現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)_新型傳感器

1、現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù) 新型傳感器新型傳感器 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University1紅外輻射紅外輻射：紅光

2、以外的光線，波長(zhǎng)：紅光以外的光線，波長(zhǎng)0.761000m。 波長(zhǎng)波長(zhǎng)/m 任何溫度高于絕對(duì)零度（任何溫度高于絕對(duì)零度（-273.16）的物體，都會(huì)發(fā)射或）的物體，都會(huì)發(fā)射或吸收紅外線，即紅外輻射。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，散發(fā)和吸收的輻吸收紅外線，即紅外輻射。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，散發(fā)和吸收的輻射一樣多。物體紅外輻射的強(qiáng)度和波長(zhǎng)分布取決于物體的溫度射一樣多。物體紅外輻射的強(qiáng)度和波長(zhǎng)分布取決于物體的溫度和輻射率等。和輻射率等。紅外輻射傳感器紅外輻射傳感器 2紅外輻射規(guī)律紅外輻射規(guī)律： 1）基爾霍夫定律基爾霍夫定律：物體向外發(fā)射輻射能取決于它的吸收本：物體向外發(fā)射輻射能取決于它的吸收本領(lǐng)。領(lǐng)。ER 物體在單位面積

3、、單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的輻射能；物體在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的輻射能；物體對(duì)輻射能的吸收系數(shù)；物體對(duì)輻射能的吸收系數(shù)；E0 常數(shù)，等價(jià)于黑體在相同溫度下發(fā)射出的輻射能。常數(shù)，等價(jià)于黑體在相同溫度下發(fā)射出的輻射能。紅外輻射傳感器紅外輻射傳感器 2）斯蒂芬玻爾茨曼斯蒂芬玻爾茨曼(Stefan-Boltzmann)定律定律 ： 物體單位面積輻射功率、物體輻射強(qiáng)度物體單位面積輻射功率、物體輻射強(qiáng)度 W 與其熱力學(xué)溫與其熱力學(xué)溫度度 T 四次方成正比：四次方成正比：4WT/比輻射率，非黑體輻射度 黑體輻射度斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)（1）黑體）黑體=1，在任何溫度下能全部吸收任何波長(zhǎng)的輻射；，在任何溫度下能全部吸收

4、任何波長(zhǎng)的輻射；（2）物體輻射強(qiáng)度隨溫度升高而明顯增強(qiáng)；）物體輻射強(qiáng)度隨溫度升高而明顯增強(qiáng)；（3）大氣對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射有不同的穿透程度。）大氣對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射有不同的穿透程度。紅外輻射傳感器紅外輻射傳感器 3）普朗克定律普朗克定律：絕對(duì)溫度為：絕對(duì)溫度為 T 時(shí)，在單位波長(zhǎng)內(nèi)其時(shí)，在單位波長(zhǎng)內(nèi)其單位面積沿半球方向所輻射的能量稱為單位面積沿半球方向所輻射的能量稱為光譜輻射通量光譜輻射通量密度密度。不同溫度時(shí)黑體光譜輻射通量密度與波長(zhǎng)的關(guān)。不同溫度時(shí)黑體光譜輻射通量密度與波長(zhǎng)的關(guān)系為：系為：紅外輻射傳感器紅外輻射傳感器 a. 隨溫度升高，峰值輻射波隨溫度升高，峰值輻射波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)，強(qiáng)

5、度長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)，強(qiáng)度按指數(shù)增長(zhǎng)；按指數(shù)增長(zhǎng)；b. 溫度不太高時(shí)，輻射波長(zhǎng)溫度不太高時(shí)，輻射波長(zhǎng)位于紅外區(qū)域；位于紅外區(qū)域；c. 峰值左側(cè)能量約占峰值左側(cè)能量約占25，右側(cè)約占右側(cè)約占75。4）維恩位移定律維恩位移定律：光譜輻射通量密度峰值波長(zhǎng)與物：光譜輻射通量密度峰值波長(zhǎng)與物體自身的絕對(duì)溫度成反比。體自身的絕對(duì)溫度成反比。紅外輻射傳感器紅外輻射傳感器 能能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的裝置稱為的裝置稱為紅外傳感器紅外傳感器，按，按其工作原理可以分為其工作原理可以分為光敏型光敏型（或稱光子型、量子型）和（或稱光子型、量子型）和熱敏熱敏型型兩類。兩類。 光敏型光敏型直接把紅外光

6、能轉(zhuǎn)換為電能直接把紅外光能轉(zhuǎn)換為電能，其工作原理是光電效應(yīng)。需要在低溫下工其工作原理是光電效應(yīng)。需要在低溫下工作、靈敏度很高，響應(yīng)速度快，但響應(yīng)紅作、靈敏度很高，響應(yīng)速度快，但響應(yīng)紅外光的波長(zhǎng)范圍較窄（圖中曲線外光的波長(zhǎng)范圍較窄（圖中曲線2）。）。紅外傳感器光譜紅外傳感器光譜響應(yīng)曲線響應(yīng)曲線 紅外輻射傳感器紅外輻射傳感器 熱敏型將熱敏型將吸收的紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芪盏募t外光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使，使器件自身的溫度發(fā)生變化，包括熱電偶器件自身的溫度發(fā)生變化，包括熱電偶式、電阻式和熱釋電式等。熱敏型紅外式、電阻式和熱釋電式等。熱敏型紅外傳感器響應(yīng)的紅外光譜范圍寬，（圖中傳感器響應(yīng)的紅外光譜范圍寬，（圖中的曲

7、線的曲線1），能在常溫下工作，價(jià)格便宜。），能在常溫下工作，價(jià)格便宜。它的響應(yīng)速度和靈敏度較低。它的響應(yīng)速度和靈敏度較低。 以以紅外線為測(cè)量介質(zhì)紅外線為測(cè)量介質(zhì)的系統(tǒng)稱為紅外傳感系統(tǒng)，按照的系統(tǒng)稱為紅外傳感系統(tǒng)，按照功能可以分成五類：功能可以分成五類：（1）溫度計(jì)和輻射計(jì)溫度計(jì)和輻射計(jì)，用于溫度、輻射和光譜測(cè)量；，用于溫度、輻射和光譜測(cè)量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；（

8、4）紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)混合系統(tǒng)，由以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)組合，由以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)組合而成。而成。 紅外輻射傳感器紅外輻射傳感器 （3）光學(xué)接收器光學(xué)接收器：接收部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)：接收部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用的是物鏡。于雷達(dá)天線，常用的是物鏡。 （4）輻射調(diào)制器輻射調(diào)制器：將來自待測(cè)目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，：將來自待測(cè)目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，并且可以濾除大面積的干擾信號(hào)。又稱提供目標(biāo)方位信息，并且可以濾除大面積的干擾信號(hào)。又稱調(diào)制盤和斬波器。調(diào)制盤和斬波器。 （1）待

