《传感器及检测技术》课件08 项目八 新型传感器及应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2018/10/31,#,PPT,模板下载：, 新型,传感器及应用,项目,八 新型,传感器及应用,目 录,1,任务一 智能传感器,2,任务二 生物传感器,3,任务三 微型传感器,项目,八 新型,传感器及应用,学习目标,了解智能传感器的概念、功能和特点。,了解智能传感器的组成和实现途径。,了解智能压力传感器和智能温度传感器。,了解生物传感器的基本知识。,了解常用生物传感器的应用。,了解微机电系统。,了解微型传感器及应用。,任务,一 智能,传感器,人类,感知外部信息是通过人的视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等感觉器官与人类积累的知识相结合的结果。因此人类的智能是实现了多重传感信息的融合并且把它与人类的知识结合而作出的归纳和综合，它包括了“感知”和“认知”两个方面。,任务一 智能传感器,一,、智能,传感器的概念,智能,传感器的最高目标应该是接近或达到人类的智能水平，能够像人一样通过在实践中不断地改进和完善，实现最佳测量方案，得到最理想的测量结果。而目前传感器的智能化程度还仅仅是初级阶段，与人类的智能相比还有很大的差距，只能说是数据处理层次上的低级智能。,任务一 智能传感器,二,、智能,传感器的功能与特点,（一,）智能,传感器的功能,智能,传感器比传统传感器在功能上有了极大的拓展，几乎包含了测量设备的全部功能，主要表现在以下几方面：,1,.,自,校准功能,操作者输入零值或某一标准值后，自校准程序可以自动进行零位和增益等参数的在线校准。,2.,自,诊断功能,工作中，可借助内部检测电路对异常现象或故障进行诊断,。,任务一 智能传感器,二,、智能,传感器的功能与特点,（一,）智能,传感器的功能,3.,检测,数据自动处理功能,对,采集得到的数据进行分析、统计和修正，进行非线性、温度、噪声、漂移等误差补偿。,4.,软件,组态功能,智能,传感器内部具有多种硬件和软件模块。用户可针对不同应用目的，通过操作指令，改变其内部硬件模块和软件模块的组合，来完成不同的功能，实现多传感、多参数的复合测量,。,任务一 智能传感器,二,、智能,传感器的功能与特点,（一,）智能,传感器的功能,5.,信息,存储和记忆功能,能存储各种历史信息、参数和校正数据等。,6.,双向通信,和数字输出,能方便地与计算机连接，实现信息的交换。,任务一 智能传感器,二,、智能,传感器的功能与特点,（二,）智能,传感器的特点,高精度,智能传感器通过自较零可去除零点；通过与标准参考基准实时比对而自动进行系统标定；自动对系统的非线性等系统误差进行校正；通过对采集的大量数据的统计处理消除偶然误差的影响等，从而保证高精度。,高可靠性与高稳定性,由于智能传感器能自动补偿因工作条件和环境参数变化引起的系统特性的漂移；能随被测参数的变化自动改变量程；能实时自动对采集的数据进行自检、分析、判断其合理性，并对异常情况作应急处理等，从而保证高可靠性与高稳定性,。,高信噪比与高分辨率,由于智能传感器具有检测数据自动处理功能，能进行数字滤波、分析计算，可去除噪声；通过数据融合、神经网络技术，消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，使得在多参数状态下对特定参数的测量分辨率得到提高，从而保证高信噪比与高分辨率。,任务一 智能传感器,二,、智能,传感器的功能与特点,（二,）智能,传感器的特点,自适应性强,由于智能传感器具有判断、分析和处理的功能，因此它能根据工作情况决策各部分的供电情况、优化与上位机的数据传送速率，保证系统工作在最优低功耗状态。,高性价比,智能传感器具有上述高性能，而制造是采用低价的集成电路工艺和软件来实现，因此具有高性价比。,任务一 智能传感器,三、智能,传感器的组成,（一,）智能,传感器的功能,智能,传感器的组成框图如图,8-1,所示。它是一个最小的微机系统，通常装在一个壳体内，由传感器（传感元件）、信号调理电路、微处理器单元和通信接口等组成。传感元件包括弹性敏感元件和变换器，信号调理电路包括多路开关、仪用放大器、基准电压、模数转换器等，微处理器单元包括微处理器、存储器、输入输出接口电路、数模转换器等。