第12章-新型传感器课件

检测技术与自动化仪表12新型传感器河南理工大学精品课程检测技术与自动化仪表12新型传感器河南理工大学精品课程概述

从20世纪80年代以来，基于新型传感效应、新型敏感材料、新加工工艺的各种新型传感器陆续出现，各种实用型器件也在不断涌现和改善之中。新型传感器如生物传感器、微波传感器、超声波传感器、机器人传感器等等，已经成为当今信息技术中信息获取的重要器件，在各种特定环境和特殊要求下，发挥巨大的作用。概述从20世纪80年代以来，基于新型传感效应、新12.1生物传感器一、基本概念生物传感器通常是指由一种生物敏感部件和转化器紧密结合,对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方法,也是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的方法。12.1生物传感器一、基本概念生物传感器通常是指由一种生工作原理生物传感器的工作原理是待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。12.1生物传感器工作原理生物传感器的工作原理是待测物质经扩散作用进入固定生物（1）将化学变化转变成电信号例,酶催化特定物发生反应,从而使特定生成物的量有所增减.用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器。（2）将热变化转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化。12.1生物传感器（1）将化学变化转变成电信号例,酶催化特定物发生反应,从而（3）将光信号转变为电信号

例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢发光,因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端,再和光电流测定装置相连,即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光。也可以用这种方法测定底物浓度.上述三原理的生物传感器共同点：都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应,将反应后所产生的化学或物理变化再通过信号转换器转变为电信号进行测量,这种方式统称为间接测量方式.12.1生物传感器（3）将光信号转变为电信号例如，过氧化氢酶,能催化（4）直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。12.1生物传感器（4）直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、二、生物传感器分类

1、根据输出信号的产生方式,可分为生物亲合型、代谢型或催化型;2、根据信号转换器可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等3、根据生物分子识别元件上的敏感材料可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、基因传感器、细胞及细胞器传感器。12.1生物传感器二、生物传感器分类1、根据输出信号的产生方式,可分为

被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为：

S（底物）+R（受体）=SR生物亲合型传感器12.1生物传感器被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用

底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为

S（底物）＋R（受体）=SR→P（生成物）

代谢型传感器12.1生物传感器代谢型传感器12.1生物传感器生物传感器的分类12.1生物传感器生物传感器的分类12.1生物传感器三、组成部分一是生物分子识别元件(感受器),是具有分子识别能力的生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等);二是信号转换器(换能器),主要有电化学电极(如电位、电流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，当待测物与分子识别元件特异性结合后,所产生的复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等,从而达到检测的目的。12.1生物传感器三、组成部分一是生物分子识别元件(感受器),是具有分子识别能敏感器件（分子识别元件）12.1生物传感器敏感器件（分子识别元件）12.1生物传感器四、生物传感器优点(1)根据生物反应的特异性和多样性,理论上可以制成测定所有生物物质的传感器,因而测定范围广泛(2)一般不需进行样品的预处理,它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂,使测定过程简便迅速,容易实现自动分析(3)体积小、响应快、样品用量少,可以实现连续在位检测12.1生物传感器四、生物传感器优点(1)根据生物反应的特异性和多样性,理论上(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次使用(5)准确度高,一般相对误差可达到1%以内(6)可进行活体分析(7)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪,因而便于推广普及(8)有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息12.1生物传感器(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次使用12.11.食品分析五、应用食品成分分析食品添加剂的分析农药和抗生素残留量分析微生物和生物毒素的检验食品鲜度的检测12.1生物传感器1.食品分析五、应用食品成分分析12.1生物传感器2.环境监测水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量（BOD），传统方法测BOD需5天，且操作复杂。1977年Karube等首次报道了BOD微生物传感器，只需15分钟即能测出结果,连续使用寿命达17天；废气或环境大气的监测：可用于测定空气中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量；农药和抗生素残留量的分析：用乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶为敏感材料制作的离子敏场效应晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药DDVP和伏杀磷等的测定12.1生物传感器2.环境监测水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量（BOD）3.生物医学临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。生物医药：利用生物工程技术生产药物时，将生物传感器用于生化反应的监视，可以迅速地获取各种数据，有效地加强生物工程产品的质量管理。12.1生物传感器3.生物医学临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体液4.军事应用

现代战争往往是在核武器、化学武器、生物武器威胁下进行的战争。侦检、鉴定和检测是进行有效化学战和生物战防护的前提。由于具有高度特异性、灵敏性和能快速地探测化学战剂和生物战剂（包括病毒、细菌和毒素等）的特性，生物传感器将是最重要的一类化学战剂和生物战剂侦检器材。如烟碱乙酰胆碱受体生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器能在10s内侦检出10-9浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽杆菌、流感病毒等。

12.1生物传感器4.军事应用现代战争往往是在核武器、化学武器、生物武环境废水BOD分析仪12.1生物传感器环境废水BOD分析仪12.1生物传感器手掌型葡萄糖分析仪12.1生物传感器手掌型葡萄糖分析仪12.1生物传感器发酵罐主机计算机SBA-60型生物传感在线分析系统12.1生物传感器发酵罐主机计算机SBA-60型生物传感在线分析系统12.112.2微波传感器一、微波概述