9、側(cè)目標(biāo)待側(cè)目標(biāo)：具有紅外：具有紅外輻射特性。輻射特性。（2）大氣衰減大氣衰減：由于各種：由于各種氣體分子以及溶膠粒氣體分子以及溶膠粒的散射和吸收，使待的散射和吸收，使待測(cè)目標(biāo)發(fā)出的紅外輻測(cè)目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。射發(fā)生衰減。 典型的紅外傳感系統(tǒng)典型的紅外傳感系統(tǒng) （5）紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器：它是紅外傳感系統(tǒng)的核心，利用紅外輻：它是紅外傳感系統(tǒng)的核心，利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測(cè)紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，按照工作原理分為光敏探測(cè)器和熱敏探測(cè)器兩類。射，按照工作原理分為光敏探測(cè)器和熱敏探測(cè)器兩類。 （6）探測(cè)器制冷器探測(cè)器制冷器：由于某些探測(cè)

10、器必須要在低溫下工作，：由于某些探測(cè)器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，探測(cè)器所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，探測(cè)器可以縮短響應(yīng)時(shí)間，提高靈敏度?？梢钥s短響應(yīng)時(shí)間，提高靈敏度。 （7）信號(hào)處理系統(tǒng)信號(hào)處理系統(tǒng)：將探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并從：將探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并從中提取出有用的信息。然后將這些信息轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)闹刑崛〕鲇杏玫男畔?。然后將這些信息轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)母袷?，傳送到控制設(shè)備或者顯示器中。格式，傳送到控制設(shè)備或者顯示器中。 （8）顯示設(shè)備顯示設(shè)備：它是紅外傳感系統(tǒng)的終端設(shè)備，常用的有：它是紅外傳感系統(tǒng)的終端設(shè)備，常用的有示波器、顯像管、紅外感光材料、

11、指示儀器和記錄儀示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。等。典型的紅外傳感系統(tǒng)典型的紅外傳感系統(tǒng) 濾光片濾光片采用允許在采用允許在8 814m14m的紅外輻射能通的紅外輻射能通過的材料，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)過的材料，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測(cè)的紅轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測(cè)的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線，透鏡焦點(diǎn)落在輻射線，透鏡焦點(diǎn)落在紅紅外光敏面外光敏面上，被測(cè)目標(biāo)的上，被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測(cè)器上，并將紅外紅外探測(cè)器上，并將紅外輻射變換為電信號(hào)。輻射變換為電信號(hào)。 例例1 1：紅外測(cè)溫：紅外測(cè)溫 （0-7000-700）紅外輻射傳感

12、器紅外輻射傳感器 例例2 2：紅外測(cè)溫：紅外測(cè)溫 （800800以上的高溫）以上的高溫）假定人造黑體吸收了由被測(cè)物輻射的全部能量，則有：假定人造黑體吸收了由被測(cè)物輻射的全部能量，則有： 4400TT 從而得到：從而得到：04TT紅外輻射傳感器紅外輻射傳感器 Xian Jiaotong University例例3 3：紅外熱成像：紅外熱成像 紅外熱像儀紅外熱像儀將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光進(jìn)行顯示，利用物體自將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光進(jìn)行顯示，利用物體自身的紅外輻射來攝取物體熱輻射圖像。它能通過快速掃描，精確身的紅外輻射來攝取物體熱輻射圖像。它能通過快速掃描，精確的攝取反映被測(cè)物體溫差信息的熱圖像。的攝取

13、反映被測(cè)物體溫差信息的熱圖像。紅外輻射傳感器紅外輻射傳感器 Xian Jiaotong University熱像技術(shù)應(yīng)用熱像技術(shù)應(yīng)用：溫度分布檢測(cè)、飛行器表面溫度檢測(cè)、：溫度分布檢測(cè)、飛行器表面溫度檢測(cè)、無損探測(cè)、安全生產(chǎn)監(jiān)控、夜間機(jī)場(chǎng)狀況檢測(cè)、海岸線檢測(cè)、無損探測(cè)、安全生產(chǎn)監(jiān)控、夜間機(jī)場(chǎng)狀況檢測(cè)、海岸線檢測(cè)、臨床醫(yī)學(xué)、軍事等。臨床醫(yī)學(xué)、軍事等。紅外輻射傳感器紅外輻射傳感器 防爆型紅外熱像儀防爆型紅外熱像儀 用于探測(cè)地面和井下煤堆自燃溫度。用于探測(cè)地面和井下煤堆自燃溫度。 礦用本質(zhì)安全型紅外成像生命探測(cè)儀礦用本質(zhì)安全型紅外成像生命探測(cè)儀 用于井下人員搜救、探測(cè)隱性火區(qū)分布、探用于井下人員搜救、

14、探測(cè)隱性火區(qū)分布、探測(cè)瞎炮位置分布、采煤機(jī)組與液壓支架實(shí)時(shí)測(cè)瞎炮位置分布、采煤機(jī)組與液壓支架實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、探測(cè)井下各種開關(guān)、接頭、變壓工作狀態(tài)、探測(cè)井下各種開關(guān)、接頭、變壓器的事故隱患、各種電器及傳動(dòng)設(shè)備的發(fā)熱器的事故隱患、各種電器及傳動(dòng)設(shè)備的發(fā)熱狀態(tài)等。狀態(tài)等。 紅外熱像儀應(yīng)用紅外熱像儀應(yīng)用 貯存罐液位檢測(cè)貯存罐液位檢測(cè)內(nèi)部屋頂檢查內(nèi)部屋頂檢查 微觀電路檢測(cè)微觀電路檢測(cè) 塑料擠壓過程塑料擠壓過程 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè) 總線節(jié)點(diǎn)發(fā)熱檢測(cè)總線節(jié)點(diǎn)發(fā)熱檢測(cè) 耐火材料設(shè)備檢測(cè)耐火材料設(shè)備檢測(cè) 電腦主板發(fā)熱量分布電腦主板發(fā)熱量分布 瀝青鋪路溫度分布瀝青鋪路溫度分布 紅外熱像儀應(yīng)用紅外熱像儀應(yīng)用 機(jī)械振動(dòng)在

