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文檔簡介

項(xiàng)目七其他類型的傳感器知識(shí)目標(biāo)

了解壓電加速度傳感器、壓電壓力傳感器的組成與工作原理;掌握壓電傳感器的的工作原理,了解壓電元件的材料性能,及溫度誤差補(bǔ)償方法;了解霍爾傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要參數(shù)指標(biāo)。技能目標(biāo)

掌握壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)、測速方法;掌握壓電壓力傳感器的結(jié)構(gòu)、測壓方法;掌握霍爾開關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)、外電路組成、工作原理;掌握霍爾線性集成傳感器的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、外電路組成、工作原理。任務(wù)一霍爾傳感器

知識(shí)準(zhǔn)備1.霍爾傳感器的工作原理

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁電轉(zhuǎn)換器件。霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種,這一現(xiàn)象是霍爾于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件,廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。

圖7-1霍爾效應(yīng)原理圖霍耳效應(yīng):在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流,若電流與磁場垂直,則在與磁場和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差。如圖7-1所示,長、寛、高分別為、、的N型半導(dǎo)體薄片的相對(duì)兩側(cè)、、通以控制電流,在薄片垂直方向加以磁場。在圖示方向磁場的作用下,電子將受到一個(gè)由側(cè)指向側(cè)方

向力的作用,這個(gè)力就是洛侖茲力,大小為:

、兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場,稱為霍爾電場。該電場對(duì)電子的作用力與洛侖茲力的方向相反,即阻止電荷的繼續(xù)積累。當(dāng)電場力與洛侖茲力相等時(shí),達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,這時(shí)有:霍爾電場的強(qiáng)度為:在與兩側(cè)面之間建立的電勢(shì)差稱為霍爾電壓,其大小為:設(shè):則:可以看出:(1)霍耳電壓大小與材料的性質(zhì)有關(guān);(2)霍耳電壓與元件的尺寸有關(guān);(3)霍耳電壓大小與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。2.霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)霍爾元件一般采用N型鍺、銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)體單晶材料制成,其中砷化銦為霍爾元件的常用材料。霍爾元件由霍爾片、引線和殼體組成。

材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn):N型鍺、砷化銦、銻化銦輸出小溫度和線形度較好線形度好受溫度影響比銻化銦小輸出沒有銻化銦大輸出大受溫度影響大

霍元件是一塊矩形半導(dǎo)體薄片,在長邊的兩端面上焊上兩根控制電流端引線,在元件短邊中間以點(diǎn)的形式焊上兩根霍爾輸出端引線,一般用非磁性金屬陶瓷或環(huán)養(yǎng)樹脂封裝。

圖7-2霍爾元件圖形符號(hào)和外形3.霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)1)輸入電阻和輸出電阻輸入電阻為電流激勵(lì)端的直流電阻,數(shù)十至數(shù)百歐姆,由霍爾元件的材料而定,其值隨溫度升高而減小,使輸入電流增大,從而影響霍爾電動(dòng)勢(shì),故霍爾元件最好采用恒流激勵(lì);輸出電阻為輸出端的等效直流電阻,大小與輸入電阻同數(shù)量級(jí),也隨溫度變化,為減小溫度對(duì)實(shí)際

輸出的霍爾電動(dòng)勢(shì)的影響,應(yīng)有適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻。2)額定控制電流霍爾元件在空氣中產(chǎn)生的溫升為10℃的激勵(lì)電流,激勵(lì)電流越大,霍爾電動(dòng)勢(shì)越高,最大激勵(lì)電流受元件溫升允許值限制。3)不等位電勢(shì),即未加磁場時(shí)的輸出電壓,一般小于。

霍爾元件制作時(shí)由于四個(gè)電極板的幾何尺寸不可能完全對(duì)稱,元件材料電阻率不均勻,基片寬度厚度不一致等造成在端輸入額定激勵(lì)電流時(shí),即使未加磁場,其輸出端也有不等于零的電動(dòng)勢(shì),該電動(dòng)勢(shì)稱為不等位電動(dòng)勢(shì)。4)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度額定激勵(lì)電流下,磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,霍爾電動(dòng)勢(shì)越大,但其非線性也越大,非線性誤差在允許范