微波是波长为1mm～1m的电磁波，可以细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。微波特点：①定向辐射的装置容易制造；②遇到各种障碍物易于反射；③绕射能力差；④传输特性好，传输过程中受影响很小；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。

12.2微波传感器一、微波概述微波是二、微波传感器的原理和组成

1、微波传感器的测量原理及分类微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。

12.2微波传感器二、微波传感器的原理和组成1、微波传感器的测量原理及分类（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量的。通常它可以测量物体的位置、位移、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体或被测物体的厚度、含水量等参数的。12.2微波传感器（1）反射式微波传感器12.2微波传感器

微波传感器通常由微波发射器（即微波振荡器）、微波天线及微波检测器三部分组成。（1）微波振荡器及微波天线微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，即频率很高（300MHz～300GHz），要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有调速管、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。2、微波传感器的组成12.2微波传感器微波传感器通常由微波发射器（即微波振荡器）、微波天由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管（管长为10cm以上，可用同轴电缆）传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常用的天线如图所示，其中有喇叭形天线（图（a）、（b））、抛物面天线（图（c）、（d））、介质天线与隙缝天线等。（a）扇形喇叭天线;(b)圆锥形喇叭天线;(c)旋转抛物面天线;(d)抛物柱面天线12.2微波传感器由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管（管长为10（2）微波检测器

电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流-电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。与其它传感器相比，敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。作为非线性的电子元件，在几兆赫以下的频率通常可用半导体PN结，而对于频率比较高的可使用肖特基结。在灵敏度特性要求特别高的情况下可使用超导材料的约瑟夫逊结检测器、SIS检测器等超导隧道结元件，而在接近光的频率区域可使用由金属-氧化物-金属构成的隧道结元件。

2、微波传感器的组成（2）微波检测器2、微波传感器的组成

微波传感器作为一种新型的非接触传感器具有如下特点：①有极宽的频谱（波长=1.0mm-1.0m）可供选用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率；②在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温环境中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶劣环境下工作；③时间常数小，反应速度快，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制；3、微波传感器的特点12.2微波传感器微波传感器作为一种新型的非接触传感器具有如下特点：④测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控；⑤微波无显著辐射公害。微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未得到很好的解决。其次，使用时外界环境因素影响较多，如温度、气压、取样位置等。12.2微波传感器④测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从三、微波传感器的应用1、微波液位传感器

微波液位计

12.2微波传感器三、微波传感器的应用1、微波液位传感器微波液位计12.水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中得到能量（储能），又不断释放能量（放能），前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波衰减。使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，就可以换算出物体的含水量。2、微波湿度传感器12.2微波传感器使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体下图给出了测量酒精含水量的仪器框图，图中，MS产生的微波功率经分功率器分成两路，再经衰减器A1、A2分别注入到两个完全相同的转换器T1、T2中。其中，T1放置无水酒精，T2放置被测样品。相位与衰减测定仪（PT、AT）分别反复接通两电路（T1和T2）输出，自动记录与显示它们之间的相位差与衰减差，从而确定样品酒精的含水量。2、微波湿度传感器12.2微波传感器下图给出了测量酒精含水量的仪器框图，图中，MS产生的微波测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物体金属表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。微波测厚仪原理如图所示，在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。微波信号源发出的微波，经过环行器A、上传输波导管传输到上终端器，由上终端器发射到被测物体上表面上，微波在被测物体上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输导管、环行器A、下传输波导管传输到下终端器。由下终端器发射到被测物体下表面的微波，经全反射后又回到下终端器，再经过传输导管回到环行器A。因此被测物体的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切关系，当被测物体厚度增加时，微波传输的行程长度便减小。3、微波测厚仪12.2微波传感器3、微波测厚仪12.2微波传感器微波测厚仪原理图3、微波测厚仪12.2微波传感器微波测厚仪原理图3、微波测厚仪12.2微波传感器一般情况下，微波传输的行程长度的变化非常微小。为了精确地测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法，前面讨论的微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波的传输行程设置一个参考臂（图右部）。若测量臂与参考臂行程完全相同，则反相叠加的微波经过检波器C检波后，输出为零。若两臂行程长度不同，两路微波叠加后不能相互抵消，经检波器后便有不平衡信号输出。此不平衡差值信号经放大后控制可逆电机旋转，带动补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，直到两臂行程长度完全相同，放大器输出为零，可逆电机停止转动为止。3、微波测厚仪12.2微波传感器一般情况下，微波传输的行程长度的变化非常微小。为了精

微波无损检测是综合利用微波与物质的相互作用，一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。

4、微波无损检测12.2微波传感器4、微波无损检测12.2微波传感器

1.次声波次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。声波的分类12.3超声波传感器

1.次声波次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不2.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。频率在16~20KHz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波12.3超声波传感器2.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。频率在16~203.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。高于20KHz的机械波，称为超声波12.3超声波传感器3.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。高于20KHz的机械波，一、超声波物理基础