,任务一 智能传感器,三、智能,传感器的组成,（一,）智能,传感器的功能,任务一 智能传感器,四,、智能,传感器的实现,1,.,模块化,实现,模块化,智能传感器为初级的智能传感器，它是将传统传感器、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器等模块装配在同一壳体内而构成的智能传感器，如图,8-2,所示。这种传感器由于集成度不高而导致体积较大，但在目前的技术水平下，仍不失为一种实用的结构形式。,任务一 智能传感器,四,、智能,传感器的实现,2.,集成化,实现,集成,智能传感器又称现代智能集成传感器，它的制作工艺与传统传感器完全不同。它是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用半导体硅材料制作敏感元件，将信号调理电路和微处理器等器件集成在一块芯片上构成的。其外形如图,8-3,所示。它具有集成度高、体积小等特点，是智能传感器的发展方向。,任务一 智能传感器,四,、智能,传感器的实现,3.,混合,实现,这种,传感器是根据技术工艺的可能与实际的需要，将智能传感器的各个环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口等，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里构成的。这种结构是目前智能传感器采用较多的结构形式。,任务一 智能传感器,五,、智能,传感器的应用,（一） 智能压力传感器,传统,压力检测传感器前面章节已有介绍，本节介绍的智能压力传感器能同时检测出差压、静压和温度信号，并经自动处理后输出实际压力信号。,美国,霍尼韦尔（,Honeywell,）公司生产的,ST3000,系列智能压力传感器的原理框图如图,8-4,所示。,任务一 智能传感器,五,、智能,传感器的应用,（一） 智能压力传感器,任务一 智能传感器,五,、智能,传感器的应用,（二,）,DS18B20,智能温度传感器,1.DS18B20,的特性,供电电压扩大为,3,05,5V,。,3,引脚,PR35,封装或,8,引脚小外形集成电路封装。,应用中不需要外部任何元器件即可测温。,测温范围在,-55125,之间，测温不确定度可达,0,5,。,数字温度计的分辨率用户可从,912 bit,选择。,用户可自设定非易失性的温度报警上下限值。,具有电源反接的保护电路。,任务一 智能传感器,五,、智能,传感器的应用,2,. DS18B20,的内部结构,DS18B20,的内部结构如图,8-5,所示，主要包括寄生电源、温度传感器、,64 bit,激光,ROM,单线接口、存放中间数据的高速暂存器、温度上下限值的,TH,和,TL,触发器、,8,位循环冗余校验发生器等。,（二,）,DS18B20,智能温度传感器,任务一 智能传感器,五,、智能,传感器的应用,（二,）,DS18B20,智能温度传感器,任务一 智能传感器,五,、智能,传感器的应用,3. DS18B20,的测温,原理,DS18B20,的测温原理框图如图,8-6,所示。低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器,1,；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器,2,的脉冲输入。,（二,）,DS18B20,智能温度传感器,任务一 智能传感器,五,、智能,传感器的应用,（二,）,DS18B20,智能温度传感器,任务一 智能传感器,五,、智能,传感器的应用,4. DS18B20,的应用,DS18B20,可直接连接在单片机,I/O,接口上，如图,8-7,所示，将测量温度送入单片机。根据连接在单片机,I/O,接口上长短、阻抗、分布电容等参数的不同，一个,I/O,接口可挂接,3050,片,DS18B20,，使用一个具有,16,位,I/O,接口的单片机就可以组建一个包含几百个测温点的小型测温网络。,（二,）,DS18B20,智能温度传感器,任务一 智能传感器,五,、智能,传感器的应用,（二,）,DS18B20,智能温度传感器,任务,二 生物传感器,用于,检测生物体内化学成分的生物传感器的研究始于,20,世纪,60,年代，最早出现的是酶传感器。