15、介質(zhì)中的傳播稱為聲波機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播稱為聲波，人耳可以聽到，人耳可以聽到的聲波頻率范圍是的聲波頻率范圍是1620kHz，超過超過20kHz的聲波稱為的聲波稱為超聲波，如圖所示。超聲波，如圖所示。超聲波傳感器超聲波傳感器 聲敏傳感器聲敏傳感器是將在氣體、液體或固體介質(zhì)中傳播的機(jī)械振是將在氣體、液體或固體介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件或裝置。傳統(tǒng)的聲敏傳感器包括電阻變動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件或裝置。傳統(tǒng)的聲敏傳感器包括電阻變換型、壓電式、電容式等，下面介紹換型、壓電式、電容式等，下面介紹超聲波傳感器超聲波傳感器和和聲表面波聲表面波（SAW）傳感器）傳感器。3）表面波：）表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)

16、介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波。它只能在固振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波。它只能在固體的表面?zhèn)鞑?。體的表面?zhèn)鞑ァ?）縱波：）縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波稱為縱波。它能質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播。在固體、液體和氣體中傳播。2）橫波：）橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向相垂直的波稱為橫波。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向相垂直的波稱為橫波。聲波的分類聲波的分類 以以非接觸方式非接觸方式工作，特別適用于防爆、放射性、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域工作，特別適用于防爆、放射性、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域

17、應(yīng)用，也更容易安裝和維護(hù)。應(yīng)用，也更容易安裝和維護(hù)。u 頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象??；頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象??；u 方向性好方向性好、能夠成為射線而定向傳播；、能夠成為射線而定向傳播；u 對(duì)液體、固體的對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大穿透本領(lǐng)很大，在陽光不透明的固體中，在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。它可穿透幾十米的深度。u 碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射式回波反射式回波，碰，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)；多普勒效應(yīng)；u 傳播速度取決于媒質(zhì)，與超聲波頻率無關(guān)。傳播速度取決于媒質(zhì)，與超聲波頻率無關(guān)。超聲波的特點(diǎn)超聲波的特點(diǎn) 利用利用

18、壓電材料壓電材料制成，制成，逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)將電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械將電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，作為振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，作為發(fā)射探頭發(fā)射探頭；正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)將超聲波轉(zhuǎn)將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，作為換成電信號(hào)，作為接收探頭接收探頭。 壓電式換能器壓電式換能器是利用是利用電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)制成的。通制成的。通過在壓電材料上施加交變過在壓電材料上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波。常用振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波。常用的壓電材料為石英晶體、的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷和鋯鈦酸鉛等。壓電陶瓷和鋯鈦酸鉛等。 壓電式超聲波探頭結(jié)構(gòu)壓電式超聲波探頭結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)超聲

19、波傳感器的結(jié)構(gòu) 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。晶片的材料、大小（如直徑和厚度）各不相同，因此每晶片。晶片的材料、大?。ㄈ缰睆胶秃穸龋└鞑幌嗤?，因此每個(gè)探頭的性能是不同的：個(gè)探頭的性能是不同的： （1）工作頻率：工作頻率：壓電晶片的共振頻率。當(dāng)交流電壓的頻率和壓電晶片的共振頻率。當(dāng)交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （2）工作溫度：工作溫度：由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用

20、功率較小，工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。當(dāng)超聲探頭的溫度比較高時(shí)，需要單獨(dú)的間地工作而不失效。當(dāng)超聲探頭的溫度比較高時(shí)，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。制冷設(shè)備。 （3）靈敏度：靈敏度：主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。靈敏度高；反之，靈敏度低。 超聲波傳感器的性能指標(biāo)超聲波傳感器的性能指標(biāo) 超聲波壓電陶瓷片的形式超聲波壓電陶瓷片的形式 超聲波傳感器的形式超聲波傳感器的形式 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 各種場(chǎng)合的距離測(cè)量；各種場(chǎng)合的距離測(cè)量； 生產(chǎn)線上的工件計(jì)

21、數(shù)；生產(chǎn)線上的工件計(jì)數(shù)； 接近開關(guān)；接近開關(guān)； 倒車報(bào)警裝置；倒車報(bào)警裝置； 機(jī)器人自動(dòng)避障裝置；機(jī)器人自動(dòng)避障裝置； 超聲波液位超聲波液位/物位計(jì)；物位計(jì)； 自動(dòng)門開關(guān)裝置；自動(dòng)門開關(guān)裝置； 液體、氣體的濃度和流量檢測(cè)；液體、氣體的濃度和流量檢測(cè)； 超聲波清洗；超聲波清洗； 超聲波霧化；超聲波霧化； 探傷、測(cè)厚、測(cè)密度；探傷、測(cè)厚、測(cè)密度； 醫(yī)療器械、美容儀、按摩儀醫(yī)療器械、美容儀、按摩儀 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 2tvh超聲波測(cè)物位超聲波測(cè)物位 ：通過測(cè)量發(fā)射和接收信號(hào)之間的時(shí)間差測(cè)通過測(cè)量發(fā)射和接收信號(hào)之間的時(shí)間差測(cè)距離。距離。包括液位測(cè)量、固體料位測(cè)量、固液分界面測(cè)量以包

22、括液位測(cè)量、固體料位測(cè)量、固液分界面測(cè)量以及液液分界面測(cè)量和液體有無測(cè)量等。及液液分界面測(cè)量和液體有無測(cè)量等。 12221222222LLttcvcvLvLvctttvtcvcL 超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 sincos1vcDtsincos2vcDt212222tansinDvtttcv 22tanDvtc 22tancvtD超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 常用常用超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器分類：分類：時(shí)差法時(shí)差法和和多普勒效應(yīng)法多普勒效應(yīng)法；固定式固定式和和便攜式便攜式；條件條件傳播時(shí)間差法傳播時(shí)

23、間差法多普勒法多普勒法適用液體適用液體水類水類(江河水，海水農(nóng)業(yè)用江河水，海水農(nóng)業(yè)用水等水等),油類（純凈燃油，潤(rùn)油類（純凈燃油，潤(rùn)滑油，食用油等），化學(xué)滑油，食用油等），化學(xué)試劑，藥液等試劑，藥液等含雜質(zhì)多的水含雜質(zhì)多的水(下水，污水，下水，污水，農(nóng)業(yè)用水等農(nóng)業(yè)用水等)，漿類，漿類(泥漿，泥漿，礦漿，紙漿化工料漿等礦漿，紙漿化工料漿等)，油類油類(非凈燃油，重油，原非凈燃油，重油，原油等油等)重復(fù)性誤差重復(fù)性誤差0.1%-0.3%1%傳輸電纜長(zhǎng)度傳輸電纜長(zhǎng)度100-300m,在能保證信號(hào)質(zhì)在能保證信號(hào)質(zhì)量的前提下量的前提下,可以小于可以小于100m30m價(jià)格價(jià)格較高較高一般較低一般較低超聲波