频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。12.3超声波传感器一、超声波物理基础频率高于20kHz的机械振动波称为超声波纵波纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；12.3超声波传感器纵波纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液横波横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；12.3超声波传感器横波横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质表面波表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。12.3超声波传感器表面波表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为式中：ρ——介质的密度；Ba——绝对压缩系数。上述的ρ、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。超声波的传播12.3超声波传感器超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速在900～1900m/s。12.3超声波传感器传播速度在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不透光的固体能穿透几十米；当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换。超声波为直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射越强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器。超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s，这一特点使得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。12.3超声波传感器超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不透光的固体声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为式中：Px、Ix——距声源x处的声压和声强；x——声波与声源间的距离；α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。超声波的衰减12.3超声波传感器声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。12.3超声波传感器声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。二、超声波传感器（换能器）

超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。

12.3超声波传感器二、超声波传感器（换能器）超声波换能器又称超

超声波传感器使用时的两种形式：反射式、直射式c)反射式ＲＸＴＸＴＸＲＸa）兼用型ＴＸＲＸ专用型

直射式发射探头（TX）接收探头（RX）工作方式12.3超声波传感器c)反射式ＲＸＴＸＴＸa）兼用型ＴＸＲＸ专用型等效电路C’CLR等效电路电感性电容性频率frfafr:L、C、R产生的串联谐振频率fa：L、C、C’产生的并联谐振频率电抗特性超声波传感器可等效为一个RLC的串并联谐振电路。由电抗特性可见中间是电感性，两边是电容性，这是超声波传感器所特有的。其中频率低的fr：L、C、R产生的串联谐振频率；频率高的fa：L、C、C’产生的并联谐振频率超声波传感器在串联谐振频率时阻抗最小。12.3超声波传感器等效电路C’CLR等效电路电感性频率frfafr:L、C各种超声波探头常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。保护膜接插件12.3超声波传感器各种超声波探头常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径接触式斜探头

压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料接插件12.3超声波传感器接触式斜探头压电晶片粘贴在与底面成一定各种接触式斜探头常用频率范围：1-5MHz12.3超声波传感器各种接触式斜探头常用频率范围：1-5MHz12.3超声超声波探头中的压电陶瓷芯片

将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。12.3超声波传感器超声波探头中的压电陶瓷芯片将数百伏的超声电脉冲加空气超声探头12.3超声波传感器空气超声探头12.3超声波传感器空气超声探头外形12.3超声波传感器空气超声探头外形12.3超声波传感器空气超声探头外形12.3超声波传感器空气超声探头外形12.3超声波传感器三、超声波传感器的应用

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。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。

12.3超声波传感器三、超声波传感器的应用当超声发射器1、超声波流量计12.3超声波传感器F1发射的超声波先到达T11、超声波流量计12.3超声波传感器F1发射的超声波测量流量原理分类

时间差法测量流量原理：

在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。12.3超声波传感器测量流量原理分类时间差法测量流量原理：12.3超声波F1发射的超声波到达F2的时间较短时间差法测量流量原理：12.3超声波传感器F1发射的超声波到达F2的时间较短时间差法测量流量原理：F1、F2是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f2的频率差

f与被测流速v成正比。F2F1频率差法测量流量原理

12.3超声波传感器F1、F2是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开频率差法测量流量原理

12.3超声波传感器频率差法测量流量原理

12.3超声波传感器同侧式超声波流量计的使用（参考北京菲波仪表有限公司资料）12.3超声波传感器同侧式超声波流量计的使用（参考北京菲波仪表有限公司资料）超声波流量计现场使用12.3超声波传感器超声波流量计现场使用12.3超声波传感器2、超声波多普勒测量车速12.3超声波传感器2、超声波多普勒测量车速12.3超声波传感器多普勒效应

前进方向的频率升高如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测出f就可得到运动速度。12.3超声波传感器多普勒效应前进方向的频率升高如果波源和观察者之间有相超声波多普勒测量风速风

风引起超声波的频率变大或变小12.3超声波传感器超声波多普勒测量风速风风引起超声波的3.超声波测距

空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。

12.3超声波传感器3.超声波测距空气超声探头发射超声脉冲，到达被测发射驱动电路：

由反向器①②组成RC振荡器经门电路完成功率放大，经CP耦合传送给超声波振子产生超声发射信号。超声波传感器发射基本电路超声波传感器测距基本电路主要由

振荡发射电路、检测电路两部分组成：振荡器频率调整12.3超声波传感器发射驱动电路：超声波传感器发射基本电路超声波传感器测距基超声波传感器接收电路检测电路：

超声波信号极微弱，需要增益高的放大电路用于检测反射波，输出的高频信号电压接检波、放大、开关电路输出或报警。100倍放大12.3超声波传感器超声波传感器接收电路检测电路：100倍放大12.3超超声波测距模块：最大距离600cm，最小距离2cm

功放40KHzOSC

定时器前置放大检波平方放大输出VCC12V三位显示器被测物发送，由555构成多谐振荡器，RC电路产生40KHz等幅波放大送功放输出；接收，放大、检波，信号处理根据被测物体的基准距离设定反射脉冲时间，调整振荡器触发时间。定时器控制触发电路和门电路。12.3超声波传感器超声波测距模块：最大距离600cm，最小距离2cm功放44、超声波测厚双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度：12.3超声波传感器4、超声波测厚双晶直探头中的压电晶片发射超声振动手持式超声波测厚仪12.3超声波传感器手持式超声波测厚仪12.3超声波传感器某超声波测厚仪指标