,20,世纪,80,年代后，伴随着生物技术与微电子学、化学、光学、热学等技术的进步和各技术的交叉结合，使生物传感器的研究和开发得到了突飞猛进的发展。目前，人们正利用生物体的特异功能，研制类似于生物感觉器官功能的各种生物传感器，它是传感检测技术的新发展。,任务,二 生物传感器,一,、生物传感器,概述,生物传感器,是利用各种生物体成分，如酶、抗体、抗原、激素等或生物体本身，如细胞、细胞体等，把它们作为传感器的敏感材料固定在高分子人工膜等固定载体上，用于检测和设别被测生物体内的化学成分，并通过一种合适的换能器将其产生的物理量、化学量的变化转换成电信号的传感器。,（一,）生物传感器,的定义,任务,二 生物传感器,一,、生物传感器,概述,（,1,） 分析速度快。主要在无试剂条件下操作，可以在较短的时间内得到结果。,（,2,） 准确度高和灵敏度高，一般相对误差不超过,1%,。由于生物敏感膜的高度特异性和灵敏度，因此能检测一些含量极低的检测对象。,（,3,） 操作较简单，能连续在线检测，容易实现自动分析。,（,4,） 专一性强，只对特定的底物起反应，且不受颜色、浊度的影响。,（,5,） 经固化处理后，能长期保持其生理活性，传感器可反复使用。,（,6,） 检测信息以电信号方式直接输出，容易实现检测自动化。,（,7,） 使用寿命较短。,（二,）生物传感器,的特点,任务,二 生物传感器,一,、生物传感器,概述,生物传感器,的分类方法较多且不统一，通常是根据生物敏感膜和物理化学变换器的不同进行分类的。表,8-1,所示为根据生物敏感膜的分类法。,（三,）生物传感器,的分类,任务,二 生物传感器,一,、生物传感器,概述,生物传感器,在医疗检验、环境监测、食品工业、生物工程、农业、畜牧业等领域得到了广泛的应用。,临床,上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提供依据；环境监测中用生物传感器监测大气和水中各种污染物质的含量；食品工业中用生物传感器检测食品中的营养成分和有害成分的含量、食品的新鲜程度等。,（四,）生物传感器,的应用,任务,二 生物传感器,二,、生物传感器,的基本原理,生物传感器,由生物敏感膜和物理化学变换器两部分组成。生物敏感物质附着于膜上或包含于膜之中（称为固定化），当被测物经扩散进入生物敏感膜层，发生物理、化学变化，经分子识别，由相应的物理化学变换器转换成定量的、可传输和处理的电信号,。,任务,二 生物传感器,二,、生物传感器,的基本原理,生物,敏感膜是利用生物体内具有奇特与敏感功能的生物物质固定在基质或载体上构成的。它具有专一性与选择亲和性，可进行分子识别，因此也称为分子识别元件。生物敏感膜是生物传感器的关键元件，它决定着传感器的功能和质量。,任务,二 生物传感器,三,、酶,传感器及应用,酶,是由生物体内产生并具有催化作用的活性蛋白质，它具有特异的催化功能，因此，酶被称为生物催化剂。酶在生命活动中起着极为重要的作用，它参加新陈代谢过程中的所有生化反应，并以极高的速度维持生命的代谢活动，包括生长、发育、繁殖与运动等，可以说没有酶就没有生命。,（一,）酶,传感器概述,任务,二 生物传感器,三,、酶,传感器及应用,1,.,葡萄糖酶传感器,葡萄,糖酶传感器是第一个酶传感器，它由葡萄糖氧化酶膜和电化学电极两部分组成。葡萄糖氧化酶是敏感膜，它固定在聚乙烯酰胺凝胶上，其电化学器件为阳极,Pt,和阴极,Pb,，中间为强碱溶液，并在阳极表面覆盖一层透氧气的聚四氟乙烯膜，形成封闭氧电极，它避免了电极与被测液的直接接触，防止电极的毒化,。,（二,）酶,传感器的应用,任务,二 生物传感器,三,、酶,传感器及应用,2.,尿素传感器,在,医学临床检查中，分析患者的血清和体液中的尿素对于肾功能的诊断是很重要的。对于慢性肾功能衰竭的患者进行人工透析，在确定的透析时间后，尿素的定量分析是必不可少的,。,（二,）酶,传感器的应用,任务,二 生物传感器,四,、微生物传感器,及应用,近年来,，随着微生物固化技术的进步，固定化微生物越来越多地被用作生物传感器的分子设别元件，产生了微生物传感器,。,微生物,包括细菌、酵母、霉菌等，它本身就是具有生命活性的细胞，具有呼吸功能（氧气消耗）、新陈代谢功能（物质的合成和分解）、菌体内复合酶功能、能量再生功能、辅助酶再生功能等,。,（一,）微生物传感器,概述,任务,二 生物传感器,四,、微生物传感器,及应用,1,.,葡萄糖微生物传感器,酶电极,可测定葡萄糖，但它不能用于发酵过程中葡萄糖的测定。