圍內(nèi)的最大值。

5)霍耳電壓的溫度特性在一定磁場強(qiáng)度和激勵(lì)電流下,溫度每變化1℃時(shí)霍爾電動(dòng)勢(shì)相對(duì)變化的百分?jǐn)?shù)。4.霍爾零件的誤差分析霍爾傳感器的輸入——輸出簡單,且線性好,但是影響神經(jīng)質(zhì)性能的因素及造成誤差的原因很多,主要有下幾個(gè)方面:1)不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償霍爾元件的零位誤差包括不等位電勢(shì)、寄生直流電勢(shì)、和感應(yīng)零電勢(shì),其中不等位電勢(shì)是最主要的零位誤差。要降低除了在工藝上采取措施以外,還需采用補(bǔ)償電路加以補(bǔ)償。

(a)

(c)

(b)

(d)(e)(f)圖7-3不等位電動(dòng)勢(shì)的幾種補(bǔ)償電路2)溫度誤差及其補(bǔ)償采用恒流源提供恒定的控制電流可以減小溫度誤差,但元件的靈敏度也是溫度的系數(shù),對(duì)于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件,可在元件控制極并聯(lián)分流電阻來提高的溫度穩(wěn)定性,如圖7-4所示:圖7-4溫度補(bǔ)償電路3)寄生直流電動(dòng)勢(shì)由于霍爾元件的電極可能做到完全歐姆接觸,在控制電流極霍爾電動(dòng)勢(shì)極上都可能出現(xiàn)整流效應(yīng)。因此,當(dāng)元件通以交流控制電流時(shí),它的輸出除了交流不等位電動(dòng)勢(shì)外,還有一直流電動(dòng)勢(shì)分量,這電動(dòng)勢(shì)就稱為寄生直流電動(dòng)勢(shì)。寄生直流電動(dòng)勢(shì)與工作電流有關(guān),隨工作電流減小而減小。

另外,直流電動(dòng)勢(shì)的原因是霍爾電動(dòng)勢(shì)極的焊點(diǎn)不一致,因而熱容量不致產(chǎn)生了溫差。因此,一般在元件制作和安裝時(shí),應(yīng)盡量改善電極的歐姆接觸性能和元件的的散熱條件。4)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)霍爾元件在交變磁場中工作時(shí),即使不加控制電流,由于霍爾電動(dòng)勢(shì)極引線布置不合理,在輸出回路中也會(huì)產(chǎn)生附加感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),其大小正

比于磁場變化莫測的頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值,并與霍爾電動(dòng)勢(shì)極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比。如圖7-5所示。(a)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)示意圖(b)自身補(bǔ)償法圖7-5感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及其補(bǔ)償任務(wù)實(shí)施1.電梯智能稱重變送裝置

電梯智能稱重變送裝置,以霍爾線性集成傳感器為信息采集端,進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯的負(fù)載?;魻柧€性集成傳感器一般由霍耳元件和放大器組成,其輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系。當(dāng)外加磁場時(shí),霍耳元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。霍耳線性集成傳感器有單端輸出型和雙端輸出型兩種,典型產(chǎn)品分別為SL3501T和SL3501M兩種。

霍爾線性集成傳感器常用于:位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量和控制。

(a)單端輸出型傳感器的電路結(jié)構(gòu)

(b)雙端輸出型傳感器的電路結(jié)構(gòu)

圖7-7稱重變送裝置安裝在轎箱底部的示意圖

實(shí)驗(yàn)表明:霍爾傳感器與永久磁體間的距離對(duì)傳感器的靈敏度、線性度與量程都有很大影響,若霍爾傳感器與永久磁體距離很近,則該處的磁場強(qiáng)度很大,傳感器容易飽和,線性度差,量程小;若霍爾傳感器與永久磁體距離太遠(yuǎn),則磁場很弱,霍爾傳感器感應(yīng)不到磁場,靈敏度降低,因此稱重變送裝置安裝時(shí)必須確定永久磁體與稱重變送裝置間的最佳距離。