显示方法∶128*32LCD点阵液晶显示（带背光）

显示位数：四位

测量范围：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

声速范围：1000-9999m/s

测量周期：2次/秒

自动关机时间：90秒

电源：二节七号（AAA）电池，可连续工作不少于72小时

使用温度：-10°C-40°C

存储温度：-20°C-70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含电池）12.3超声波传感器某超声波测厚仪指标显示方法∶128*32LCD超声波测厚石料测厚12.3超声波传感器超声波测厚石料测厚12.3超声波传感器超声波手持式测厚混凝土测厚木材测厚小提琴木料测厚12.3超声波传感器超声波手持式测厚混凝土测厚木材测厚小提琴木料测厚12.3双晶超声波测厚探头12.3超声波传感器双晶超声波测厚探头12.3超声波传感器双晶超声波测厚探头12.3超声波传感器双晶超声波测厚探头12.3超声波传感器5、测量液位和物位

在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。

12.3超声波传感器5、测量液位和物位在液罐上方安装空气传导型超声发超声波测液位hhsh2ah2as超声波在液体中传播测量超声波在空气中传播测量单换能器从发射到接收的时间：t=2h/C传感器到液面的距离：h=ct/2双换能器经过的路程：2S=ct液位高度：C：超声波在介质中传播速度12.3超声波传感器超声波测液位hhsh2ah2as超声波在液体中传播测量超声波超声波测量液位和物位喇叭形超声发生器12.3超声波传感器超声波测量液位和物位喇叭形超声6、超声防盗报警器

图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移f。

12.3超声波传感器6、超声防盗报警器图中的上半部分为发射电路，下7、无损探伤

对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤。由于无损探伤以不损坏被检验对象为前提，所以得到广泛应用。无损检测的方法有磁粉检测法、电涡流法、荧光染色渗透法、放射线（x光、中子）照相检测法、超声波探伤法等。

12.3超声波传感器7、无损探伤对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤磁粉检测法磁悬液磁粉检测仪将磁悬液喷洒在工件表面，将磁粉检测头夹持在被测工件上，通以数百安培的电流，工件中将产生磁场，工件表面的裂纹可因磁粉的不均匀分布而显示出来。12.3超声波传感器磁粉检测法磁悬液磁粉检测仪将磁悬液喷洒在工件表面，将磁粉检测X光探伤

将x光发生器对准被测位置，将感光片贴在物体背面，人离开后通上高压电，再将感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷。12.3超声波传感器X光探伤将x光发生器对准被测位置，将感光片贴在物12.4机器人传感器

“Ｒobot”一词源出自捷克语“robota”，意谓“强迫劳动”。1920年捷克斯洛伐克作家萨佩克写了一个名为《洛桑万能机器人公司》的剧本,他把在洛桑万能机器人公司生产劳动的那些家伙取名“Robot”,汉语音译为“罗伯特”，捷克语意为“奴隶”——萨佩克把机器人的地位确定为只管埋头干活、任由人类压榨的奴隶，它们存在的价值只是服务于人类。一个极其偶然的原因,机器人开始有了知觉,它们不堪忍受人类的统治,向人类发动攻击,最后彻底毁灭了人类。“机器人”的名字也正式由此而生。12.4机器人传感器“Ｒobot”一词源出自捷能踢球的机器人12.4机器人传感器能踢球的机器人12.4机器人传感器对运动的球类有正确反应的机器人能打网球的机器人机器人足球比赛12.4机器人传感器对运动的球类有正确反应的机器人能打网球的机器人机器人足球比赛能行走的机器人12.4机器人传感器能行走的机器人12.4机器人传感器服务机器人机器人伴舞机器人奏乐12.4机器人传感器服务机器人机器人伴舞机器人奏乐12.4机器人传感器可爱的小机器人能上台阶并避开障碍物的机器人能自己站起来的机器人12.4机器人传感器可爱的小机器人能上台阶并避开障碍物的机器人能自己站起来的机器排爆机器人我国沈阳自动化所研制的PXJ-2机器人也加入了公安部队的行列。12.4机器人传感器排爆机器人我国沈阳自动化所研制的PXJ-2机器人也加入了公安消防机器人

消防机器人作为特种消防设备可代替消防队员接近火场实施有效的灭火救援、化学检验和火场侦察。它的应用将提高消防部队扑灭特大恶性火灾的实战能力，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡将产生重要的作用。12.4机器人传感器消防机器人消防机器人作为特种消防设备可代替消防