24、測(cè)厚超聲波測(cè)厚 常用常用脈沖回波法脈沖回波法。超聲波探頭與被測(cè)物體表面接觸，主控。超聲波探頭與被測(cè)物體表面接觸，主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，脈沖波傳到被測(cè)工件的另一面制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，脈沖波傳到被測(cè)工件的另一面被反射回來，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速被反射回來，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速v是已知的，設(shè)工件厚度為是已知的，設(shè)工件厚度為d，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔為為t，則工件的厚度為：，則工件的厚度為：dvt/2超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 超聲波無損探傷超聲波無損探傷 超聲波探傷分為超聲波探傷分為穿透法探傷穿透法

25、探傷和和反射法探傷反射法探傷。 穿透法穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化狀況探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化狀況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合探測(cè)來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合探測(cè)薄板；探測(cè)靈敏度較低，不能精確定位；對(duì)兩探頭的相對(duì)薄板；探測(cè)靈敏度較低，不能精確定位；對(duì)兩探頭的相對(duì)距離和位置要求較嚴(yán)格。距離和位置要求較嚴(yán)格。 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 反射法反射法是以超聲波在工件中反射情況的不同來探測(cè)缺陷是以超聲波在工件中反射情況的不同來探測(cè)缺陷的方法，具體又分為的方法，具體又分為一次脈沖一次脈沖反射法和反射法和多次脈沖多次脈沖反射法。一反

26、射法。一次脈沖反射法是以一次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷的方法。多次脈次脈沖反射法是以一次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷的方法。多次脈沖反射法是以多次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷的方法。沖反射法是以多次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷的方法。 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 超聲波測(cè)厚儀超聲波測(cè)厚儀 超聲波探傷儀超聲波探傷儀 超聲波探傷超聲波探傷 聲表面波聲表面波簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱SAW（Surface Acoustic Wave），是英國(guó)物理），是英國(guó)物理學(xué)家瑞利（學(xué)家瑞利（Rayleigh）于）于19世紀(jì)末期在研究地震波的過程中發(fā)現(xiàn)世紀(jì)末期在研究地震波的過程中發(fā)現(xiàn)的一種的一種集中在地表面?zhèn)鞑サ穆暡?/p>

27、在地表面?zhèn)鞑サ穆暡?。任何固體表面都存在這種現(xiàn)象。任何固體表面都存在這種現(xiàn)象。某些外界因素（如溫度、壓力、加速度、磁場(chǎng)、電壓等）對(duì)某些外界因素（如溫度、壓力、加速度、磁場(chǎng)、電壓等）對(duì)SAW的傳播參數(shù)會(huì)造成影響，根據(jù)這些影響與外界因素之間的關(guān)系可的傳播參數(shù)會(huì)造成影響，根據(jù)這些影響與外界因素之間的關(guān)系可以研制出測(cè)量各種物理、化學(xué)參數(shù)的以研制出測(cè)量各種物理、化學(xué)參數(shù)的SAW傳感器。傳感器。SAW瑞利波瑞利波 SAW是一種沿彈性體表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械波。瑞利波質(zhì)點(diǎn)是一種沿彈性體表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械波。瑞利波質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是一種的運(yùn)動(dòng)是一種橢圓偏振橢圓偏振。在各向同性固體中，它是由平行。在各向同性固體中，它是由平行于傳播

28、方向的縱振動(dòng)和垂直于表面及傳播方向的橫振動(dòng)合于傳播方向的縱振動(dòng)和垂直于表面及傳播方向的橫振動(dòng)合成的，兩者的相位差為成的，兩者的相位差為90度。瑞利波的能量只集中在一個(gè)度。瑞利波的能量只集中在一個(gè)波長(zhǎng)深的表面層內(nèi)，頻率越高，能量集中的表面層越薄。波長(zhǎng)深的表面層內(nèi)，頻率越高，能量集中的表面層越薄。SAW傳感器傳感器 SAW傳感器是以傳感器是以SAW技術(shù)、電路技術(shù)、薄膜技術(shù)技術(shù)、電路技術(shù)、薄膜技術(shù)相結(jié)合設(shè)相結(jié)合設(shè)計(jì)的器件，由計(jì)的器件，由SAW換能器、電子放大器換能器、電子放大器和和SAW基片及其敏感區(qū)基片及其敏感區(qū)構(gòu)成，采用構(gòu)成，采用瑞利波瑞利波進(jìn)行工作。進(jìn)行工作。SAW換能器換能器 換能器（換能器

29、（IDT）是用）是用蒸發(fā)或?yàn)R射蒸發(fā)或?yàn)R射等方法在等方法在壓電基片壓電基片表面淀表面淀積一層積一層金屬膜金屬膜，再用光刻方法形成的，再用光刻方法形成的叉指狀薄膜叉指狀薄膜，它是產(chǎn)生和，它是產(chǎn)生和接收聲表面波的裝置。接收聲表面波的裝置。 SAW傳感器傳感器 敏感基片敏感基片采用石英、鈮酸鋰（采用石英、鈮酸鋰（LiNbO3）等）等壓電單晶材料壓電單晶材料制成。當(dāng)敏感基片制成。當(dāng)敏感基片受到物理、化學(xué)或機(jī)械量擾動(dòng)作用時(shí)，其振蕩頻率會(huì)發(fā)生變化。通過適受到物理、化學(xué)或機(jī)械量擾動(dòng)作用時(shí)，其振蕩頻率會(huì)發(fā)生變化。通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論計(jì)算，能使它僅對(duì)某一被測(cè)量有響應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)換當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論計(jì)算，能使它僅

30、對(duì)某一被測(cè)量有響應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)換成頻率量。成頻率量。 SAW傳感器傳感器 當(dāng)電壓加到叉指電極上時(shí)，由當(dāng)電壓加到叉指電極上時(shí)，由于壓電效應(yīng)，在表面產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)于壓電效應(yīng)，在表面產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的彈性形變。的彈性形變。由由IDT激勵(lì)的聲表面激勵(lì)的聲表面波波沿基片表面?zhèn)鞑?。?dāng)基片或基片沿基片表面?zhèn)鞑?。?dāng)基片或基片上覆蓋的敏感材料薄膜受到被測(cè)量上覆蓋的敏感材料薄膜受到被測(cè)量調(diào)制時(shí)，聲表面波的頻率將改變，調(diào)制時(shí)，聲表面波的頻率將改變，并由接收叉指電極測(cè)得。并由接收叉指電極測(cè)得。SAW諧振器結(jié)構(gòu)是將一諧振器結(jié)構(gòu)是將一個(gè)或兩個(gè)個(gè)或兩個(gè)叉指換能器（叉指換能器（IDT）置于一對(duì)反射柵陣列組成的置于一對(duì)反射柵陣列組成的

