現(xiàn)代檢測技術(shù)新型傳感器

現(xiàn)代檢測技術(shù)新型傳感器第1頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第2頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第3頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第4頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第5頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第6頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第7頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第8頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第9頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第11頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第12頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第13頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第14頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一第15頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一1．紅外輻射：紅光以外的光線，波長0.76～1000μm。

波長/μm

任何溫度高于絕對零度（-273.16℃）的物體，都會發(fā)射或吸收紅外線，即紅外輻射。當(dāng)達到熱平衡時，散發(fā)和吸收的輻射一樣多。物體紅外輻射的強度和波長分布取決于物體的溫度和輻射率等。紅外輻射傳感器第16頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一2．紅外輻射規(guī)律：1）基爾霍夫定律：物體向外發(fā)射輻射能取決于它的吸收本領(lǐng)。ER——物體在單位面積、單位時間內(nèi)發(fā)出的輻射能；α——物體對輻射能的吸收系數(shù)；E0

——常數(shù)，等價于黑體在相同溫度下發(fā)射出的輻射能。紅外輻射傳感器第17頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一2）斯蒂芬－玻爾茨曼(Stefan-Boltzmann)定律：

物體單位面積輻射功率、物體輻射強度W

與其熱力學(xué)溫度T四次方成正比：（1）黑體ε=1，在任何溫度下能全部吸收任何波長的輻射；（2）物體輻射強度隨溫度升高而明顯增強；（3）大氣對不同波長的紅外輻射有不同的穿透程度。紅外輻射傳感器第18頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一3）普朗克定律：絕對溫度為T時，在單位波長內(nèi)其單位面積沿半球方向所輻射的能量稱為光譜輻射通量密度。不同溫度時黑體光譜輻射通量密度與波長的關(guān)系為：紅外輻射傳感器第19頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一a.隨溫度升高，峰值輻射波長向短波方向移動，強度按指數(shù)增長；b.溫度不太高時，輻射波長位于紅外區(qū)域；c.峰值左側(cè)能量約占25％，右側(cè)約占75％。 4）維恩位移定律：光譜輻射通量密度峰值波長與物體自身的絕對溫度成反比。紅外輻射傳感器第20頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一

能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的裝置稱為紅外傳感器，按其工作原理可以分為光敏型（或稱光子型、量子型）和熱敏型兩類。

光敏型直接把紅外光能轉(zhuǎn)換為電能，其工作原理是光電效應(yīng)。需要在低溫下工作、靈敏度很高，響應(yīng)速度快，但響應(yīng)紅外光的波長范圍較窄（圖中曲線2）。紅外傳感器光譜響應(yīng)曲線紅外輻射傳感器

熱敏型將吸收的紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使器件自身的溫度發(fā)生變化，包括熱電偶式、電阻式和熱釋電式等。熱敏型紅外傳感器響應(yīng)的紅外光譜范圍寬，（圖中的曲線1），能在常溫下工作，價格便宜。它的響應(yīng)速度和靈敏度較低。第21頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一

以紅外線為測量介質(zhì)的系統(tǒng)稱為紅外傳感系統(tǒng)，按照功能可以分成五類：（1）溫度計和輻射計，用于溫度、輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，由以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個組合而成。紅外輻射傳感器第22頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一（3）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)于雷達天線，常用的是物鏡。（4）輻射調(diào)制器：將來自待測目標(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。又稱調(diào)制盤和斬波器。（1）待側(cè)目標(biāo)：具有紅外輻射特性。（2）大氣衰減：由于各種氣體分子以及溶膠粒的散射和吸收，使待測目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。典型的紅外傳感系統(tǒng)第23頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一（5）紅外探測器：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)探測紅外輻射，按照工作原理分為光敏探測器和熱敏探測器兩類。（6）探測器制冷器：由于某些探測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，探測器可以縮短響應(yīng)時間，提高靈敏度。（7）信號處理系統(tǒng)：將探測的信號進行放大、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)母袷剑瑐魉偷娇刂圃O(shè)備或者顯示器中。（8）顯示設(shè)備：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、指示儀器和記錄儀等。典型的紅外傳感系統(tǒng)第24頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一