机器人轮椅主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。12.4机器人传感器机器人轮椅主要12.4机器人传感器军事机器人我国引进的排爆机器人进攻型机器人12.4机器人传感器军事机器人我国引进的排爆机器人进攻型机器人12.4机器人传工业机器人核工业机器人汽车喷漆机器人12.4机器人传感器工业机器人核工业机器人汽车喷漆机器人12.4机器人传感器机器人的手12.4机器人传感器机器人的手12.4机器人传感器机械手在汽车加工中的应用机械手能按照程序焊接和安装汽车部件，是机器人的雏形。12.4机器人传感器机械手在汽车加工中的应用机械手能按照程序焊接和安装汽车部件，激光焊接机械手12.4机器人传感器激光焊接机械手12.4机器人传感器机器人大脑——主板机器人思想——程序机器人感知——传感器机器人手脚——马达机器人骨架——机械结构机器人食物——电池1.机器人的组成12.4机器人传感器机器人大脑——主板1.机器人的组成12.4机器人传感器2.传感器在机器人中的应用机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。

12.4机器人传感器2.传感器在机器人中的应用机器人是由计算机控制的给机器人装备什么样的传感器，对这些传感器有什么要求，这是设计机器人感觉系统时遇到的首要问题。选择机器人传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点。12.4机器人传感器给机器人装备什么样的传感器，对这些传感器有什么要求，这是设计

机器人传感器可分为内部检测传感器和外部检测传感器两大类。内部检测传感器是以机器人本身的坐标轴来确定其位置。它安装在机器人自身中用来感知机器人自己的状态，以调整和控制机器人的行动。它通常由位置、加速度、速度及压力传感器组成。外界检测传感器用于机器人对周围环境、目标物的状态特征获取信息，使机器人和环境能发生交互作用，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。外界检测传感器通常包括触觉、接近觉、视觉、听觉、嗅觉等传感器。12.4机器人传感器机器人传感器可分为内部检测传感器和外部检测传感器两大类为得到更拟人的触觉传感器，进行“人工皮肤”的研究，实际上也是一种由单个触觉传感器按一定形状(如矩阵)组合在一起的阵列式触觉传感器。这种传感器的密度较大、体积较小、精度较高，特别是接触材料本身就是敏感材料，这些都是其它结构的触觉传感器很难达到的。“人工皮肤”传感器可用于表面形状和表面特性的检测。12.4机器人传感器为得到更拟人的触觉传感器，进行“人工皮肤”的研究，实际上也目前的“皮肤”触觉传感器的研究主要在两个方面：一是选择更为合适的敏感材料，现有的材料主要有导电橡胶、压电材料、光纤等；二是将集成电路工艺应用到传感器的设计和制造中，使传感器和处理电路—体化，得到大规模或超大规模阵列式触觉传感器。如图12.22所示，为PVF2阵列式触觉传感器。12.4机器人传感器目前的“皮肤”触觉传感器的研究主要在两个方面：一是选择更为合PVF2阵列式触觉传感器

1—电气接线2—PVF2膜3—识别对象4—底座盒5—印刷电路板12.4机器人传感器PVF2阵列式触觉传感器

1—电气接线2—PVF2膜3—机器人要抓住属性未知的物体时，必须确定自己最适当的握力目标值，因此需检测出握力不够时所产生的物体滑动。利用这一信号，在不损坏物体的情况下，牢牢抓住物体，为此设计的滑动检测器，叫做滑觉传感器。12.4机器人传感器机器人要抓住属性未知的物体时，必须确定自己最适当的握力目标值该传感器的主要部件是一个如同棋盘一样，相间地用绝缘材料盖住的小导体球。球表面的任意两个地方安上接触器。接触器触头接触面积小于球面上露出的导体面积。球与被握物体相接触，无论滑动方向如何，只要球—转动，传感器就会产生脉冲输出。应用适当的技术，球的尺寸可以变得很小，减小球的尺寸和传导面积可以提高检测灵敏度。12.4机器人传感器该传感器的主要部件是一个如同棋盘一样，相间地用绝缘材料盖住的1-被夹持物体

2-触点

3—柔软覆层球形滑觉传感器12.4机器人传感器1-被夹持物体2-触点3—柔软覆层12.4机器人传一、智能式传感器的概述智能式传感自20世纪70年代初出现以来，随着微处理器技术的迅猛发展及测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好，而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。为制造高性能传感器，光靠改进材料工艺也很困难，需要利用计算机技术与传感器技术相结合来弥补不足。计算机技术使传感器技术发生了巨大变革，微处理器(或微计算机)和传感器相结合，产生了功能强大的智能式传感器。所谓智能式传感器，就是一种带有微处理机的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。

12.5智能传感器一、智能式传感器的概述12.5智能传感器二、智能传感器的功能和构成

无论是传感器的智能化，还是集成智能化传感器，都是带有微机的兼具检测信息和处理信息功能的传感器，可统称为智能式传感器。和传统的传感器相比，智能化传感器具有以下功能：①具有逻辑判断、统计处理功能。可对检测数据进行分析、统计和修正，还可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿，提高了测量准确度。②具有自诊断、自校准功能。可在接通电源时进行开机自检，可在工作中进行运行自检，并可实时自行诊断测试，以确定哪一组件有故障，提高了工作可靠性。