在實(shí)際應(yīng)用中,電梯空載時(shí)保持稱重變送裝置與磁體間距在19mm~22mm左右最為理想。為了使安裝滿足上述要求,利用CPU控制雙色發(fā)光二極管作為提示燈,當(dāng)稱重變送裝置與永久磁體間的距離到達(dá)最佳距離的誤差范圍(±0.1mm)內(nèi)時(shí),提示燈交替閃爍,此時(shí)固定稱重變送裝置,完成安裝。2.霍爾轉(zhuǎn)速傳感器電控柴油機(jī)中,轉(zhuǎn)速不僅僅是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)簡單的工作參數(shù),而且是電子控制系統(tǒng)其它參數(shù)計(jì)算的依據(jù)和控制噴射正確時(shí)的基準(zhǔn),轉(zhuǎn)速信號(hào)是通過轉(zhuǎn)速傳感器測量而得的,如果傳感器不能穩(wěn)定地工作,電控系統(tǒng)也就無法正確地控制發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。所以,傳感器的性能直接關(guān)系到電控系統(tǒng)的性能。

霍爾轉(zhuǎn)速傳感器是集成開關(guān)元件,能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量,并以開關(guān)信號(hào)形式輸出。具有無觸點(diǎn)、長壽命、高可靠性、無火花、無自激振蕩、溫度性能好、抗污染能力強(qiáng)、構(gòu)造簡單、堅(jiān)固、體積小、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)。但是由于存在電磁噪聲干擾,必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和整形,提高采集準(zhǔn)確度和抗干擾能力。

圖7-8霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部框圖

霍耳開關(guān)集成傳感器常用于:點(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速測量、里程測量、機(jī)械設(shè)備限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的測量和控制、位置及角度的檢測,等等。速檢測裝置中的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器為控制單元運(yùn)算和控制提供轉(zhuǎn)速和上止點(diǎn)基準(zhǔn)信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)盤安裝在曲軸上,工作時(shí)傳感器輸出信號(hào)經(jīng)整形后可得到相應(yīng)的方波脈沖信號(hào)。利用M68HC11單片機(jī)的輸入捕捉功能,

可得到相鄰的兩個(gè)上升沿的時(shí)間差,即可算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速n。圖7-9霍爾傳感器檢測裝置霍爾電流傳感器霍爾計(jì)數(shù)裝置無接觸式仿型加工任務(wù)二壓電傳感器

壓電傳感器由壓電傳感元件和測量電路組成,是一種典型的自發(fā)電式傳感器。壓電傳感器以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ),通過測量轉(zhuǎn)換電路,實(shí)現(xiàn)測量非電量的目的。壓電傳感器的敏感元件屬于力敏元件,可以測量應(yīng)力、壓力、振動(dòng)、加速度等物理量。根據(jù)壓電效應(yīng)的可逆性,也可做超聲波的發(fā)射與接收裝置。知識(shí)準(zhǔn)備1.壓電效應(yīng)

某些晶體,受一定方向外力作用而發(fā)生機(jī)械變形時(shí),相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷,外力去掉后,電荷消失;力的方向改變時(shí),電荷的符號(hào)也隨之改變。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)或正壓電效應(yīng)。當(dāng)晶體帶電或處于電場中時(shí),晶體的體積將產(chǎn)生伸長或縮短的變化。這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)或逆壓電效應(yīng)。

當(dāng)力的方向改變時(shí),電荷的極性隨之改變,輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同;當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí),電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。

以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)制作的傳感器,又稱為發(fā)電式傳感器、雙向傳感器、有源傳感器。2.典型的壓電材料1)石英晶體天然結(jié)構(gòu)的石英晶體為單晶體結(jié)構(gòu),有天然和人工培養(yǎng)兩種。石英晶體具有穩(wěn)定性好、自振頻率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、線性范圍寬、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn);但其靈敏度低、介電常數(shù)小。因此,標(biāo)準(zhǔn)傳感器和或使用溫度高的傳感器。