濾光片采用允許在8～14μm的紅外輻射能通過的材料，步進電機帶動調(diào)制盤轉(zhuǎn)動，將被測的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線，透鏡焦點落在紅外光敏面上，被測目標(biāo)的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，并將紅外輻射變換為電信號。

例1：紅外測溫（0-700℃）紅外輻射傳感器第25頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一例2：紅外測溫（800℃以上的高溫）假定人造黑體吸收了由被測物輻射的全部能量，則有：從而得到：紅外輻射傳感器第26頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一例3：紅外熱成像

紅外熱像儀將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光進行顯示，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，精確的攝取反映被測物體溫差信息的熱圖像。紅外輻射傳感器第27頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一熱像技術(shù)應(yīng)用：溫度分布檢測、飛行器表面溫度檢測、無損探測、安全生產(chǎn)監(jiān)控、夜間機場狀況檢測、海岸線檢測、臨床醫(yī)學(xué)、軍事等。紅外輻射傳感器防爆型紅外熱像儀用于探測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儀用于井下人員搜救、探測隱性火區(qū)分布、探測瞎炮位置分布、采煤機組與液壓支架實時工作狀態(tài)、探測井下各種開關(guān)、接頭、變壓器的事故隱患、各種電器及傳動設(shè)備的發(fā)熱狀態(tài)等。第28頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一紅外熱像儀應(yīng)用貯存罐液位檢測內(nèi)部屋頂檢查微觀電路檢測塑料擠壓過程溫度檢測第29頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一總線節(jié)點發(fā)熱檢測耐火材料設(shè)備檢測電腦主板發(fā)熱量分布瀝青鋪路溫度分布紅外熱像儀應(yīng)用第30頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一

機械振動在介質(zhì)中的傳播稱為聲波，人耳可以聽到的聲波頻率范圍是16～20kHz，超過20kHz的聲波稱為超聲波，如圖所示。超聲波傳感器第31頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一

聲敏傳感器是將在氣體、液體或固體介質(zhì)中傳播的機械振動轉(zhuǎn)換為電信號的器件或裝置。傳統(tǒng)的聲敏傳感器包括電阻變換型、壓電式、電容式等，下面介紹超聲波傳感器和聲表面波（SAW）傳感器。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?，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)鞑ァ?）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、液體和氣體中傳播。2）橫波：質(zhì)點振動方向與傳播方向相垂直的波稱為橫波。聲波的分類第32頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一

以非接觸方式工作，特別適用于防爆、放射性、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用，也更容易安裝和維護。

頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象?。环较蛐院?、能夠成為射線而定向傳播；對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射式回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)；

傳播速度取決于媒質(zhì)，與超聲波頻率無關(guān)。超聲波的特點第33頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一

利用壓電材料制成，逆壓電效應(yīng)將電振動轉(zhuǎn)換成機械振動產(chǎn)生超聲波，作為發(fā)射探頭；正壓電效應(yīng)將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號，作為接收探頭。

壓電式換能器是利用電致伸縮效應(yīng)制成的。通過在壓電材料上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動而產(chǎn)生超聲波。常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷和鋯鈦酸鉛等。壓電式超聲波探頭結(jié)構(gòu)超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)第34頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一