12.5智能传感器二、智能传感器的功能和构成12.5智能传感器

③具有自适应、自调整功能。可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择检测量程和测量方式，提高了检测适用性。④具有组态功能。可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大了检测与使用范围。⑤具有记忆、存储功能。可进行检测数据的随时存取，加快了信息的处理速度。⑥具有数据通讯功能。智能化传感器具有数据通讯接口，能与计算机直接联机，相互交换信息，提高了信息处理的质量。12.5智能传感器③具有自适应、自调整功能。可根据待测物理量计算机软件在智能传感器中起着举足轻重的作用。由于“电脑”的加入，智能传感器可通过各种软件对信息检测过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，从而增强了传感器的功能，提升了传感器的性能。此外，利用计算机软件能够实现硬件难以实现的功能，因为以软件代替部分硬件，可降低传感器的制作难度。智能式传感器系统一般构成框图如图所示。其中作为系统“大脑”的微型计算机，可以是单片机、单板机，也可以是微型计算机系统。12.5智能传感器计算机软件在智能传感器中起着举足轻重的作用。由智能传感器的结构框图12.5智能传感器智能传感器的结构框图12.5智能传感器三、传感器的智能化

1、传感器的智能化概念

传感器的智能化指传感器与微处理机可分为两个独立部分，传感器的输出信号经处理和转化后由接口送入微处理机部分进行运算处理。这类智能传感器主要由传感器、微处理器及其相关电路组成。传感器将被测的物理量转换成相应的电信号,送到信号调理电路中,进行滤波、放大、模-数转换后,送到微处理机中。微处理机是智能传感器的核心,它不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理,还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于微处理机充分发挥各种软件的功能,可以完成硬件难以完成的任务,从而大大降低了传感器制造的难度,提高了传感器的性能,降低了成本。

12.5智能传感器三、传感器的智能化1、传感器的智能化概念12.5

微型计算机是智能式传感器的核心。传感器的信号经硬件电路处理后，以数字信号的形式进入计算机，于是计算机即可根据其内存中驻留的软件实现对测量过程的各种控制、逻辑判断和数据处理以及信息输送等功能，从而使传感器获得智能。在智能传感器中，其控制功能、数据处理功能和数据传输功能尤为重要。实际上，为了使智能式传感器真正具有智能，控制功能就应该包括：键盘控制功能、量程自动切换功能、多路与多路通道切换功能、数据极限判断与越限报警功能、自诊断与自校正功能。例如为使智能式传感器具有自校正功能，在传感器系统设计时，可考虑预留一路模拟量输入通道作自校正用，然后通过计算机编程实现自校正。12.5智能传感器微型计算机是智能式传感器的核心。传感器的信号该程序执行步骤为：所用微机先向Ｄ/Ａ转换口输出一个定值(固定代码)，经DAC变换为对应的模拟电压值，再送到Ａ/Ｄ通路的自校正输入端。此后，由微机启动ADC，待Ａ/Ｄ转换结束，再取回转换结果值，并与原送出的代码进行比较。如结果相符或误差在允许范围内，则认为自校正功能正常。若感觉仅在一点上进行自校正还不能说明问题，可以设置2～3个自校正点，如可设置其零点、中点及满刻度点为自校正点，并分三次比较。通过比较和判断，确定输入、输出以及接口等是否正常。12.5智能传感器该程序执行步骤为：所用微机先向Ｄ/Ａ转换口输2、传感器的智能化实例下图是智能式应力传感器的硬件图。智能式应力传感器用于测量飞机机翼上各关键部位应力大小，判断机翼的工作状态是否正常。共有6路应力传感器和1路温度传感器，每一路应力传感器由4个应变片构成的全桥电路和前级放大器组成，用于测应力大小。温度传感器用于测量环境温度，从而对应力传感器进行误差修正。12.5智能传感器2、传感器的智能化实例12.5智能传感器8031单片机作为数据处理和控制单元。多路开关根据单片机发出的命令轮流选通各个传感器通道，0通道作为温度传感器通道，1～6通道分别为6个应力传感器通道。程控放大器则在单片机的命令下分别选择不同的放大倍数对各路信号进行放大。该智能式传感器具有较强的自适应能力，它可以判断工作环境因素的变化，进行必要的修正，以保证测量的准确性。12.5智能传感器8031单片机作为数据处理和控制单元。多路开关根据单片机发智能式应力传感器的硬件结构图12.5智能传感器智能式应力传感器的硬件结构图12.5智能传感器智能式应力传感器具有测量、程控放大、转换、处理、模拟量输出、打印键盘监控及通过串口与计算机通信的功能。其软件采用模块化和结构化的设计方法，软件结构如图所示。主程序模块完成自检、初始化、通道选择以及各个功能模块调用的功能。其中信号采集模块主要完成数据滤波、非线性补偿、信号处理、误差修正以及检索查表等功能。故障诊断模块的任务是对各个应力传感器的信号进行分析，判断飞机机翼的工作状态及是否存在损伤或故障。键盘输入及显示模块具有以下任务：12.5智能传感器智能式应力传感器具有测量、程控放大、转换、处理①查询是否有键按下，若有键按下则反馈给主程序模块，主程序模块根据键意执行或调用相应的功能模块；②显示各路传感器的数据和工作状态。输出打印模块主要控制模拟量输出以及控制打印机完成打印任务。通信模块主要控制RS232串行通信口和上位微机发通信。12.5智能传感器①查询是否有键按下，若有键按下则反馈给主程智能式应力传感器的软件结构图