石英晶體為正六棱柱狀,在晶體力學(xué)中可用三根相互垂直的軸表示方向。其中縱軸稱為光軸,記作z軸;經(jīng)過棱線并垂直于光軸的軸稱為電軸,記作x軸;與光軸和電軸同時(shí)垂直的軸稱為機(jī)械軸,記作y軸。如圖7-10所示,為其外形及切片圖。

(a)石英晶體外形(b)坐標(biāo)系(c)切片圖7-10石英晶體

石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體切片及封裝石英晶體振蕩器(晶振)

石英晶體在振蕩電路中工作時(shí),壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用,從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振縱向壓電效應(yīng):沿電軸x軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng);橫向壓力效應(yīng):沿機(jī)械軸y軸方向的力作用下產(chǎn)生的壓電效用;沿光軸z軸方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。當(dāng)晶片在沿x軸的方向上受到壓縮應(yīng)作用時(shí),晶片將產(chǎn)生厚度變形,并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體的線性彈性范圍內(nèi),電荷出現(xiàn)在與x軸垂直

的平面上,其電荷量大小為:

如果沿y軸方向作用力時(shí),電荷仍出現(xiàn)在與x軸垂直的平面上,其電荷量為:(a)軸向受壓力(b)軸向受拉力(c)軸向受壓力(d)軸向受拉力圖7-11電荷極性與受力方向的關(guān)系2)壓電陶瓷(a)未極化(b)已極化圖7-12壓電陶瓷

極化處理后陶瓷材料受到外力作用時(shí),電疇的界限發(fā)生移動(dòng),電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化,因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng),將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象,就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成如下的正比關(guān)系:

目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛(PZT)系列,它是鈦酸鉛(PbTiO2)和鋯酸鉛(PbZrO3)組成的(Pb(ZrTi)O3)。居里點(diǎn)在300℃以上,性能穩(wěn)定,有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。壓電陶瓷外形

無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

(上海硅酸鹽研究所研制)

3)壓電高分子材料高分子材料屬于有機(jī)分子半結(jié)晶或結(jié)晶聚合物,其壓電效應(yīng)較復(fù)雜,不僅要考慮晶格中均勻的內(nèi)應(yīng)變對(duì)壓電效應(yīng)的貢獻(xiàn),還要考慮高分子材料中作非均勻內(nèi)應(yīng)變所產(chǎn)生的各種高次效應(yīng)以及同整個(gè)體系平均變形無關(guān)的電荷位移而表現(xiàn)出來的壓電特性。

目前已發(fā)現(xiàn)的壓電系數(shù)最高、且已進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的壓電高分子材料是聚偏氟乙烯(PVF2或PVDF)。另外高分子壓電材料還有聚氟乙烯(PVF)、改性聚氯乙烯(PVC)等。高分子材料具有柔軟性、防水性、測量動(dòng)態(tài)范圍寬、頻響范圍大、不易破碎等優(yōu)點(diǎn);但機(jī)械強(qiáng)度不高、易老化;因此常用于測量精度不高的場合,如水聲測量、防盜、振動(dòng)測量等方面。高分子壓電薄膜及拉制

高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

壓電式腳踏報(bào)警器

高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭(逆壓電效應(yīng))壓電元件有串聯(lián)和并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式,串聯(lián)可提高輸出電壓,并聯(lián)可提高輸出電荷。3.壓電元件的結(jié)構(gòu)形式

單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微,為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度,在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片(或兩片以上)同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。

(a)同極性粘接(b)不同極性粘接圖7-13壓電元件的連接方式4.壓電傳感器的等效電路由壓電傳感器的壓電效應(yīng)可知,壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷發(fā)生器;同時(shí),它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為絕緣介質(zhì)的電容器,其電容值為:因此壓電元件可等效為一個(gè)與電容并聯(lián)的電荷源,如圖(a)電荷源(b)電壓源圖7-14壓電傳感器的等效電路