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?。ㄈ缰睆胶秃穸龋└鞑幌嗤?，因此每個探頭的性能是不同的：（1）工作頻率：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，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）工作溫度：由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。當(dāng)超聲探頭的溫度比較高時，需要單獨的制冷設(shè)備。（3）靈敏度：主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。超聲波傳感器的性能指標(biāo)第35頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一超聲波壓電陶瓷片的形式第36頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一超聲波傳感器的形式第37頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一超聲波傳感器的應(yīng)用各種場合的距離測量；生產(chǎn)線上的工件計數(shù)；接近開關(guān)；倒車報警裝置；機器人自動避障裝置；超聲波液位/物位計；自動門開關(guān)裝置；液體、氣體的濃度和流量檢測；超聲波清洗；超聲波霧化；探傷、測厚、測密度；醫(yī)療器械、美容儀、按摩儀第38頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波測物位：通過測量發(fā)射和接收信號之間的時間差測距離。包括液位測量、固體料位測量、固－液分界面測量以及液－液分界面測量和液體有無測量等。第39頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一超聲波流量傳感器超聲波傳感器的應(yīng)用第40頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一超聲波傳感器的應(yīng)用第41頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一超聲波傳感器的應(yīng)用常用超聲波流量傳感器分類：時差法和多普勒效應(yīng)法；

固定式和便攜式；條件傳播時間差法多普勒法適用液體水類(江河水，海水農(nóng)業(yè)用水等),油類（純凈燃油，潤滑油，食用油等），化學(xué)試劑，藥液等含雜質(zhì)多的水(下水，污水，農(nóng)業(yè)用水等)，漿類(泥漿，礦漿，紙漿化工料漿等)，油類(非凈燃油，重油，原油等)重復(fù)性誤差0.1%-0.3%1%傳輸電纜長度100-300m,在能保證信號質(zhì)量的前提下,可以小于100m<30m價格較高一般較低第42頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一超聲波測厚

常用脈沖回波法。超聲波探頭與被測物體表面接觸，主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，脈沖波傳到被測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v是已知的，設(shè)工件厚度為d，脈沖波從發(fā)射到接收的時間間隔為Δt，則工件的厚度為：d＝vΔt/2超聲波傳感器的應(yīng)用第43頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一超聲波無損探傷超聲波探傷分為穿透法探傷和反射法探傷。

穿透法探傷是根據(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)簡單，適合探測薄板；探測靈敏度較低，不能精確定位；對兩探頭的相對距離和位置要求較嚴(yán)格。超聲波傳感器的應(yīng)用第44頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一

反射法是以超聲波在工件中反射情況的不同來探測缺陷的方法，具體又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法。一次脈沖反射法是以一次底波為依據(jù)進行探傷的方法。多次脈沖反射法是以多次底波為依據(jù)進行探傷的方法。超聲波傳感器的應(yīng)用第45頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波測厚儀超聲波探傷儀超聲波探傷第46頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一

聲表面波簡稱SAW（SurfaceAcousticWave），是英國物理學(xué)家瑞利（Rayleigh）于19世紀(jì)末期在研究地震波的過程中發(fā)現(xiàn)的一種集中在地表面?zhèn)鞑サ穆暡āＨ魏喂腆w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、電壓等）對SAW的傳播參數(shù)會造成影響，根據(jù)這些影響與外界因素之間的關(guān)系可以研制出測量各種物理、化學(xué)參數(shù)的SAW傳感器。SAW瑞利波

SAW是一種沿彈性體表面?zhèn)鞑サ臋C械波。瑞利波質(zhì)點的運動是一種橢圓偏振。在各向同性固體中，它是由平行于傳播方向的縱振動和垂直于表面及傳播方向的橫振動合成的，兩者的相位差為90度。瑞利波的能量只集中在一個波長深的表面層內(nèi)，頻率越高，能量集中的表面層越薄。SAW傳感器第47頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一SAW傳感器是以SAW技術(shù)、電路技術(shù)、薄膜技術(shù)相結(jié)合設(shè)計的器件，由SAW換能器、電子放大器和SAW基片及其敏感區(qū)構(gòu)成，采用瑞利波進行工作。SAW換能器