12.5智能传感器智能式应力传感器的软件结构图12.5智能传感器检测技术与自动化仪表12新型传感器河南理工大学精品课程检测技术与自动化仪表12新型传感器河南理工大学精品课程概述

从20世纪80年代以来，基于新型传感效应、新型敏感材料、新加工工艺的各种新型传感器陆续出现，各种实用型器件也在不断涌现和改善之中。新型传感器如生物传感器、微波传感器、超声波传感器、机器人传感器等等，已经成为当今信息技术中信息获取的重要器件，在各种特定环境和特殊要求下，发挥巨大的作用。概述从20世纪80年代以来，基于新型传感效应、新12.1生物传感器一、基本概念生物传感器通常是指由一种生物敏感部件和转化器紧密结合,对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方法,也是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的方法。12.1生物传感器一、基本概念生物传感器通常是指由一种生工作原理生物传感器的工作原理是待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。12.1生物传感器工作原理生物传感器的工作原理是待测物质经扩散作用进入固定生物（1）将化学变化转变成电信号例,酶催化特定物发生反应,从而使特定生成物的量有所增减.用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器。（2）将热变化转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化。12.1生物传感器（1）将化学变化转变成电信号例,酶催化特定物发生反应,从而（3）将光信号转变为电信号

例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢发光,因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端,再和光电流测定装置相连,即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光。也可以用这种方法测定底物浓度.上述三原理的生物传感器共同点：都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应,将反应后所产生的化学或物理变化再通过信号转换器转变为电信号进行测量,这种方式统称为间接测量方式.12.1生物传感器（3）将光信号转变为电信号例如，过氧化氢酶,能催化（4）直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。12.1生物传感器（4）直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、二、生物传感器分类

1、根据输出信号的产生方式,可分为生物亲合型、代谢型或催化型;2、根据信号转换器可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等3、根据生物分子识别元件上的敏感材料可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、基因传感器、细胞及细胞器传感器。12.1生物传感器二、生物传感器分类1、根据输出信号的产生方式,可分为

被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为：

S（底物）+R（受体）=SR生物亲合型传感器12.1生物传感器被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用

底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为

S（底物）＋R（受体）=SR→P（生成物）

代谢型传感器12.1生物传感器代谢型传感器12.1生物传感器生物传感器的分类12.1生物传感器生物传感器的分类12.1生物传感器三、组成部分一是生物分子识别元件(感受器),是具有分子识别能力的生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等);二是信号转换器(换能器),主要有电化学电极(如电位、电流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，当待测物与分子识别元件特异性结合后,所产生的复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等,从而达到检测的目的。12.1生物传感器三、组成部分一是生物分子识别元件(感受器),是具有分子识别能敏感器件（分子识别元件）12.1生物传感器敏感器件（分子识别元件）12.1生物传感器四、生物传感器优点(1)根据生物反应的特异性和多样性,理论上可以制成测定所有生物物质的传感器,因而测定范围广泛(2)一般不需进行样品的预处理,它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂,使测定过程简便迅速,容易实现自动分析(3)体积小、响应快、样品用量少,可以实现连续在位检测12.1生物传感器四、生物传感器优点(1)根据生物反应的特异性和多样性,理论上(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次使用(5)准确度高,一般相对误差可达到1%以内(6)可进行活体分析(7)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪,因而便于推广普及(8)有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息12.1生物传感器(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次使用12.11.食品分析五、应用食品成分分析食品添加剂的分析农药和抗生素残留量分析微生物和生物毒素的检验食品鲜度的检测12.1生物传感器1.食品分析五、应用食品成分分析12.1生物传感器2.环境监测水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量（BOD），传统方法测BOD需5天，且操作复杂。1977年Karube等首次报道了BOD微生物传感器，只需15分钟即能测出结果,连续使用寿命达17天；废气或环境大气的监测：可用于测定空气中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量；农药和抗生素残留量的分析：用乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶为敏感材料制作的离子敏场效应晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药DDVP和伏杀磷等的测定12.1生物传感器2.环境监测水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量（BOD）3.生物医学临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。生物医药：利用生物工程技术生产药物时，将生物传感器用于生化反应的监视，可以迅速地获取各种数据，有效地加强生物工程产品的质量管理。12.1生物传感器3.生物医学临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体液4.军事应用

现代战争往往是在核武器、化学武器、生物武器威胁下进行的战争。侦检、鉴定和检测是进行有效化学战和生物战防护的前提。由于具有高度特异性、灵敏性和能快速地探测化学战剂和生物战剂（包括病毒、细菌和毒素等）的特性，生物传感器将是最重要的一类化学战剂和生物战剂侦检器材。如烟碱乙酰胆碱受体生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器能在10s内侦检出10-9浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽杆菌、流感病毒等。

12.1生物传感器4.军事应用现代战争往往是在核武器、化学武器、生物武环境废水BOD分析仪12.1生物传感器环境废水BOD分析仪12.1生物传感器手掌型葡萄糖分析仪12.1生物传感器手掌型葡萄糖分析仪12.1生物传感器发酵罐主机计算机SBA-60型生物传感在线分析系统12.1生物传感器发酵罐主机计算机SBA-60型生物传感在线分析系统12.112.2微波传感器一、微波概述

