1、第第3章章 传感器及检测技术传感器及检测技术 3.1 传感器3.2 检测技术基础3.3 典型传感器原理简介3.4 智能检测系统3.1 传传 感感 器器3.1.1 传感器概述传感器概述传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾)，并将探知的信息传递给其他装置或器官。国家标准GB766587对传感器下的定义是：能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理
2、、存储、显示、记录和控制等要求。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器等，它们的内涵相同或相似，所以近来已逐渐趋向统一，大都使用“传感器”这一名称了。从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器(Transducer)”来称谓“传感器(Sensor)”。3.1.2 传感器的分类传感器的分类往往同一被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种分类方法。常见的传感器分类方法如
3、下：1按照传感器的用途分类按照传感器的用途分类传感器按照其用途可分为力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器和24GHz雷达传感器等。2按照传感器的原理分类按照传感器的原理分类传感器按照其原理可分为振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器和生物传感器等。3按照传感器的输出信号标准分类按照传感器的输出信号标准分类传感器按照其输出信号的标准可分为以下几种：(1)模拟传感器：将被测量的非电学量转换成模拟电信号。(2)数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。(3)膺数字型传感器：将被测量的信
4、号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。(4)开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。4按照传感器的材料分类按照传感器的材料分类在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来作为传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：(1)按照其所用材料的类别分类：金属聚合物和陶瓷混合物。(2)按材料的物理性质分类：导体绝缘体和半导体磁性材料。(3)按材料的晶体结构分类：单晶和多晶非晶材料。与采用新材料紧密相关的传感器开发工作
5、，可以归纳为下述三个方向：(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们在传感器技术中得到实际使用。(2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。5按照传感器的制造工艺分类按照传感器的制造工艺分类传感器按照其制造工艺可分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器和陶瓷传感器等。(1)集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初
6、步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。(2)薄膜传感器是通过沉积在介质衬底(基板)上的相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。(3)厚膜传感器是将相应材料的浆料涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是由Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。(4)陶瓷传感器是采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产的，完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜传感器和陶瓷传感器这两种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器
7、参数的高稳定性等原因，采用陶瓷传感器和厚膜传感器比较合理。6按照传感器的测量目的的不同分类按照传感器的测量目的的不同分类传感器根据测量目的的不同可分为物理型传感器、化学型传感器和生物型传感器。(1)物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的。(2)化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的。(3)生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。3.1.3 传感器的性能指标传感器的性能指标1传感器的静态特性传感器的静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有的相
8、互关系。因为这时输入量和输出量都与时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。(1)线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。其定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。(2)灵敏度：是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比，用S表示。(3)迟滞：指传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输
9、入、输出特性曲线不重合的现象。对于同一大小的输入信号，传感器的正、反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。(4)重复性：指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。(5)漂移：指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化的现象。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身的结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等)。2传感器的动态特性传感器的动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任