換能器（IDT）是用蒸發(fā)或濺射等方法在壓電基片表面淀積一層金屬膜，再用光刻方法形成的叉指狀薄膜，它是產(chǎn)生和接收聲表面波的裝置。SAW傳感器第48頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一敏感基片采用石英、鈮酸鋰（LiNbO3）等壓電單晶材料制成。當(dāng)敏感基片受到物理、化學(xué)或機械量擾動作用時，其振蕩頻率會發(fā)生變化。通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計和理論計算，能使它僅對某一被測量有響應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)換成頻率量。SAW傳感器當(dāng)電壓加到叉指電極上時，由于壓電效應(yīng)，在表面產(chǎn)生一個相應(yīng)的彈性形變。由IDT激勵的聲表面波沿基片表面?zhèn)鞑?。?dāng)基片或基片上覆蓋的敏感材料薄膜受到被測量調(diào)制時，聲表面波的頻率將改變，并由接收叉指電極測得。第49頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一SAW諧振器結(jié)構(gòu)是將一個或兩個叉指換能器（IDT）置于一對反射柵陣列組成的腔體中構(gòu)成的。諧振器結(jié)構(gòu)采用一個IDT時稱為單端對諧振器，采用兩個IDT時稱為雙端對諧振器。反射柵陣列能夠?qū)⒁欢l率的入射波能量限制在由柵條組成的諧振腔內(nèi)。SAW傳感器的核心是SAW振蕩器，有諧振器型（R型）和延遲線型（DL型）兩種。SAW傳感器第50頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一諧振器型SAW振蕩器由SAW諧振器和放大電路組成。單端對諧振器的IDT既是發(fā)射端，也是接收端；雙端對諧振器中一個IDT作為發(fā)射端，另一個IDT作為接收端。將SAW諧振器的輸出信號經(jīng)放大后，正反饋到輸入端，只要放大器的增益能夠補償諧振器及其導(dǎo)線的損耗，同時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)。SAW傳感器第51頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)在壓電基片上設(shè)置兩個IDT，一個為發(fā)射IDT，另一個為接收IDT時，SAW在兩個IDT中心距之間產(chǎn)生時間延遲，稱為SAW延遲線。延遲線型SAW振蕩器由聲表面波延遲線和放大電路組成。輸入換能器T1激發(fā)出聲表面波，傳播到換能器T2轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大后反饋到T1以保持振蕩狀態(tài)。SAW傳感器第52頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一（1）高精度，高靈敏度。SAW傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換為電信號頻率進行測量，而頻率的測量精度很高，有效檢測范圍線性好；對惡劣環(huán)境的抗干擾能力很強，適于遠(yuǎn)距離傳輸。（2）數(shù)字化。SAW傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的頻率信號進行傳輸、處理，易于與計算機接口，組成自適應(yīng)實時處理系統(tǒng)。（3）易批量生產(chǎn)。SAW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)性與可靠性好，適于批量生產(chǎn)。（4）體積小、質(zhì)量輕、功耗低，可獲得良好的熱性能和機械性能。SAW傳感器的特點第53頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一

典型的SAW傳感器包括：

石英聲表面波裝置（ST-QuartzSAWDevice）

SAW裝置檢測片（SAWDeviceDetectorBlock）振幅測量系統(tǒng)（AmplitudeMeasurementSystem）相位測量系統(tǒng)（PhaseMeasurementSystem）頻率測量系統(tǒng)（FrequencyMeasurementSystem）壓力監(jiān)測系統(tǒng)（PressureMonitoringSystem）溫度控制系統(tǒng)（TemperatureControlSystem）溫度壓力檢測儀（TemperatureandPressureTestApparatus）數(shù)據(jù)采集軟件（DataAcquisitionSoftware）SAW傳感器的組成第54頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一1.SAW壓力傳感器SAW諧振式力學(xué)量傳感器包括壓力傳感器和加速度傳感器，SAW器件在基底壓電材料受到外界作用力時，諧振器的結(jié)構(gòu)尺寸、壓電材料的密度、彈性系數(shù)等發(fā)生變化，從而導(dǎo)致SAW的波長、頻率和傳播速度等發(fā)生變化。通過測量SAW傳感器的頻率變化可以得知壓力的大小。