在发酵过程中测定葡萄糖含量常用微生物电极。,（二,）微生物传感器,的应用,任务,二 生物传感器,四,、微生物传感器,及应用,2.,醋酸传感器,醋酸,作为碳源广泛用于发酵过程，但浓度太大，反而抑制微生物繁殖。因此在发酵过程中，控制培养液中的醋酸浓度非常重要。,利用,微生物检测醋酸浓度系统如图,8-8,所示，它由毛发芽胞固化膜、气体渗透膜和氧电极组成。当向该系统输送醋酸样品时，电流值迅速下降，,5,分钟后剩下的极小电流值与醋酸浓度之间有极好的线性关系。,（二,）微生物传感器,的应用,任务,二 生物传感器,四,、微生物传感器,及应用,（二,）微生物传感器,的应用,任务,二 生物传感器,五,、免疫,传感器及应用,免疫,传感器的基本原理是免疫反应。从生理学可知，抗原是能够刺激动植物机体产生免疫反应的物质。抗原一旦被淋巴球响应就形成抗体，抗体是由抗原刺激机体产生的具有特异免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。,（一,）免疫,传感器概述,任务,二 生物传感器,五,、免疫,传感器及应用,免疫传感器具有很多优点：,（,1,） 由于抗体对相应抗原具有识别功能而获得了高度的选择性。,（,2,） 由于抗体与抗原的亲和性，可实现超低浓度的测量。,（,3,） 对于所有的测量对象，抗体制作成为可能，因此免疫传感器适用范围极广。,（,4,） 利用单色抗体制作技术可实现抗体的批量制作。,（一,）免疫,传感器概述,任务,二 生物传感器,五,、免疫,传感器及应用,梅毒,抗体传感器的结构如图,8-9,所示。容器,1,是基准容器，底部为不含有抗原的纯乙酰纤维素做成的参考膜；容器,3,为抗原容器，底部为脂质抗菌素原固定化膜。将容器,1,、,3,放入测试容器,2,中，当血清注入容器,2,中，如果血清中存在抗体，则会吸附于抗原表面形成复合体。因抗体带正电荷，所以抗原膜的负电荷减少，引起膜电位变化，通过测量抗原膜和参考膜间的电位差，可判断血清中是否存在梅毒抗体。,（二,）免疫,传感器的应用,任务,二 生物传感器,五,、免疫,传感器及应用,（二,）免疫,传感器的应用,任务,三 微型,传感器,传感器,微型化是传感器技术主要发展方向之一。微型传感器的诞生依赖于微机电系统（,Micro ElectroMechanical System,，,MEMS,）技术的发展。,MEMS,技术是当今蓬勃发展的前沿技术，它将传感器带入了微型化、集成化和智能化的时代。它的出现打破了传感器的传统概念和它与系统的界限，还在很大程度上改变了传感器的原理。,任务,三 微型,传感器,一,、微机,电系统,微机,电系统通常简称,MEMS,，原联邦德国教研部,1994,年给出的定义为： 若将传感器、信号处理器和执行器以微型化的结构形式集成为一个完整的系统，而该系统具有“敏感”、“决定”和“反应”的能力，则称这样一个系统为微系统或微机电系统。它是多学科的交叉技术，涉及精密机械、材料、制造、微电子、控制、物理、化学、力学和生物等多学科技术,。,（一,）微机,电系统简介,任务,三 微型,传感器,一,、微机,电系统,微机,电系统组成框图如图,8-10,所示。它通常由微型传感器、信号处理单元、微执行器和电源等部分组成。系统首先通过微型传感器感测自然界各种信息并将其转换为电信号，再由信号处理单元（包括,A/D,、,CPU,、,D/A,等电路）对输入信号处理后，送人微执行器对外部被控量发生作用。,（一,）微机,电系统简介,任务,三 微型,传感器,一,、微机,电系统,（一,）微机,电系统简介,任务,三 微型,传感器,一,、微机,电系统,对于一个微机电系统通常具有以下典型的特点：,（,1,） 零件微型化。,（,2,） 受制造工艺和方法的限制，结构零件一般为两维的、扁平零件。,（,3,） 系统所用材料基本上为半导体材料，但也越来越多地使用塑料材料。,（,4,） 系统各部分被集成为相应独立的子系统，如传感器、处理单元、执行器等,。,（二,）微机,电系统的特点,任务,三 微型,传感器,一,、微机,电系统,（三,）微机,电系统的加工技术,超精密加工及特种加工,微机电系统中采用的超精密加工技术多由加工工具本身的形状或运动轨迹决定微型器件的形状。这类方法可用于加工三维的微型器件和形状复杂、精度高的微构件。