如果壓電元件與測量電路相連接,就得考慮連接電纜的分布電容、放大器的輸入電阻、輸入電容及壓電元件的泄漏電阻

,則其等效電路為:(a)電荷源(b)電壓源圖7-15與測量電路相連時(shí)壓電傳感器的等效電路任務(wù)實(shí)施

由于壓電傳感器是自發(fā)電式傳感器,壓電元件受外力作用產(chǎn)生的電荷只有在交變力的作用下才能使壓電元件上的電荷不斷得到補(bǔ)充,因此壓電傳感器不適合靜態(tài)力的測量,只能用于脈沖力、沖擊力、振動(dòng)加速度等動(dòng)態(tài)力的測量。壓電材料不同,則特性不同,因此用途也不同。壓電晶體主要用于實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)傳感器;壓電陶瓷價(jià)格便宜、靈敏度高,機(jī)械強(qiáng)度好,常用于測量力和振動(dòng);高分子壓電傳感器多用于定性測量。

1.壓電加速度傳感器

壓電加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。因其固有頻率高、高頻響應(yīng)好,如配以電荷放大器,低頻特性也很好。壓電加速度傳感器具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn);但要經(jīng)常校正靈敏度。圖7-16壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)2.壓電壓力傳感器壓電壓力傳感器主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量,可用來測量各種力。圖7-17壓電壓力傳感器3.壓電式報(bào)警系統(tǒng)

報(bào)警系統(tǒng)是目前各建筑、區(qū)域不可或缺的組成部分。壓電式報(bào)警系統(tǒng)利用高分子材料的柔軟性、防水性、測量動(dòng)態(tài)范圍寬、頻響范圍大、不易破碎等特性而制成的。如圖7-18所示,在警戒地區(qū)的周圍敷設(shè)多根高分子壓電電纜,當(dāng)入侵者踩到電纜上的柔性地面時(shí),該壓電電纜受到擠壓,產(chǎn)生壓電脈沖而報(bào)警。由于壓電電纜埋設(shè)在地下,因而較隱蔽,不易受光、電、霧、雨水等侵蝕。(a)原理框圖b)高分子壓電電纜結(jié)構(gòu)圖圖7-18高分子壓電電纜周界報(bào)警系統(tǒng)項(xiàng)目小結(jié)

霍爾傳感器一般用以測量磁通、電流、位移、壓力、流量等物理量。它對(duì)磁場敏感,結(jié)構(gòu)簡單,體積小,輸出電動(dòng)勢(shì)變化范圍大,無活動(dòng)部件,使用壽命長,在測試、自動(dòng)化、信息處理等方面應(yīng)用廣泛?;魻栐话悴捎肗型鍺、銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)體單晶體材料制成,目前多采用砷化銦為霍爾元件?;魻栐斎搿⑤敵鲫P(guān)系簡單,且線性好,影響其性能的因素主要有不等位電勢(shì)、寄生直流電勢(shì)、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、溫度等,采用一定的補(bǔ)償方法可起到補(bǔ)償作用。壓電式傳感器一般用以測量動(dòng)態(tài)力、加速度等物理量,是一種典型的電能量傳感器。它以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)力—電荷的轉(zhuǎn)換。壓電傳感器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn),并且具有較強(qiáng)的抗干擾能力,是一種應(yīng)用廣泛的力傳感器。目前有石英晶體、壓電陶瓷、高分子材料等

幾種類型。壓電傳感器有并聯(lián)和串聯(lián)兩連接方式,其空載時(shí)的等效電路可等效為電荷源和電壓源。知識(shí)拓展1.生物傳感器

使用固定化的生物分子結(jié)合換能器,用來偵測生物體內(nèi)或生物體外的環(huán)境化學(xué)物質(zhì)或與之起特異性交互作用后產(chǎn)生響應(yīng)的一種裝置。1)生物傳感器的特點(diǎn):(1)測定范圍廣泛。(2)生物傳感器使用時(shí)一般不需要樣品的預(yù)處理,樣品中的被測組分的分離和檢測同時(shí)完成,且測定時(shí)完成,且測定時(shí)一般不需加入其它試劑。