10、意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。3传感器的线性度传感器的线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，即线性度(非线性误差)，它就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。4传感器的灵敏度传感器的灵敏度灵敏度是
11、指传感器在稳态工作情况下输出量变化y对输入量变化x的比值。灵敏度是输出-输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间呈线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1 mm时，输出电压变化为200 mV，则其灵敏度应表示为200 mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。5传感器的分辨率传感器的分辨率分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入
12、变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨率并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨率的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。3.1.4 传感器的组成传感器的组成国家标准(GB766587)中定义传感器(Transducer/Sensor)为：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。这一定义包含了以下几方面的意思：(1)传感器是测量装置，能完成检
13、测任务；(2)它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；(3)它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；(4)输出、输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，组成框图如图3.1所示。图3.1 传感器组成框图敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。转换电路：可把敏感元件的输出经转换元件的输出再转换成电量输出。实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带
14、反馈的闭环系统。3.1.5 传感器在物联网中的应用传感器在物联网中的应用传感器是物联网信息采集基础。传感器处于产业链上游，在物联网发展之初受益较大；同时传感器又处在物联网金字塔的塔座，随着物联网的发展，传感器行业也将得到提升，它将是整个物联网产业中需求量最大的环节。目前，我国传感器产业相对国外来说，还比较落后，尤其在高端产品的需求上，大部分还依赖于进口，即使这样，随着工业技术的发展，需求量还是很大。随着物联网“十二五”规划的出台，物联网在智能电网、交通运输、智能家居、精细农牧业、公共安全以及智慧城市等领域的应用正在慢慢展开，由此带来的传感器需求将更加的庞大。现在，汽车、物流、煤矿安监、安防、R
15、FID标签卡领域的传感器市场增长较快：在汽车传感器市场上，由于汽车需求的急剧增加，带动传感器的销量也在快速上升，其潜在规模达五十七亿只，这个数量将是目前的十四倍以上；物流传感器市场将是汽车行业的两倍左右；此外，安防行业近年也引起了重视，“十二五”规划中我国安防行业产值年均增长百分之二十，传感器也将与其同步发展。传感器技术领导者易转型为整体方案商，成长空间大，竞争力强，是投资的首选目标。整体方案市场空间大，是传感器企业的长远目标，传感器核心技术的领导者更易转型；在物联网战略下，传感器国产化需求迫切，传感器行业的国内领导者受政府扶持；作为物联网发展瓶颈，传感器成为整个产业链的优势环节，也代表了企业
16、的核心竞争力。3.2 检测技术基础检测技术基础3.2.1 检测系统概述检测系统概述检测是人类认识物质世界、改造物质世界的重要手段。检测技术的发展标志着人类的进步和人类社会的繁荣。在现代工业、农业、国防、交通、医疗、科研等各行业中，检测技术的作用越来越大，检测设备就像神经和感官，源源不断地向人们传输各种有用的信息。检测的自动化、智能化归功于计算机技术的发展。微处理器芯片使传统的检测技术采用计算机进行数据分析处理成为现实。微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使检测仪器在测量过程自动化、测量结果的智能化处理和仪器功能仿真等方面都有了巨大的进展。从广义上说，自动检测系统包括以单片机为核心的智能仪器、以P
17、C为核心的自动测试系统和目前发展势头迅猛的专家系统。现代检测系统应当包含测量、故障诊断、信息处理和决策输出等多种内容，具有比传统的“测量”更丰富的范畴和模仿人类专家信息综合处理能力。现代检测系统充分开发利用了计算机资源，在人工最少参与的条件下尽量以软件实现系统功能。检测系统一般具有以下一些特点。(1)软件控制测量过程。自动检测系统可实现自稳零放大、自动极性判断、自动量程切换、自动报警、过载保护、非线性补偿、多功能测试和自动巡回检测。由于有了计算机，这些过程可采用软件控制。软件控制测量过程可以简化系统的硬件结构，缩小体积，降低功耗，提高检测系统的可靠性和自动化程度。(2)智能化数据处理。智能化数
18、据处理是智能检测系统最突出的特点。计算机可以方便、快捷地实现各种算法。因此，智能检测系统可用软件对测量结果进行及时、在线处理，提高测量精度。(3)高度的灵活性。智能检测系统以软件为工作核心，生产、修改、复制都较容易，功能和性能指标更改方便。而传统的硬件检测系统，生产工艺复杂，参数分散性较大，每次更改都牵涉到元器件和仪器结构的改变。(4)实现多参数检测与信息融合。智能检测系统配备多个测量通道，可以由计算机对多路测量通道进行高速扫描采样。因此，智能检测系统可以对多种测量参数进行检测。在进行多参数检测的基础上，依据各路信息的相关特性，可以实现智能检测系统的多传感器信息融合，从而提高检测系统的准确性、