31、腔體中構(gòu)成的。諧振器結(jié)構(gòu)腔體中構(gòu)成的。諧振器結(jié)構(gòu)采用一個(gè)采用一個(gè)IDT時(shí)稱為時(shí)稱為單端對(duì)單端對(duì)諧振器，采用兩個(gè)諧振器，采用兩個(gè)IDT時(shí)稱時(shí)稱為為雙端對(duì)雙端對(duì)諧振器。反射柵陣諧振器。反射柵陣列能夠?qū)⒁欢l率的入射波列能夠?qū)⒁欢l率的入射波能量限制在由柵條組成的諧能量限制在由柵條組成的諧振腔內(nèi)。振腔內(nèi)。SAW傳感器的核心是傳感器的核心是SAW振蕩器振蕩器，有，有諧振器型（諧振器型（R型）型）和和延遲線型（延遲線型（DL型）型）兩種。兩種。SAW傳感器傳感器 諧振器型諧振器型SAW振蕩器由振蕩器由SAW諧振器諧振器和和放大電路放大電路組成。組成。單端對(duì)諧振器的單端對(duì)諧振器的IDT既是發(fā)射端，也是接收

32、端；雙端對(duì)諧振既是發(fā)射端，也是接收端；雙端對(duì)諧振器中一個(gè)器中一個(gè)IDT作為發(fā)射端，另一個(gè)作為發(fā)射端，另一個(gè)IDT作為接收端。將作為接收端。將SAW諧振器的輸出信號(hào)經(jīng)放大后，正反饋到輸入端，只要放大器諧振器的輸出信號(hào)經(jīng)放大后，正反饋到輸入端，只要放大器的增益能夠補(bǔ)償諧振器及其導(dǎo)線的損耗，同時(shí)又滿足一定的的增益能夠補(bǔ)償諧振器及其導(dǎo)線的損耗，同時(shí)又滿足一定的相位條件，諧振器就可以起振并維持振蕩狀態(tài)。相位條件，諧振器就可以起振并維持振蕩狀態(tài)。 SAW傳感器傳感器 當(dāng)在壓電基片上設(shè)置兩個(gè)當(dāng)在壓電基片上設(shè)置兩個(gè)IDT，一個(gè)為發(fā)射，一個(gè)為發(fā)射IDT，另一個(gè)為，另一個(gè)為接收接收IDT時(shí)，時(shí)，SAW在兩個(gè)在兩個(gè)

33、IDT中心距之間產(chǎn)生時(shí)間延遲，稱為中心距之間產(chǎn)生時(shí)間延遲，稱為SAW延遲線延遲線。 延遲線型延遲線型SAW振蕩器振蕩器由聲表面波延遲線和放大電路組成。由聲表面波延遲線和放大電路組成。輸入換能器輸入換能器T1激發(fā)出聲表面波，傳播到換能器激發(fā)出聲表面波，傳播到換能器T2轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大后反饋到經(jīng)放大后反饋到T1以保持振蕩狀態(tài)。以保持振蕩狀態(tài)。 SAW傳感器傳感器 （1）高精度，高靈敏度高精度，高靈敏度。SAW傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量，而頻率的測(cè)量精度很高，有效檢測(cè)范圍線性號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量，而頻率的測(cè)量精度很高，有效檢測(cè)范圍線性好；對(duì)惡劣環(huán)境

34、的抗干擾能力很強(qiáng)，適于遠(yuǎn)距離傳輸。好；對(duì)惡劣環(huán)境的抗干擾能力很強(qiáng)，適于遠(yuǎn)距離傳輸。 （2）數(shù)字化數(shù)字化。SAW傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的頻率信號(hào)傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的頻率信號(hào)進(jìn)行傳輸、處理，易于與計(jì)算機(jī)接口，組成自適應(yīng)實(shí)時(shí)處理系進(jìn)行傳輸、處理，易于與計(jì)算機(jī)接口，組成自適應(yīng)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。統(tǒng)。（3）易批量生產(chǎn)易批量生產(chǎn)。SAW傳感器的制作與集成電路技術(shù)兼容，傳感器的制作與集成電路技術(shù)兼容，極易集成化、智能化，結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定，重復(fù)性與可靠性極易集成化、智能化，結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定，重復(fù)性與可靠性好，適于批量生產(chǎn)。好，適于批量生產(chǎn)。（4）體積小、質(zhì)量輕、功耗低體積小、質(zhì)量輕、功耗低，可獲得良

35、好的熱性能和機(jī)械，可獲得良好的熱性能和機(jī)械性能。性能。SAW傳感器的特點(diǎn)傳感器的特點(diǎn) v 典型的典型的SAW傳感器包括：傳感器包括： 石英聲表面波裝置（石英聲表面波裝置（ST-Quartz SAW Device） SAW裝置檢測(cè)片（裝置檢測(cè)片（SAW Device Detector Block） 振幅測(cè)量系統(tǒng)（振幅測(cè)量系統(tǒng)（Amplitude Measurement System） 相位測(cè)量系統(tǒng)（相位測(cè)量系統(tǒng)（Phase Measurement System） 頻率測(cè)量系統(tǒng)（頻率測(cè)量系統(tǒng)（Frequency Measurement System） 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Pressure

36、Monitoring System） 溫度控制系統(tǒng)（溫度控制系統(tǒng)（Temperature Control System） 溫度壓力檢測(cè)儀（溫度壓力檢測(cè)儀（Temperatureand Pressure Test Apparatus） 數(shù)據(jù)采集軟件（數(shù)據(jù)采集軟件（Data Acquisition Software） SAW傳感器的組成傳感器的組成 1. SAW壓力傳感器壓力傳感器 SAW諧振式力學(xué)量傳感器包括諧振式力學(xué)量傳感器包括壓力傳感器壓力傳感器和和加速度傳感器加速度傳感器，SAW器件在基底壓電材料受到外界作用力時(shí)，諧振器的結(jié)構(gòu)尺器件在基底壓電材料受到外界作用力時(shí)，諧振器的結(jié)構(gòu)尺寸、壓電材料