轉(zhuǎn)換器敏感元件待測物生物傳感器的模型(3)采用固定化生物活性物質(zhì)作敏感基元(催化劑),價(jià)值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用。(4)測定過程簡單迅速。(5)準(zhǔn)確度和靈敏度高。一般相對(duì)誤差不超過1%。(6)由于它的體積小,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析。(7)專一性強(qiáng),只對(duì)特定的底物起反應(yīng),而且不受顏色、濁度的影響。(8)可進(jìn)入生物體內(nèi)。(9)傳感器連同測定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀器,便于推廣普及。2)生物傳感器在檢測分析儀器中的應(yīng)用:(1)測定水質(zhì)的BOD分析儀、在市場上有以日本和德國為代表產(chǎn)品供應(yīng);(2)采用絲網(wǎng)印刷和微電子技術(shù)的手掌型血糖分析器,已形成規(guī)模化生產(chǎn),年銷售量約十億美元

(3)固定化酶傳感分析儀,國外以美國的YSI公司和德國BST公司為代表,都有系列分析儀產(chǎn)品,它們主要用于環(huán)境監(jiān)測和食品分析,國內(nèi)到目前為主只有山東省科學(xué)院生物研究所的系列化產(chǎn)品在市場得到應(yīng)用;(4)SPR生物傳感器,在日、美、德、瑞典等國得到了開發(fā)和初步應(yīng)用。3)生物傳感器的原理圖7-19生物傳感器的原理圖4)生物傳感器的分類根據(jù)分類方式的不同,生物傳感器可分為以下幾類:(1)根據(jù)傳感器輸出信號(hào)分:生物親和性傳感器、代謝型或催化型傳感器;(2)根據(jù)分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)分:酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器、DNA生物傳感器;(3)根據(jù)信號(hào)換能器分:電化學(xué)傳感器、離子敏場效應(yīng)傳感器、熱敏電阻傳感器、壓電晶體傳感器、光電傳感器、聲學(xué)傳感器5)生物傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域生物傳感器作為一種分析檢測技術(shù),在醫(yī)藥、軍事、環(huán)境、食品等領(lǐng)域得到了高度重視和廣泛應(yīng)用。生物傳感器正進(jìn)入全面深入研究開發(fā)時(shí)期,各種微型化、集成化、智能化、實(shí)用化的

生物傳感器與系統(tǒng)越來越多。

其主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面:(1)食品工業(yè)

生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用包括食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測定分析。食品成分分析;食品添加劑的分析

(2)環(huán)境監(jiān)測

近年來,環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重,人們迫切希望擁有一種能對(duì)污染物進(jìn)行連續(xù)、快速、在線監(jiān)測的儀器,生物傳感器滿足了人們的要求。目前,已有相當(dāng)部分的生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測中。

(3)發(fā)酵工業(yè)

在各種生物傳感器中,微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、能消除發(fā)酵過程中干擾物質(zhì)的干擾等特點(diǎn)。因此,在發(fā)酵工業(yè)中廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。

(4)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物傳感器發(fā)揮著越來越大的作用。生物傳感技術(shù)不僅為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法,而且因?yàn)槠鋵R弧㈧`敏、響應(yīng)快等特點(diǎn),在軍事醫(yī)學(xué)方面,也具有廣闊的應(yīng)用前景。

在臨床醫(yī)學(xué)中,酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶,可制成微生物傳感器。在軍事醫(yī)學(xué)中,對(duì)生物毒素的及時(shí)快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細(xì)菌、病毒及其毒素。生物傳感器應(yīng)用舉例快速葡萄糖(glucose)分析儀德國研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀生物傳感在線分析系統(tǒng),為發(fā)酵自動(dòng)控制提供了新的基礎(chǔ)平臺(tái)發(fā)酵罐主機(jī)計(jì)算機(jī)一種血糖乳酸自動(dòng)分析儀2.智能式傳感器

