第八章_传感器设计及制作_s.ppt

1、电子鼻工作原理,电子鼻主要由气敏传感器阵列、信号预处理和模式识别三部分组成。 传感器阵列针对某种气味呈现特定的群体响应，化学输入转换成电信号，构成了传感器阵列对该气味的响应谱。 经模式识别和分析以后，可以确定气体的类型。,半导体气体传感器工作原理,半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化。这些都是由材料的半导体性质决定的。 自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已经成为当前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器，根据其气敏机制可以分为电阻式和非

2、电阻式两种。,半导体气敏传感器,图中EH为加热电源，EC为测量电源，电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化，输出电压（信号电压）由电阻Ro上取出。,图10-1 输出电压与温度关系,半导体气体传感器分类,电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用金属氧化物薄膜(例如：Sn02，ZnO，Fe203，Ti02等)制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。气味分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器传导率的变化。为了消除气味分子还必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器有助于氧化反应进程。它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优

3、点。 非电阻式半导体气体传感器是MOS二极管式和结型二极管式以及场效应管式(MOSFET)半导体气体传感器。其电流或电压随着气体含量而变化，主要检测氢和硅烧气等可燃性气体。其中，MOSFET气体传感器工作原理是挥发性有机化合物(VOC)与催化金属(如钮)接触发生反应，反应产物扩散到MOSFET的栅极，改变了器件的性能。通过分析器件性能的变化而识别VOC。通过改变催化金属的种类和膜厚可优化灵敏度和选择性，并可改变工作温度。MOSFET气体传感器灵敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高。,近红外光,近红外光（Near Infrared，NIR）是介于可见光（VIS）和中红外光（MIR）之间的电磁波，A

4、STM定义的近红外光谱区的波长范围为7802526nm，习惯上又将近红外区分为近红外短波（7801100nm）和近红外长波（11002526nm）两个区域。,近红外光谱分析原理,近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团X-H（X=C、N、O）振动的倍频和合频吸收。不同基团（如甲基、亚甲基、苯环等）或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别，NIR光谱具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成与性质的测量。,近红外传感器检测原理,利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射

5、、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。,近红外传感器检测原理,红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。,近红外传感器检测原理,红外线传感器常用于无接触

6、温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。 采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）； 利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报； 采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机 的过热情况等。,透射光谱法,反射光谱法,近红外光谱的常规分析方法,定性分析,定量分析,近红外光谱分析技术,按分光系统分类,固定波长滤光片型,光栅色散型,快速傅立叶变换型,声光可调滤光器,阵列检测型,近红外光谱分析仪器,食品 酒制品、饮料、调味品、乳制品、食用油、烘焙食品、肉类等 成

7、分鉴别、产地鉴别、真伪鉴别,农牧 谷类作物、烟草、咖啡、水果、蔬菜、茶叶等 成分鉴别、成熟度、品质分级、品种鉴定、产地鉴别、真伪鉴别,石油炼制 原油、天然气、汽油等 成分鉴别、重整,近红外光谱技术的应用,优点：（1）快速，通常30秒内就可给出分析结果，可进行在线分析； （2）制样简单； （3）信息量大，可同时测定多组分； （4）经定标建模后，无须用其他常规化学分析手段，不使用有毒有机 试剂，无污染； （5）非破坏性分析，可实现产品的无损质量检测； （6）可使用光纤，从而可实现远程分析检测。,缺点：（1）建立模型需要大量有代表性且化学值已知的样品； （2）模型需要不断的维护改进 ； （3）近红外

8、测定精度与参比分析精度直接相关，在参比方法精度不够的情况下，无法得到满意结果。,近红外光谱分析技术的优缺点,透射光谱法,透射光谱法就是把待测样品置于作用光与检测器之间，检测器所检测到的分析光是作用光通过样品体与样品分子相互作用后的光，若样品是透明的真溶液，则分析光在样品中经过的路程一定，透射光的强度与样品组分浓度由比耳定律决定。,反射光谱法,反射光谱分析时，检测器与光源置于待测样品的同一侧，检测器检测到的分析光是光源发出的作用光投射到物体后，以各种方式反射回来的光。物体对光的反射分为规则反射光（镜面反射）与漫反射。规则反射光指在物体表面按入射角等于反射角的反射定律发生的反射。漫反射是光投向漫反

9、射体（颗粒或粉末）后，在物体表面或内部发生的方向不定的反射。,定性分析,近红外光谱定性分析利用模式识别与聚类的一些算法，主要用于鉴定。在模式识别运算时需要有一组用于计算机“学习”的样品集，通过计算机运算，得出学习样品在数学空间的范围，对未知样品运算后，若也在此范围内，则该样品属于学习样品集类型，反之则否定。聚类运算时不需学习样品集，它通过待分析样品的光谱特征，根据光谱近似程度进行分类。,定量分析,近红外光谱分析与其它吸收光谱按照比耳定律作定量分析类似。作常规光谱定量分析时，需要建立光谱参数与样品含量间的关系（标准曲线）。但对复杂样品作近红外光谱定量分析时，为了解决近红外谱区重叠与谱图测定不稳定

10、的问题，必须充分应用全光谱的信息。,傅立叶近红外分析仪器,德国布鲁克公司在 2001 年推出的 真正非接触式在线傅立叶近红外分析仪器： MATRIX-E,PART IV,味觉细胞生物传感器,主要内容,研究背景、研究内容、技术路线 味觉细胞传感器检测系统设计 细胞的培养、鉴定与表征 味觉细胞传感器对四种基本味质的辨识区分实验研究 味觉细胞传感器对天然/人工甜味剂的评估 结论与展望,一、研究目的、背景和意义,4.信号处理中的随机共振（一）,在前面的随机共振系统中，如果将输入外力看作是我们要传输的信号，噪声可以看作是信号传输引入的信道噪声，系统输入（信号+噪声）作为我们接收到的信号，则将此接收到的信

11、号通过如前面说述的一个双稳态系统，粒子的状态看作输出，则可以实现信号的检测。,4.信号处理中的随机共振(二),原始周期信号 (b)噪声 (c) 噪声污染的信号 (d) 检测到的周期信号 (e)幅值谱 (f) 局部放大的幅值谱,4.信号处理中的随机共振(三),输入信号 幅度 0.001，频率 0.0001 随机共振系统参数 0.01， 0.01 (a) 输出信噪比 (b) 系统增益,4.信号处理中的随机共振（四）,由于输出信号幅值大于输入信号幅值，从而起到了有效的放大作用；同时因系统输出状态有规则的变化，有效地抑制了系统输出状态中的噪声量，将部分噪声能量转换到信号中去，这样就使整个系统的输出信噪比得到很大的提高。这时，弱信号，噪声及双稳态系统就组成了一个随机共振信号处理器！,4.信号处理中的随机共振（五）,在传统的通信系统中，我们总是设法减少噪声的干扰，但从以上分析可知，噪声有时候反而有利于信号的传输、检测。因此，随机共振的出现为弱信号的检测提供了一种新的思路，对信息科学的发展有着重要意