第九章 幾種新型傳感器的簡介

1、第九章 幾種新型傳感器的簡介第二講 生物傳感器和超聲波傳感器教學目的要求：1.了解生物傳感器的原理和測量應用。 2.了解超聲波傳感器的原理和應用教學重點：生物和超聲波傳感器的原理教學難點：生物和超聲波傳感器的原理教學學時：2學時教學內(nèi)容：一、生物傳感器1生物傳感器的定義用生物功能物質(zhì)（固定化的生物體成分：如酶、抗原、抗體、激素等，或生物體本身：細胞、細胞體、動植物組織）作為敏感元件的傳感器，稱為分子生物傳感器，簡稱生物傳感器（Biosensor）。2生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)生物傳感器通常將生物物質(zhì)固定在高分子膜等固體載體上，被識別的生物分子作用于生物功能性人工膜（生物傳感器）時，將會產(chǎn)生變化的（光

2、、電、熱等）信號輸出。然后采用光測量、熱測量及電化學反應測量等方法測量出信號。因此，生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)可用圖9-16形象地表示。 圖9-16 生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)3生物傳感器的分類（1）基于構(gòu)成傳感器的生物活性材料的分類方法，如酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳 感器、組織傳感器和細胞傳感器。（2）著眼于測量對象物質(zhì)的分類方法，如葡萄糖傳感器、膽甾醇傳感器。（3）基于信號變換原理的分類方法，如光生物傳感器、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器等。4. 生物傳感器的工作原理酶+底物酶底物中間復合物產(chǎn)物+酶 圖9-17 生物傳感器原理圖5.生物傳感器的應用目前已經(jīng)問世或正在研究的生物傳感器大致有這樣幾類

3、：酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、有機物傳感器、生物電子學傳感器等。下面主要介紹酶傳感器的結(jié)構(gòu)和應用。酶是生物體內(nèi)具有催化劑作用的活性蛋白質(zhì)。與其他蛋白質(zhì)一樣，酶具有特異的催化功能。因此，被稱為生物催化劑。它的理化性質(zhì)即為蛋白質(zhì)。酶是大分子化合物，其分子量從一萬到幾十萬。由于酶的催化功能，它在生命活動中起著極為重要的作用。它參加新陳代謝過程中的所有生化反應，并以極高的速度和明顯的方向性維持生命的代謝活動，包括生長、發(fā)育、繁殖與運動，可以說沒有酶就沒有生命。二、 超聲波傳感器1.超聲波檢測的物理基礎(chǔ)1）波與聲波2）超聲波的波型（1）縱波 質(zhì)點振動方向與傳播方向一致的波，稱為縱波。它能在固體、

4、液體、和氣體中傳播。（2）橫波 質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波稱為橫波。它只能在固體中傳播。（3）表面波 質(zhì)點的振動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。表面波質(zhì)點振動的軌跡是橢圓形的，質(zhì)點位移的長軸垂直于傳播方向，質(zhì)點位移的短軸平行于傳播方向，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?. 超聲波換能器（超聲波傳感器）1）壓電式超聲波換能器壓電式超聲波換能器的原理是以壓電效應為基礎(chǔ)的。作為超聲波換能器的發(fā)射部分是利用壓電材料的逆壓電效應（電致伸縮效應）原理，在壓電材料切片上施加交變電壓，使其產(chǎn)生電致伸縮效應而產(chǎn)生超聲波。超聲波換能器的接收部分是利用壓電材料的正壓電效應

5、原理，當超聲波作用到壓電晶片時相當于施加一個作用力，在晶片的相應界面上產(chǎn)生交變電荷，此電荷經(jīng)放大器（電壓或電荷放大器）轉(zhuǎn)換成電壓信號被記錄或顯示結(jié)果。超聲波接收器的結(jié)構(gòu)與發(fā)生器的結(jié)構(gòu)基本相同，有時就用同一個換能器兼作發(fā)生器和接收器兩種用途。2）磁致伸縮式換能器磁致伸縮式換能器發(fā)射部分是將鐵磁材料置于交變磁場中，使它產(chǎn)生機械振動，從而產(chǎn)生超聲波的一種裝置。它用厚度為0.10.4mm的鎳片疊加而制成，片間絕緣以減少電渦流損失，其結(jié)構(gòu)有矩形、窗形等。磁致伸縮超聲波接收器是利用磁致伸縮的逆效應（即壓磁效應）而進行工作的。3 超聲波傳感器的應用高頻超聲波由于它的波長短，不易產(chǎn)生繞射，碰到雜質(zhì)或分界面就會

6、有明顯的反射，而且方向性好，能成為射線而定向傳播，在液體和固體中衰減小，穿透本領(lǐng)大，這些特性使超聲波傳感器得到了成功的應用。1超聲波探傷用超聲波探查金屬體內(nèi)傷是一種無破壞性（無損）檢測，甚至可使板材、棒材在高速運行中進行檢測，構(gòu)成全自動檢測系統(tǒng)，不但能發(fā)出報警信號，還可以在缺陷區(qū)域噴上彩色涂料，并根據(jù)缺陷的數(shù)量或嚴重程度作出“通過”或“拒收”的決定。2超聲波測量液位 利用超聲波測量液位的工作原理如下：由發(fā)射換能器發(fā)出超聲波脈沖，在介質(zhì)中傳到液面，經(jīng)反射后再通過介質(zhì)返回到接收換能器，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需要的時間，根據(jù)介質(zhì)中的聲速，就能算出從換能器到液面之間的距離，從而確定液位。根據(jù)傳聲

7、介質(zhì)的不同，可以分為液介式、氣介式和固介式三類；根據(jù)換能器的工作方式，又可分為自發(fā)自收單換能器方式和一發(fā)一收雙換能器方式。這樣可以組成六種超聲波液位計方案，如圖9-24所示。圖9-24 超聲液位計原理圖3超聲波測厚度利用超聲波檢測厚度的方法有共振法、干涉法、脈沖回波法等。圖9-25為脈沖回波法檢測厚度的原理框圖。超聲波探頭與被測物體表面接觸，主控制器控制發(fā)射電路，使探頭發(fā)出的超聲波到達被測物體底面反射回來形成的脈沖信號又被探頭所接收，經(jīng)放大器放大后加到示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上。標記發(fā)生器輸出的是時間標記脈沖信號，同時加到該垂直偏轉(zhuǎn)板上，而 圖9-25 超聲波測厚度原理圖掃描電壓信號則加在水平偏轉(zhuǎn)板上，因此，在示波器上可直接測出發(fā)射與接收超聲波之間的時間間隔t，那么，被測物體的厚度h為 式中v超聲波在物體中的傳播速度。本講小結(jié)用生物功能物質(zhì)作為敏感元件的傳感器，稱為生物傳感器。生物傳感器通常將生物物質(zhì)固定在高分子膜等固體載體上，被識別的生物分子作用于生物功能性人工膜時，將會產(chǎn)生變化的（光、電、熱等）信號輸出。然后采用光測量、熱測量及電化學反應測量等方法測量出信號。 超聲波傳感器是利用超聲波（20000HZ的聲波）的反射、折射、衰減等物理性質(zhì)，把非電量（如位移、速度的等）轉(zhuǎn)換成聲學參數(shù)（如聲速、聲阻抗、聲衰減等），而這