所謂智能式傳感器,就是一種以微處理器為核心單元,兼有檢測、判斷和信息處理等功能的傳感器。智能傳感器的最大特點(diǎn)就是將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)地融合在一起?!拔⑻幚砥鳌卑瑑煞N情況:一種是將傳感器與微處理器集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成所謂的“單片智能傳感器”;一種是指傳感器能夠配微處理器。1)智能式傳感器的分類初級(jí)形式:中級(jí)形式:高級(jí)形式:2)智能式傳感器的結(jié)構(gòu)智能傳感器帶有微處理機(jī),具有采集、處理、交換信息的能力。它由多個(gè)傳感器集合而成,采集的信息需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,而使用智能傳感器就可將信息分散處理,從而降低成本。圖7-20智能傳感器的組成3)智能傳感器的主要功能:(1)具有邏輯判斷、決策和統(tǒng)計(jì)處理功能??蓪?duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和修正,還可進(jìn)行線性、非線性、溫度、噪聲、響應(yīng)時(shí)間、交叉感應(yīng)以及緩慢漂移等的誤差補(bǔ)償,可大大提高測量準(zhǔn)確度。

(2)具有自診斷、自校正功能。智能式傳感器可實(shí)現(xiàn)開機(jī)自檢(在接通電源時(shí)進(jìn)行)和運(yùn)行自檢(在工作中實(shí)時(shí)進(jìn)行),以確定哪一組件有故障,提高了工作可靠性。(3)具有自適應(yīng)、自調(diào)整功能。內(nèi)含的特定算法可根據(jù)待測物理量的數(shù)值大小及變化情況等自動(dòng)選擇檢測量程和測量方式,提高了檢測適用性。

(4)具有組態(tài)功能??蓪?shí)現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復(fù)合測量,擴(kuò)大了檢測與使用范圍。(5)具有記憶、存儲(chǔ)功能??蛇M(jìn)行檢測數(shù)據(jù)的隨時(shí)存取,方便使用和進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理,加快了信息的處理速度。(6)具有數(shù)據(jù)通訊功能。智能化傳感器具有數(shù)據(jù)通訊接口,具有雙向通訊、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出或符號(hào)輸出特性,能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)接,相互交換信息,

提高了信息處理的質(zhì)量。4)智能傳感器的特點(diǎn):與傳統(tǒng)傳感器相比,智能傳感器的特點(diǎn)是:(1)精度高;(2)高可靠性與高穩(wěn)定性;(3)高信噪比與高的分辨力;(4)強(qiáng)的自適應(yīng)性;(5)低的價(jià)格性能比。

5)智能傳感器的應(yīng)用(1)智能壓力傳感器圖7-21智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)框圖智能壓力傳感器的特點(diǎn):(1)具有優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性;(2)可做標(biāo)準(zhǔn)的模擬壓力傳感器使用;(3)用戶可組態(tài)的模擬傳感器;(4)壓力單位可選擇;(5)采樣速率可調(diào);(6)跟蹤輸入變化;(7)外部控制模擬輸出。超聲波傳感器的工作原理1、超聲波及其物理性質(zhì)波動(dòng)(簡稱波):振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播聲波:其頻率在Hz之間,能為人耳所聞的機(jī)械波次聲波:低于16Hz的機(jī)械波超聲波:高于Hz的機(jī)械波微波:頻率在Hz之間的波聲波的頻率界限圖1)超聲波的波型及其傳播速度

聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同,聲波的波型也不同。通常有:①縱波:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波,它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播;②橫波:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波,它只能在固體介質(zhì)中傳播;③表面波:質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間,沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ湔穹S深度增加而迅速衰減的波,表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?/p>