,表面微加工,以硅片作基片，通过淀积与光刻形成多层薄膜图形，把下面的牺牲层经刻蚀去除，保留上面的结构图形的加工方法。在基片上有淀积的薄膜被有选择地保留或去除以形成所需的图形。,体微加工,体微加工是按照设计图在硅片上有选择性地去除一部分硅材料，形成微机械结构。它的关键技术是蚀刻，通过腐蚀对材料的某些部分有选择地去除，使被加工对象显露出一定的几何结构。,LIGA,技术,LIGA,是德文“光刻”、“电铸”、“塑铸”三词的缩写，,LIGA,技术先利用同步辐射,X,射线光刻技术光刻出所需要的图形，然后利用电铸成型方法制作出与光刻图形相反的金属模具，再利用微塑铸形成深层微结构。,任务,三 微型,传感器,二,、微型,传感器,（,1,） 单一微型传感器： 采用精密机械加工、微电子技术和,MEMS,技术，使传感器尺寸大大减小，一般敏感元件的尺寸为毫米级到微米级、有的甚至达到纳米级。,（,2,） 集成化微型传感器： 将微型敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上，形成集成的传感器。,（,3,） 微传感器系统： 包括微传感器、微执行器等，可独立工作。,（一,）微型,传感器的含义,任务,三 微型,传感器,二,、微型,传感器,随着微型传感器尺寸的显著变小，其结构、材料、特性乃至所依据的物理作用原理均可能发生变化。与常规传感器比较，微型传感器有以下特点：,（,1,） 空间占有率小。对被测对象的影响小，能在不扰乱周围环境，接近自然的状态下获取信息。,（,2,） 灵敏度高，响应速度快。由于惯性和热容量很小，仅用极小能量即可使温度变化或者产生动作，能实时跟踪局部的运动状态,。,（二,）微型,传感器的特点,任务,三 微型,传感器,二,、微型,传感器,（,3,） 便于集成化和多功能化。能将多种传感器集成在一起把握微小部位的综合状态；也可将信号处理单元和驱动部分与传感元件集成一体，实现智能化和多功能化。,（,4,） 可靠性高。应用半导体微加工技术能避免因组装引起的特性偏差；将微型传感器与集成电路集成在一起可解决寄生电容和导线过多的问题，还能实现自诊断和自校准功能。,（,5,） 消耗小，可节能。,（,6,） 价格低廉。,（二,）微型,传感器的特点,任务,三 微型,传感器,三,、常用,微型传感器及应用,1.,压阻式微压力传感器,压,阻式微压力传感器是利用硅的压阻效应、集成电路工艺和微机械加工技术，在硅单晶膜片上扩散形成力敏电阻而构成的，参见项目三。,微型传感器的膜片的受压变形远小于膜片厚度，其灵敏度和测压范围与膜片的几何尺寸和膜厚有关。它可测压力范围为,1,10 kPa,，改变膜片的大小和厚度可进一步测量较小的压力。,（一,）压,阻式微型传感器,任务,三 微型,传感器,三,、常用,微型传感器及应用,2.,压阻式微,加速度传感器,压,阻式微加速度传感器的结构如图,8-11,所示，它由悬臂梁、质量块和布置在梁上的压阻组成。,当,有加速度输入时，悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形，导致与之刚性连接的压阻膜随之发生变形，由于压阻效应使压阻膜的阻值变化，通过电桥电路将此变化转换成输出电压的变化,。,（一,）压,阻式微型传感器,任务,三 微型,传感器,三,、常用,微型传感器及应用,（一,）压,阻式微型传感器,任务,三 微型,传感器,三,、常用,微型传感器及应用,电容,式微,压力传感器,电容,式微压力传感器的结构为双层平行板电容器，电容器的下极板位于支撑玻璃上，上极板通过腐蚀技术做在硅膜上，硅膜片和玻璃用静电封接技术合在一起，形成具有一定间隙的硅膜片微型传感器。如图,8-12,所示。,（二,）电容式,微型传感器,任务,三 微型,传感器,三,、常用,微型传感器及应用,（二,）电容式,微型传感器,任务,三 微型,传感器,三,、常用,微型传感器及应用,2.,电容式微,加速度传感器,电容,式微加速度传感器的结构如图,813,所示。惯性振动质量块的两个面作为两个电容的动极板，质量块由一个或两个悬臂梁支撑。当加速度产生的惯性力使质量块位移时，两个电容的动极板与定极板间距发生变化，从而使两电容值产生差动变化。通过测量两电容的变化就可以测出加速度了。,（二,）电容式,微型传感器,任务,三 微型,传感器,三,、常用,微型传感器及应用,（二,）电容式,微型传感器,