37、的密度、彈性系數(shù)等發(fā)生變化，從而導(dǎo)致寸、壓電材料的密度、彈性系數(shù)等發(fā)生變化，從而導(dǎo)致SAW的的波長(zhǎng)、頻率和傳播速度等波長(zhǎng)、頻率和傳播速度等發(fā)生變化。通過測(cè)量發(fā)生變化。通過測(cè)量SAW傳感器傳感器的頻率變化可以得知壓力的大小。的頻率變化可以得知壓力的大小。 SAW壓力傳感器由壓力傳感器由SAW振蕩器、振蕩器、敏感模片、基底等組成。敏感模片、基底等組成。SAW傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 2. SAW氣體傳感器氣體傳感器 SAW氣體傳感器是在氣體傳感器是在SAW傳播路徑上和傳播路徑上和IDT區(qū)域淀積區(qū)域淀積一層化學(xué)界面膜，當(dāng)界面膜吸附被測(cè)氣體后，引起一層化學(xué)界面膜，當(dāng)界面膜吸附被測(cè)氣體后，引起SAW傳傳

38、播頻率變化，可以通過測(cè)量播頻率變化，可以通過測(cè)量SAW頻率的變化測(cè)量氣體濃度。頻率的變化測(cè)量氣體濃度。已經(jīng)開發(fā)出來的已經(jīng)開發(fā)出來的SAW氣體傳感器有氣體傳感器有SO2、水蒸氣、丙酮、水蒸氣、丙酮、甲醇、氫氣、甲醇、氫氣、H2S、NO2等傳感器。等傳感器。 SAW傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 化學(xué)戰(zhàn)劑檢測(cè)器化學(xué)戰(zhàn)劑檢測(cè)器以以SAW化學(xué)傳感器對(duì)化學(xué)傳感器對(duì) 化學(xué)毒劑進(jìn)行檢測(cè)?；瘜W(xué)毒劑進(jìn)行檢測(cè)。 3. 溫度傳感器溫度傳感器 當(dāng)溫度變化時(shí)，當(dāng)溫度變化時(shí)，SAW振蕩器的振蕩頻率會(huì)發(fā)生變振蕩器的振蕩頻率會(huì)發(fā)生變化，從而可以制成化，從而可以制成SAW溫度傳感器。溫度傳感器。SAW溫度傳感器溫度傳感器具有長(zhǎng)期穩(wěn)定

39、性，靈敏度很高，可測(cè)量出具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，靈敏度很高，可測(cè)量出10-410-6的微小溫度變化。的微小溫度變化。SAW溫度傳感器可以用于氣象測(cè)溫、溫度傳感器可以用于氣象測(cè)溫、糧倉(cāng)測(cè)溫、火災(zāi)報(bào)警等。糧倉(cāng)測(cè)溫、火災(zāi)報(bào)警等。SAW傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 http:/ SAW無源電子標(biāo)簽技術(shù)，射頻識(shí)別無源電子標(biāo)簽技術(shù)，射頻識(shí)別 SAW傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 a，SAW標(biāo)簽由標(biāo)簽由叉指換能器叉指換能器和和若干反射器若干反射器組成。組成。b，閱讀器的天線周期地發(fā)送高頻詢問脈沖，電子標(biāo)簽天，閱讀器的天線周期地發(fā)送高頻詢問脈沖，電子標(biāo)簽天線將接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉(zhuǎn)換為聲表面線將接收到的高頻脈沖通過叉

40、指換能器轉(zhuǎn)換為聲表面波，并在晶體表面?zhèn)鞑?。波，并在晶體表面?zhèn)鞑ァ，反射器組將聲表面波反射回叉指換能器，重新轉(zhuǎn)換為，反射器組將聲表面波反射回叉指換能器，重新轉(zhuǎn)換為高頻脈沖串后通過天線發(fā)送出去。高頻脈沖串后通過天線發(fā)送出去。d，如果反射器組按照某種特定的規(guī)律設(shè)計(jì)，則其反射信，如果反射器組按照某種特定的規(guī)律設(shè)計(jì)，則其反射信號(hào)中將含有該物體的特定編碼信息，通過解調(diào)達(dá)到自號(hào)中將含有該物體的特定編碼信息，通過解調(diào)達(dá)到自動(dòng)識(shí)別的目的。動(dòng)識(shí)別的目的。SAW傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 信號(hào)處理信號(hào)處理 SAW標(biāo)簽標(biāo)簽 詢問脈沖詢問脈沖 回波脈沖回波脈沖 詢問機(jī)詢問機(jī) SAW電子標(biāo)簽可廣泛應(yīng)用于物流管理、路橋收費(fèi)

41、、公共交通、電子標(biāo)簽可廣泛應(yīng)用于物流管理、路橋收費(fèi)、公共交通、門禁控制、防偽、超市收費(fèi)和防盜、設(shè)備資產(chǎn)管理、郵包跟蹤、門禁控制、防偽、超市收費(fèi)和防盜、設(shè)備資產(chǎn)管理、郵包跟蹤、航空行李分揀等領(lǐng)域。航空行李分揀等領(lǐng)域。生物敏傳感器是生物敏傳感器是含有生物敏感元件含有生物敏感元件的器件，它們能對(duì)化的器件，它們能對(duì)化學(xué)成分、特別是與生物相關(guān)聯(lián)的分子提供特殊而靈敏的響應(yīng)。學(xué)成分、特別是與生物相關(guān)聯(lián)的分子提供特殊而靈敏的響應(yīng)。生物敏傳感器的基本結(jié)構(gòu)生物敏傳感器的基本結(jié)構(gòu) u 外膜片允許目標(biāo)分析物外膜片允許目標(biāo)分析物滲透，但排除其它物質(zhì)的滲透，但排除其它物質(zhì)的進(jìn)入；進(jìn)入；u 生物元件通過生物化學(xué)生物元件通過

42、生物化學(xué)反應(yīng)，將分析物轉(zhuǎn)換成不反應(yīng)，將分析物轉(zhuǎn)換成不同的化學(xué)成分，釋放化學(xué)同的化學(xué)成分，釋放化學(xué)物質(zhì)或改變分析物的電特物質(zhì)或改變分析物的電特性、機(jī)械特性、光學(xué)特性性、機(jī)械特性、光學(xué)特性等。等。生物敏傳感器生物敏傳感器 生物敏傳感器是生物敏傳感器是分子生物學(xué)分子生物學(xué)與微電子學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)等與微電子學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)等結(jié)合的產(chǎn)物。它采用結(jié)合的產(chǎn)物。它采用固定化的細(xì)胞、酶、抗體、抗原、激素固定化的細(xì)胞、酶、抗體、抗原、激素等等生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器利用生生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器利用生物特有的生化反應(yīng)，有針對(duì)的對(duì)有機(jī)物進(jìn)行簡(jiǎn)便而迅速的測(cè)定。物特有的生