在固體中,縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系,通??烧J(rèn)為橫波聲速為縱波的一半,表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s,液體中縱波聲速在900~1900m/s。2)超聲波的反射和折射3)超聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),隨著傳播距離的增加,能量逐漸衰減,其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為:式中:Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng);

x——聲波與聲源間的距離;

α——衰減系數(shù),單位為Np/cm(奈培/厘米)。

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中,聲波的衰減僅來自于聲波的擴(kuò)散,即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。

散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射,其中一部分聲能不再沿原來傳播方向運(yùn)動(dòng),而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關(guān)。

吸收衰減是由于介質(zhì)粘滯性,使超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦,從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能,通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換,導(dǎo)致聲能的損耗。

2、超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。

超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等,其中以壓電式最為常用。

壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷,這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的:逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng),從而產(chǎn)生超聲波,可作為發(fā)射探頭;而正壓電效應(yīng)是將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào),可作為接收探頭。壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如上圖:

壓電晶片多為圓板形,厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層,作導(dǎo)電的極板。

阻尼塊的作用:降低晶片的機(jī)械品質(zhì),吸收聲能量。如果沒有阻尼塊,當(dāng)激勵(lì)的電脈沖信號(hào)停止時(shí),晶片將會(huì)繼續(xù)振蕩,加長超聲波的脈沖寬度,使分辨率變差。

磁致伸縮式超聲波傳感器是利用鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)原理來工作的。

磁致伸縮式超聲波發(fā)生器是把鐵磁材料置于交變磁場中,使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化即機(jī)械振動(dòng),從而產(chǎn)生出超聲波。磁致伸縮式超聲波接收器的原理是:當(dāng)超聲波作用在磁致伸縮材料上時(shí),引起材料伸縮,從而導(dǎo)致它的內(nèi)部磁場(即導(dǎo)磁特性)發(fā)生改變。根據(jù)電磁感應(yīng),磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此電勢(shì)送到測量電路,最后記錄或顯示出來。

超聲波傳感器應(yīng)用1、超聲波物位傳感器

超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。

如果從發(fā)射超聲脈沖開始,到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知,就可以求出分界面的位置,利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)行測量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能,傳感器又可分為單換能器和雙換能器。超聲波傳感器的應(yīng)用幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖(a)超聲波在液體中傳播;

(b)超聲波在空氣中傳播

超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置在液體介質(zhì)中,讓超聲波在液體介質(zhì)中傳播,如圖(a)所示。由于超聲波在液體中衰減比較小,所以即使發(fā)射的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方,讓超聲波在空氣中傳播,如圖(b)所示。這種方式便于安裝和維修,但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。

對(duì)于單換能器來說,超聲波從發(fā)射器到液面又從液面反射到換能器的時(shí)間為:則式中:h——換能器距液面的距離;

c——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。

對(duì)于雙換能器,超聲波從發(fā)射到接收的路程為2s,而因此液位高度為式中:s——超聲波從反射點(diǎn)到換能器的距離;

a——兩換能器間距之半。

從以上公式中可以看出,只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔,便可以求得待測的物位。超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點(diǎn),但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng),便會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下,它的測量誤差為±0.1%,檢測物位的范圍為。超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器的測定方法是多樣的,如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法、多卜勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳播時(shí)間差法。

超聲波在流體中傳播時(shí),在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度是不同的,利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度,再根據(jù)管道流體的截面積,計(jì)算流量超聲波測流量原理圖

如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器,它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波,一個(gè)裝在上游,一個(gè)裝在下游,其距離為L,如上圖所示。如設(shè)順流方向的傳播時(shí)間為t1,逆流方向的傳播時(shí)間為t2,流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度為c,流體流動(dòng)速度為v,則一般來說,流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度,因此超聲波傳播時(shí)間差為由于c>>v,從上式便可得到流體的流速,即超聲波傳感器安裝位置

超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn),可測的流體種類很多,不論是非導(dǎo)電的流體、高粘度的流體,還是漿狀流體,只要能傳輸超聲

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