SAW壓力傳感器由SAW振蕩器、敏感模片、基底等組成。SAW傳感器的應(yīng)用第55頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一2.SAW氣體傳感器

SAW氣體傳感器是在SAW傳播路徑上和IDT區(qū)域淀積一層化學(xué)界面膜，當(dāng)界面膜吸附被測氣體后，引起SAW傳播頻率變化，可以通過測量SAW頻率的變化測量氣體濃度。已經(jīng)開發(fā)出來的SAW氣體傳感器有SO2、水蒸氣、丙酮、甲醇、氫氣、H2S、NO2等傳感器。SAW傳感器的應(yīng)用化學(xué)戰(zhàn)劑檢測器——以SAW化學(xué)傳感器對化學(xué)毒劑進行檢測。第56頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一3.溫度傳感器當(dāng)溫度變化時，SAW振蕩器的振蕩頻率會發(fā)生變化，從而可以制成SAW溫度傳感器。SAW溫度傳感器具有長期穩(wěn)定性，靈敏度很高，可測量出10-4～10-6℃的微小溫度變化。SAW溫度傳感器可以用于氣象測溫、糧倉測溫、火災(zāi)報警等。SAW傳感器的應(yīng)用/commIndustry2/content.asp?contentid=149117第57頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一4.SAW無源電子標(biāo)簽技術(shù)，射頻識別SAW傳感器的應(yīng)用a，SAW標(biāo)簽由叉指換能器和若干反射器組成。b，閱讀器的天線周期地發(fā)送高頻詢問脈沖，電子標(biāo)簽天線將接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉(zhuǎn)換為聲表面波，并在晶體表面?zhèn)鞑?。c，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。d，如果反射器組按照某種特定的規(guī)律設(shè)計，則其反射信號中將含有該物體的特定編碼信息，通過解調(diào)達到自動識別的目的。第58頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一SAW傳感器的應(yīng)用信號處理SAW標(biāo)簽詢問脈沖

回波脈沖詢問機SAW電子標(biāo)簽可廣泛應(yīng)用于物流管理、路橋收費、公共交通、門禁控制、防偽、超市收費和防盜、設(shè)備資產(chǎn)管理、郵包跟蹤、航空行李分揀等領(lǐng)域。第59頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一生物敏傳感器是含有生物敏感元件的器件，它們能對化學(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)。生物敏傳感器的基本結(jié)構(gòu)

外膜片允許目標(biāo)分析物滲透，但排除其它物質(zhì)的進入；生物元件通過生物化學(xué)反應(yīng)，將分析物轉(zhuǎn)換成不同的化學(xué)成分，釋放化學(xué)物質(zhì)或改變分析物的電特性、機械特性、光學(xué)特性等。生物敏傳感器第60頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一生物敏傳感器是分子生物學(xué)與微電子學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)等結(jié)合的產(chǎn)物。它采用固定化的細(xì)胞、酶、抗體、抗原、激素等生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器利用生物特有的生化反應(yīng)，有針對的對有機物進行簡便而迅速的測定。它有良好的選擇性，噪聲低，操作簡單，重復(fù)性好，能以電信號方式直接輸出，容易實現(xiàn)檢測自動化。生物敏傳感器第61頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一生物敏傳感器由分子識別元件（敏感基元）和與之結(jié)合的信號轉(zhuǎn)換器件（換能器）兩部分組成。敏感基元是指對目標(biāo)物進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。敏感基元的主要功能是特異的識別各種被測物并與之反應(yīng)。換能器是指能捕捉敏感基元與目標(biāo)物之間的作用過程，并將其表達為物理信號的元件。常用的換能器有電化學(xué)電極、離子敏場效應(yīng)晶體管（ISFET）、熱敏電阻及微光管等。生物敏傳感器的組成第62頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一

按所用分子識別元件的不同可以分為酶傳感器、微生物敏傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、免疫傳感器等；