43、化反應(yīng)，有針對(duì)的對(duì)有機(jī)物進(jìn)行簡(jiǎn)便而迅速的測(cè)定。它有良好的選擇性，噪聲低，操作簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，能以它有良好的選擇性，噪聲低，操作簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，能以電信電信號(hào)方式號(hào)方式直接輸出，容易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化。直接輸出，容易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化。生物敏傳感器生物敏傳感器 生物敏傳感器由生物敏傳感器由分子識(shí)別元件（敏感基元）分子識(shí)別元件（敏感基元）和與之結(jié)和與之結(jié)合的合的信號(hào)轉(zhuǎn)換器件（換能器）信號(hào)轉(zhuǎn)換器件（換能器）兩部分組成。兩部分組成。敏感基元敏感基元是指對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行選擇性作用的生物活性單是指對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行選擇性作用的生物活性單元。它可以是生物體成分或生物體本身。敏感基元的主要元。它可以是生物體成分或生物體本身。敏

44、感基元的主要功能是特異的識(shí)別各種被測(cè)物并與之反應(yīng)。功能是特異的識(shí)別各種被測(cè)物并與之反應(yīng)。換能器換能器是指能捕捉敏感基元與目標(biāo)物之間的作用過程，是指能捕捉敏感基元與目標(biāo)物之間的作用過程，并將其表達(dá)為物理信號(hào)的元件。常用的換能器有電化學(xué)電并將其表達(dá)為物理信號(hào)的元件。常用的換能器有電化學(xué)電極、離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管（極、離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ISFET）、熱敏電阻及微光管）、熱敏電阻及微光管等。等。生物敏傳感器的組成生物敏傳感器的組成 按所用分子識(shí)別元件按所用分子識(shí)別元件的不同可以分為酶?jìng)鞲衅?、微生的不同可以分為酶?jìng)鞲衅?、微生物敏傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、免疫傳感器等；物敏傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳

45、感器、免疫傳感器等； 按信號(hào)轉(zhuǎn)換元件按信號(hào)轉(zhuǎn)換元件不同可以分為電化學(xué)生物敏傳感器、不同可以分為電化學(xué)生物敏傳感器、半導(dǎo)體生物敏傳感器、測(cè)熱型生物敏傳感器、測(cè)光型生物半導(dǎo)體生物敏傳感器、測(cè)熱型生物敏傳感器、測(cè)光型生物敏傳感器、測(cè)聲型生物敏傳感器等；敏傳感器、測(cè)聲型生物敏傳感器等； 按對(duì)輸出信號(hào)的不同測(cè)量方式按對(duì)輸出信號(hào)的不同測(cè)量方式又分為電位型生物敏傳又分為電位型生物敏傳感器、電流型生物敏傳感器和伏安型生物敏傳感器。感器、電流型生物敏傳感器和伏安型生物敏傳感器。 生物敏傳感器的分類生物敏傳感器的分類 1. 將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) 以酶?jìng)鞲衅鳛槔?，酶能催化特定的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，

46、從以酶?jìng)鞲衅鳛槔?，酶能催化特定的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而使特定物質(zhì)的量有所增減。用能把這類物質(zhì)的量的改變而使特定物質(zhì)的量有所增減。用能把這類物質(zhì)的量的改變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置與固定化酶相耦合，即組成酶?jìng)鞲衅?。轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置與固定化酶相耦合，即組成酶?jìng)鞲衅?。常用的信?hào)轉(zhuǎn)換裝置有氫離子電極、過氧化氫電極以及其常用的信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置有氫離子電極、過氧化氫電極以及其它離子選擇性電極、它離子選擇性電極、ISFET等等 2. 將熱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)將熱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) 固定化的生物物質(zhì)在進(jìn)行分子識(shí)別時(shí)經(jīng)常伴隨有熱量固定化的生物物質(zhì)在進(jìn)行分子識(shí)別時(shí)經(jīng)常伴隨有熱量變化，例如大多數(shù)酶反應(yīng)。借助熱敏電阻可以把反應(yīng)的熱變化，

47、例如大多數(shù)酶反應(yīng)。借助熱敏電阻可以把反應(yīng)的熱轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓瓿蔁犭娹D(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓瓿蔁犭娹D(zhuǎn)換。生物敏傳感器的工作方式生物敏傳感器的工作方式 3. 將光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)將光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) 有些酶能催化產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，例如過氧化氫酶能有些酶能催化產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，例如過氧化氫酶能催化過氧化氫產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光。許多酶反應(yīng)都伴隨有過催化過氧化氫產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光。許多酶反應(yīng)都伴隨有過氧化氫產(chǎn)生，如果將過氧化氫酶同其它催化酶一起做氧化氫產(chǎn)生，如果將過氧化氫酶同其它催化酶一起做成復(fù)合酶膜，再與光電流測(cè)定裝置相連，就可以通過成復(fù)合酶膜，再與光電流測(cè)定裝置相連，就可以通過測(cè)定光電信號(hào)來檢測(cè)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。測(cè)

48、定光電信號(hào)來檢測(cè)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。4. 直接產(chǎn)生電信號(hào)方式直接產(chǎn)生電信號(hào)方式 分子識(shí)別元件同待測(cè)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)伴隨的分子識(shí)別元件同待測(cè)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞氧化等電信號(hào)的變化可以直接電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞氧化等電信號(hào)的變化可以直接或通過電子傳遞體的作用由電極導(dǎo)出?；蛲ㄟ^電子傳遞體的作用由電極導(dǎo)出。 生物敏傳感器的工作方式生物敏傳感器的工作方式 場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物敏傳感器由場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物敏傳感器由分子識(shí)別部分分子識(shí)別部分（感受器）（感受器）和和信號(hào)轉(zhuǎn)換部分信號(hào)轉(zhuǎn)換部分（換能器，（換能器，F(xiàn)ET）兩部分構(gòu)成。感受器部）兩部分構(gòu)成。感受器部分主要指一種膜，生物敏感物質(zhì)附著其上

49、或包含在膜中。分主要指一種膜，生物敏感物質(zhì)附著其上或包含在膜中。待測(cè)物質(zhì)與敏感物質(zhì)接觸時(shí)，發(fā)生物理或化學(xué)變化，這種待測(cè)物質(zhì)與敏感物質(zhì)接觸時(shí)，發(fā)生物理或化學(xué)變化，這種變化通過變化通過離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （ ISFET ）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。輸出。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET） 酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管由酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管由酶膜酶膜和和ISFET構(gòu)成，構(gòu)成，ISFET多為對(duì)多為對(duì)H+敏敏感的感的pHISFET 。把酶膜固定在柵極絕緣膜（。把酶膜固定在柵極絕緣膜（Si3N4-SiO2）上。）上。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于酶的催化作用，使待測(cè)的有機(jī)分子反應(yīng)生成進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于酶的催化作用，使