微波是波长为1mm～1m的电磁波，可以细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。微波特点：①定向辐射的装置容易制造；②遇到各种障碍物易于反射；③绕射能力差；④传输特性好，传输过程中受影响很小；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。

12.2微波传感器一、微波概述微波是二、微波传感器的原理和组成

1、微波传感器的测量原理及分类微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。

12.2微波传感器二、微波传感器的原理和组成1、微波传感器的测量原理及分类（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量的。通常它可以测量物体的位置、位移、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体或被测物体的厚度、含水量等参数的。12.2微波传感器（1）反射式微波传感器12.2微波传感器

微波传感器通常由微波发射器（即微波振荡器）、微波天线及微波检测器三部分组成。（1）微波振荡器及微波天线微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，即频率很高（300MHz～300GHz），要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有调速管、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。2、微波传感器的组成12.2微波传感器微波传感器通常由微波发射器（即微波振荡器）、微波天由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管（管长为10cm以上，可用同轴电缆）传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常用的天线如图所示，其中有喇叭形天线（图（a）、（b））、抛物面天线（图（c）、（d））、介质天线与隙缝天线等。（a）扇形喇叭天线;(b)圆锥形喇叭天线;(c)旋转抛物面天线;(d)抛物柱面天线12.2微波传感器由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管（管长为10（2）微波检测器

电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流-电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。与其它传感器相比，敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。作为非线性的电子元件，在几兆赫以下的频率通常可用半导体PN结，而对于频率比较高的可使用肖特基结。在灵敏度特性要求特别高的情况下可使用超导材料的约瑟夫逊结检测器、SIS检测器等超导隧道结元件，而在接近光的频率区域可使用由金属-氧化物-金属构成的隧道结元件。

2、微波传感器的组成（2）微波检测器2、微波传感器的组成

微波传感器作为一种新型的非接触传感器具有如下特点：①有极宽的频谱（波长=1.0mm-1.0m）可供选用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率；②在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温环境中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶劣环境下工作；③时间常数小，反应速度快，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制；3、微波传感器的特点12.2微波传感器微波传感器作为一种新型的非接触传感器具有如下特点：④测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控；⑤微波无显著辐射公害。微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未得到很好的解决。其次，使用时外界环境因素影响较多，如温度、气压、取样位置等。12.2微波传感器④测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从三、微波传感器的应用1、微波液位传感器

微波液位计

12.2微波传感器三、微波传感器的应用1、微波液位传感器微波液位计12.水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中得到能量（储能），又不断释放能量（放能），前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波衰减。使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，就可以换算出物体的含水量。2、微波湿度传感器12.2微波传感器使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体下图给出了测量酒精含水量的仪器框图，图中，MS产生的微波功率经分功率器分成两路，再经衰减器A1、A2分别注入到两个完全相同的转换器T1、T2中。其中，T1放置无水酒精，T2放置被测样品。相位与衰减测定仪（PT、AT）分别反复接通两电路（T1和T2）输出，自动记录与显示它们之间的相位差与衰减差，从而确定样品酒精的含水量。2、微波湿度传感器12.2微波传感器下图给出了测量酒精含水量的仪器框图，图中，MS产生的微波测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物体金属表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。微波测厚仪原理如图所示，在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。微波信号源发出的微波，经过环行器A、上传输波导管传输到上终端器，由上终端器发射到被测物体上表面上，微波在被测物体上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输导管、环行器A、下传输波导管传输到下终端器。由下终端器发射到被测物体下表面的微波，经全反射后又回到下终端器，再经过传输导管回到环行器A。因此被测物体的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切关系，当被测物体厚度增加时，微波传输的行程长度便减小。3、微波测厚仪12.2微波传感器3、微波测厚仪12.2微波传感器微波测厚仪原理图3、微波测厚仪12.2微波传感器微波测厚仪原理图3、微波测厚仪12.2微波传感器一般情况下，微波传输的行程长度的变化非常微小。为了精确地测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法，前面讨论的微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波的传输行程设置一个参考臂（图右部）。若测量臂与参考臂行程完全相同，则反相叠加的微波经过检波器C检波后，输出为零。若两臂行程长度不同，两路微波叠加后不能相互抵消，经检波器后便有不平衡信号输出。此不平衡差值信号经放大后控制可逆电机旋转，带动补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，直到两臂行程长度完全相同，放大器输出为零，可逆电机停止转动为止。3、微波测厚仪12.2微波传感器一般情况下，微波传输的行程长度的变化非常微小。为了精

微波无损检测是综合利用微波与物质的相互作用，一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。

4、微波无损检测12.2微波传感器4、微波无损检测12.2微波传感器

1.次声波次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。声波的分类12.3超声波传感器

1.次声波次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不2.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。频率在16~20KHz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波12.3超声波传感器2.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。频率在16~203.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。高于20KHz的机械波，称为超声波12.3超声波传感器3.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。高于20KHz的机械波，一、超声波物理基础

频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。超声波的传播波型