电二极管图9-5酶场效应管6.多功能生物传感器要求传感器能象细胞检测味道一样能分辨任何形式的多种成分的物质，同时测量多种化学物质，具有这样功能的传感器称为多功能传感器。实现这种技术的前提是各亲和物质的固定化方法。目前按电子学方法论进行生物电子学的种种尝试，这种新进展称为第三代产品。9.2微波传感器9.2微波传感器9.2.1概述1.微波的性质与特点微波是波长为1mm~1m的电磁波，具有以下特点：(1)可定向辐射，空间直线传输；(2)遇到各种障碍物易于反射；(3)绕射能力差；(4)传输特性好；(5)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.微波振荡器与微波天线微波振荡器是产生微波的装置。微波波长很短，频率很高（300MHz~300GHz）。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固态器件。小型微波振荡器也可以采用体效应管。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线具有特殊的结构。常用的天线如图9-6所示，有喇叭形天线（图（a）、(b)）、抛物面天线（图（c）、（d））、介质线与隙缝天线等。（a）(b)(c)(d)图9-6常见微波天线(a)扇形喇叭天线；(b)圆锥喇叭天线；(c)旋转抛物面天线；(d)抛物柱面天线9.2.2微波传感器及其分类微波传感器就是指利用微波特性来检测一些物理量的器件或装置。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物的位置、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接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及被测物的位置与含水量等参数。微波传感器的敏感元件是微波场。它的其他部分可视为一个转换器和接受器，如图9-7所示。图中，MS是微波源；T是转换器；R是接收器。转换器可以是微波场的有限空间，被测物即处于其中。如果MS与T合二为一，称之为有源微波传感器；如果MS与R合二为一，则称其为自振式微波传感器。MSTR图9-7微波传感器的构成9.2.3微波传感器的优点及存在的问题1.微波传感器的优点（1）实现非接触测量。因此可以进行活体检测，大部分测量不需要取样。（2）测量速度快、灵敏度高，可以进行动态检测和实时处理，便于自动控制。（3）可以在恶劣环境条件下检测，如高温、高压、有毒、有放射线环境条件。（4）便于实现遥测与遥控。2.微波传感器存在的问题零点漂移和标定尚未很好解决，使用时外界因素影响较多，如温度、气压、取样位置等。9.2.4微波传感器的应用——微波温度传感器任何物体，当它的温度高于环境温度时，都能向外辐射热量。当辐射热到达接收机输入端口时，若仍然高于基准温度（或室温），在接收机的输出端将有信号输出，这就是辐射计或噪声温度接收机的基本原理。微波频段的辐射计就是一个微波温度传感器。图9-8给出了微波温度传感器的原理方框图。TinCTcBPFLNAMLOIFA图9-8微波温度传感器原理框图9.3超声波传感器9.3超声波传感器9.3.1超声波传感器的物理基础人们能听到的声音是由物体振动产生的，它的频率在20Hz~20kHz范围内。超过20KHz称为超声波，低于20Hz称为次声波。检测常用的超声波频率范围为几十kHz~几十MHz。超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，它的波形有纵波、横波、表面波三种。BgC11.传播速度超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，也与环境条件有关。对于液体，其传播速度Ｃ为：在气体中，传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度Ｃ为：C=331.5+0.607t(m/s)对于固体，其传播速度C为：)21)(1(1EC2.反射与折射现象超声波在通过两种不同的介质时，产生反射和折射现象，如图9-9所示，并有如下的关系：21sinsinCC3.传播中的衰减随着超声波在介质中传播距离的增加，由于介质吸收能量而使超声波强度有所衰减。AdeII0折射波反射波入射波αβC2ρ2C1ρ1图9-9超声波的反射与折C2ρ2介质中的能量吸收程度与超声波的频率及介质的密度有很大关系。介质的密度ρ越小，衰减越快，尤其在频率高时则衰减更快。在空气中通常采用频率较低（几十kHz）的超声波。在固体、液体中则采用频率较高的超声波。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器（它包括超声波的发射和接收），配上不同的电路，可制成各种超声波仪器及装置，应用于工业生产、医疗、家电等行业中。9.3.2超声波换能器及耦合技术超声波换能器有时也称为超声波探头。超声波换能器可根据其工作原理不同分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种。在检测技术中主要采用压电式。根据其结构不同分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头以及其它专用探头等。图9-10超声波探头结构示意图a)单晶直探头；b)双晶直探头；c)斜探头1-插头；2-外壳；3-阻尼吸收块；4-引线；5-压电晶体；6-保护膜；7-隔离层；8-延迟块；9-有机玻璃斜楔块1.以固体为传导介质的探头用于固体介质的单晶直探头（俗称直探头）的结构如图9-10（a）所示。双晶直探头的结构如图9-10（b）所示。在双探头中，一只压电晶片担任发射超声脉冲的任务，而另一只担任接收超声脉冲的任务。有时为了使超声波能倾斜入射到被测介质中，可选用斜探头，如图9-10（c）所示。2.耦合剂必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度应尽量薄些，以减小耦合损耗。3.以空气为传导介质的超声波发射器和接收器此类发射器和接收器一般是分开设置的，两者的结构也略有不同。图9-11所示为空气传导用的超声波发射器和接收器结构图。发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高发射效率和方向性。接收器的共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以提高接收效率。图9-11空气传导型超声波发射、接收器结构a)超声波发射器；b)超声波接收器1-外壳；2-金属丝网罩；3-锥形共振盘；4-压电晶片；5-引线端子；6-阻抗匹配器9.3.3超声波传感器的应用超声波传感器的应用有两种基本类型，如图9-12所示。当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。当超声发射器与接收器置于同侧时为反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或料位、金属探伤以及测厚等。a)213123b)图9-12超声应用的两种基本类型a)透射型b)反射型1—超声发射器2—被测物3—超声接收器1.超声波探伤超声波探伤是无损探伤技术中的一种主要检测手段。它主要用于检测板材、管材、锻件和焊缝等材料中的缺陷（如裂缝、气孔、夹渣等）、测定材料的厚度、检测材料的晶粒、配合断裂力学对材料使用寿命进行评价等。（1）纵波探伤使用直探头。探伤仪面板上有一个荧光屏，通过荧光屏可知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷的位置。如图9-13所示。δTBtδ缺陷TBFtδtF图9-13超声波探伤a)无缺陷时超声波的反射及显示的波形b)有缺陷时超声波的反射及显示波a)b)（2）横波探伤多采用斜探头进行探伤。超声波的一个显著特点是：超声波波束中心线与缺陷截面积垂直时，探头灵敏度最高。遇到如图9-14所示的缺陷时，用直探头探测虽然可探测出缺陷存在，但并不能真实反映缺陷大小。如用斜探头探测，则探伤效果