50、待測(cè)的有機(jī)分子反應(yīng)生成ISFET能夠響應(yīng)的離子。能夠響應(yīng)的離子。Si3N4表面離子濃度變表面離子濃度變化化時(shí)，表面電荷將發(fā)生變時(shí)，表面電荷將發(fā)生變化，場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極對(duì)化，場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極對(duì)表面電荷非常敏感，由此表面電荷非常敏感，由此引起引起柵極的電位變化柵極的電位變化，從，從而對(duì)漏極電流進(jìn)行調(diào)制。而對(duì)漏極電流進(jìn)行調(diào)制。 酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管 1. 葡萄糖葡萄糖FET 測(cè)定葡萄糖的酶?jìng)鞲衅饔蓪?duì)測(cè)定葡萄糖的酶?jìng)鞲衅饔蓪?duì)H+敏感的敏感的pHISFET和固和固定在柵極上的葡萄糖氧化酶膜構(gòu)成。定在柵極上的葡萄糖氧化酶膜構(gòu)成。 +222OH OHD 葡萄糖氧化酶葡萄糖+葡萄糖酸根+H+濃度變化，

51、離子敏感膜濃度變化，離子敏感膜的界面電位發(fā)生變化。根據(jù)的界面電位發(fā)生變化。根據(jù)ISFET的特性，當(dāng)其漏極電流、的特性，當(dāng)其漏極電流、漏源電壓恒定時(shí)，柵極電壓漏源電壓恒定時(shí)，柵極電壓的變化量正比于溶液中的變化量正比于溶液中pH值的值的變化量。因此，采用恒壓電路變化量。因此，采用恒壓電路可將柵壓的變化由記錄儀描繪可將柵壓的變化由記錄儀描繪下來。下來。pH變化量又與葡萄糖含變化量又與葡萄糖含量有關(guān)，所以該系統(tǒng)可以用于量有關(guān)，所以該系統(tǒng)可以用于葡萄糖測(cè)定。葡萄糖測(cè)定。 酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管 2. 尿素酶尿素酶FET 臨床檢查上，定量分析血清和體液中的尿素，對(duì)于腎功能衰臨床檢查上，定量分析血清和

52、體液中的尿素，對(duì)于腎功能衰竭患者的診斷是必不可少的。尿素在尿素酶的催化作用下，按下竭患者的診斷是必不可少的。尿素在尿素酶的催化作用下，按下式分解：式分解：22432NHCO2H OH2NHHCO 尿素酶尿素尿素酶反應(yīng)時(shí)消耗溶液中的尿素尿素酶反應(yīng)時(shí)消耗溶液中的H+，尿素酶，尿素酶FET的工的工作原理就是利用作原理就是利用ISFET檢驗(yàn)?zāi)蛩啬蛩孛阜磻?yīng)時(shí)溶液中的檢驗(yàn)?zāi)蛩啬蛩孛阜磻?yīng)時(shí)溶液中的pH值值發(fā)生的變化。發(fā)生的變化。酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管 生物敏傳感器的特點(diǎn)和應(yīng)用：生物敏傳感器的特點(diǎn)和應(yīng)用： 靈敏性、靈敏性、專一性專一性、快速反應(yīng)、只需少量樣品等，可能代替、快速反應(yīng)、只需少量樣品等，可能代

53、替生物鑒定和顯微分析，已用于物質(zhì)快速測(cè)量、食品和醫(yī)藥測(cè)試、生物鑒定和顯微分析，已用于物質(zhì)快速測(cè)量、食品和醫(yī)藥測(cè)試、環(huán)境檢測(cè)等。環(huán)境檢測(cè)等。生物敏傳感器生物敏傳感器 3. 青霉素青霉素FET 將青霉素酶涂覆在將青霉素酶涂覆在H+ISFET柵上，就構(gòu)成了青霉素酶場(chǎng)效柵上，就構(gòu)成了青霉素酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可以用來測(cè)定青霉素的效價(jià)。青霉素水解為青霉菌酸應(yīng)晶體管，可以用來測(cè)定青霉素的效價(jià)。青霉素水解為青霉菌酸（Penicilloic acid）放出）放出H+，使電極表面的，使電極表面的pH值下降，降低值與值下降，降低值與待測(cè)樣品中青霉素含量有關(guān)。這種青霉素待測(cè)樣品中青霉素含量有關(guān)。這種青霉素FET檢測(cè)青霉

54、素濃度檢測(cè)青霉素濃度的線性范圍為的線性范圍為0.22.5m mol/L，響應(yīng)時(shí)間約為，響應(yīng)時(shí)間約為10s。 智能傳感器是智能傳感器是微處理器和傳統(tǒng)傳感器微處理器和傳統(tǒng)傳感器相結(jié)合的產(chǎn)物，相結(jié)合的產(chǎn)物，國(guó)際上稱為國(guó)際上稱為Intelligent Sensor 或或Smart Sensor。它具有。它具有準(zhǔn)準(zhǔn)確度高、可靠性高確度高、可靠性高等特點(diǎn)，并具有一定的等特點(diǎn)，并具有一定的數(shù)據(jù)處理能力數(shù)據(jù)處理能力，能夠自檢、自校、自補(bǔ)償。能夠自檢、自校、自補(bǔ)償。主要由傳感器、微處理器及相關(guān)電路組成。主要由傳感器、微處理器及相關(guān)電路組成。智能傳感器智能傳感器 1. 微處理器主板：微處理器主板：由由CPU、存儲(chǔ)器、串行通信接口、地址譯、存儲(chǔ)器、串行通信接口、地址譯碼器、時(shí)鐘發(fā)生器、地址總線、控制總線碼器、時(shí)鐘發(fā)生器、地址總線、控制總線等組成。其性能決定等組成。其性能決定了傳感器的硬件電路、接口設(shè)計(jì)、模塊數(shù)目等。了傳感器的硬件電路、接口設(shè)計(jì)、模塊數(shù)目等。 2. 模擬量輸入模板模擬量輸入模板傳感器輸出一般為傳感器輸出一般為毫伏數(shù)量級(jí)毫伏數(shù)量級(jí)的模擬量，的模擬量，要滿足要滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的要求，必須經(jīng)過放大、濾波等處理，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路的要求，必須經(jīng)過放大、濾波等處理，經(jīng)過過A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)轿⑻?/p>