按信號轉(zhuǎn)換元件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、測熱型生物敏傳感器、測光型生物敏傳感器、測聲型生物敏傳感器等；按對輸出信號的不同測量方式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。生物敏傳感器的分類第63頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一1.將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栆悦競鞲衅鳛槔?，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)的量的改變轉(zhuǎn)換為電信號的裝置與固定化酶相耦合，即組成酶傳感器。常用的信號轉(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、ISFET等2.將熱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?/p>

固定化的生物物質(zhì)在進行分子識別時經(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第64頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一3.將光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栍行┟改艽呋a(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，再與光電流測定裝置相連，就可以通過測定光電信號來檢測所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。4.直接產(chǎn)生電信號方式分子識別元件同待測物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞氧化等電信號的變化可以直接或通過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第65頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一場效應(yīng)晶體管生物敏傳感器由分子識別部分（感受器）和信號轉(zhuǎn)換部分（換能器，F(xiàn)ET）兩部分構(gòu)成。感受器部分主要指一種膜，生物敏感物質(zhì)附著其上或包含在膜中。待測物質(zhì)與敏感物質(zhì)接觸時，發(fā)生物理或化學(xué)變化，這種變化通過離子敏場效應(yīng)晶體管（ISFET）轉(zhuǎn)換成電信號輸出。場效應(yīng)晶體管（FET）第66頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一酶場效應(yīng)晶體管由酶膜和ISFET構(gòu)成，ISFET多為對H+敏感的pH－ISFET。把酶膜固定在柵極絕緣膜（Si3N4-SiO2）上。進行測量時，由于酶的催化作用，使待測的有機分子反應(yīng)生成ISFET能夠響應(yīng)的離子。Si3N4表面離子濃度變化時，表面電荷將發(fā)生變化，場效應(yīng)晶體管柵極對表面電荷非常敏感，由此引起柵極的電位變化，從而對漏極電流進行調(diào)制。酶場效應(yīng)晶體管第67頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一1.葡萄糖－FET

測定葡萄糖的酶傳感器由對H+敏感的pH－ISFET和固定在柵極上的葡萄糖氧化酶膜構(gòu)成。H+濃度變化，離子敏感膜的界面電位發(fā)生變化。根據(jù)ISFET的特性，當(dāng)其漏極電流、漏－源電壓恒定時，柵極電壓的變化量正比于溶液中pH值的變化量。因此，采用恒壓電路可將柵壓的變化由記錄儀描繪下來。pH變化量又與葡萄糖含量有關(guān)，所以該系統(tǒng)可以用于葡萄糖測定。酶場效應(yīng)晶體管第68頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一2.尿素酶－FET

臨床檢查上，定量分析血清和體液中的尿素，對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，按下式分解：尿素－尿素酶反應(yīng)時消耗溶液中的H+，尿素酶－FET的工作原理就是利用ISFET檢驗?zāi)蛩兀蛩孛阜磻?yīng)時溶液中的pH值發(fā)生的變化。酶場效應(yīng)晶體管第69頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一生物敏傳感器的特點和應(yīng)用：

靈敏性、專一性、快速反應(yīng)、只需少量樣品等，可能代替生物鑒定和顯微分析，已用于物質(zhì)快速測量、食品和醫(yī)藥測試、環(huán)境檢測等。生物敏傳感器3.青霉素－FET

將青霉素酶涂覆在H+－ISFET柵上，就構(gòu)成了青霉素酶場效應(yīng)晶體管，可以用來測定青霉素的效價。青霉素水解為青霉菌酸（Penicilloicacid）放出H+，使電極表面的pH值下降，降低值與待測樣品中青霉素含量有關(guān)。這種青霉素－FET檢測青霉素濃度的線性范圍為0.2～2.5mmol/L，響應(yīng)時間約為10s。第70頁，共77頁，2023年，2月20日，星期一智能傳感器是微處理器和傳統(tǒng)傳感器相結(jié)合的產(chǎn)物，國際上稱為IntelligentSensor或SmartSe