19、可靠性和可容错性。(5)测量速度快。高速测量是智能检测系统追求的目标之一。所谓检测速度，是指从测量开始，经过信号放大、整流滤波、非线性补偿、A/D转换、数据处理和结果输出的全过程所需的时间。目前高速A/D转换的采样速度为200 MHz以上，32位PC的时钟频率也在500 MHz以上。随着电子技术的迅猛发展，高速显示、高速打印、高速绘图设备也日趋完善。这些都为智能检测系统的快速检测提供了条件。(6)智能化功能强。以计算机为信息处理核心的智能检测系统具有较强的智能功能，可以满足各类用户的需要。典型的智能功能有：检测选择功能。智能检测系统能够实现量程转换、信号通道和采样方式的自动选择，使系统具有对被
20、测对象的最优化跟踪检测能力。故障诊断功能。智能检测系统结构复杂，功能较多，系统本身的故障诊断尤为重要。系统可以根据检测通道的特征和计算机本身的自诊断能力，检查各单元故障，显示故障部位、故障原因和应该采取的故障排除方法。其他智能功能。智能检测系统还可以具备人机对话、自校准、打印、绘图、通信、专家知识查询和控制输出等智能功能。检测就是借助专用的手段和技术工具，通过实验的方法，把被测量与同性质的标准量进行比较，求出两者的比值，从而得到被测量数值大小的过程。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，特别是在自动检测和自动控制系统中获取的信息，都要通过传感器转换为容易传输、处理的电信号。在工程实践和科学实验中
21、提出的检测任务是正确、及时地掌握各种消息，大多数情况下是要获取被测对象信息的大小，即被测量的大小。这样，信息采集的主要含义就是测量并取得测量数据。测量结果可用一定的数值表示，也可用一条曲线或某种图形表示。但无论其表现形式如何，测量结果应包括两部分，即比值和测量单位。确切地讲，测量结果还应包括误差部分。实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法。针对不同测量任务进行具体分析，以找出切实可行的测量方法，对测量工作是十分重要的。3.2.2 检测技术的分类检测技术的分类1按测量过程的特点分类按测量过程的特点分类1)直接测量法在使用仪表或传感器进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示
22、测量所需结果的测量方法称为直接测量法。例如，用磁电式电流表测量电路的某一支路电流、用弹簧管压力表测量压力等，都属于直接测量法。直接测量法的优点是测量过程既简单又迅速，缺点是测量精度不高。直接测量法又包括以下几种：(1)偏差测量法：用仪表指针的位移(即偏差)决定被测量的量值的测量方法。在测量时，插入被测量，按照仪表指针在标尺上的示值决定被测量的数值。这种方法测量过程比较简单、迅速，但测量结果精度较低。(2)零位测量法：用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值的测量方法。在测量时，已知的标准量直接与被测量相比较，已知量应连续可调，指零仪表指零时，
23、被测量与已知标准量相等。(3)微差测量法：是综合了偏差测量法与零位测量法的优点而提出的一种测量方法。它将被测量与已知的标准量相比较，取得差值后，再用偏差测量法测得此差值。应用这种方法测量时，不需要调整标准量，而只需测量两者的差值。微差测量法的优点是反应快，而且测量精度高，特别适用于在线控制参数的测量。2)间接测量法在使用仪表或传感器进行测量时，首先对与测量有确定函数关系的几个量进行测量，将被测量代入函数关系式，经过计算得到所需要的结果，这种测量方法称为间接测量法。间接测量法的测量手续较多，花费时间较长，一般用于采用直接测量法不方便或者缺乏直接测量手段的场合。3)组合测量法组合测量法是一种特殊的
24、精密测量方法，被测量必须经过求解联立方程组才能得到最后结果。组合测量法的操作手续复杂，花费时间长，多用于科学实验或特殊场合。2按测量的精度因素分类按测量的精度因素分类(1)等精度测量法：用相同精度的仪表与相同的测量方法对同一被测量进行多次重复测量。(2)非等精度测量法：用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复测量。3按测量仪表特点分类按测量仪表特点分类(1)接触测量法：传感器直接与被测对象接触，承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得其信号，并测量其信号大小的方法。(2)非接触测量法：传感器不与被测对象直接接触，而是间接承受被测参数的作用，感受其变化，并
25、测量其信号大小的方法。4按测量对象的特点分类按测量对象的特点分类(1)静态测量法：指被测对象处于稳定情况下的测量方法，此时被测对象不随时间变化，故又称之为稳态测量法。(2)非接触测量法：传感器不与被测对象直接接触，而是间接承受被测参数的作用，感受其变化，并测量其信号大小的方法。4按测量对象的特点分类按测量对象的特点分类(1)静态测量法：指被测对象处于稳定情况下的测量方法，此时被测对象不随时间变化，故又称之为稳态测量法。(2)动态测量法：指被测对象处于不稳定情况下进行的测量方法，此时被测对象随时间而变化，因此，这种测量必须在瞬间完成，才能得到动态参数的测量结果。3.2.3 检测系统的组成检测系统
26、的组成1检测系统构成检测系统构成在工程中，需要由传感器与多台仪表组合在一起，才能完成信号的检测，这样便形成了一个检测系统。检测系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机结合。图3.2所示的是检测系统原理结构框图。图3.2 检测系统原理结构框图2开环检测系统和闭环检测系统开环检测系统和闭环检测系统1)开环检测系统开环检测系统的全部信息变换只沿着一个方向进行，如图3.3所示。其中x为输入量，y为输出量，x1和x2为各个环节的传递系数。采用开环方式构成的检测系统，结构较简单，但各环节特性的变化都会造成测量误差。图3.3 开环检测系统框图2)闭环检测系统闭环检测系统是在开环检测系统的基础上加了反馈环节，
27、使得信息变换与传递形成闭环，能对包含在反馈环内的各环节造成的误差进行补偿，使得系统的误差变得很小。3检测仪表的组成检测仪表的组成检测仪表是实现检测过程的物质手段，是测量方法的具体化，它将被测量经过一次或多次的信号或能量形式的转换，再由仪表指针、数字或图像等显示出量值，从而实现被测量的检测。检测仪表的组成框图如图3.4所示。图3.4 检测仪表的组成框图1)传感器传感器也称敏感元件，一次元件，其作用是感受被测量的变化并产生一个与被测量呈某种函数关系的输出信号。传感器：根据被测量性质分为机械量传感器、热工量传感器、化学量传感器及生物量传感器等；根据输出量性质分为无源电参量型传感器(如电阻式传感器、电
28、容式传感器、电感式传感器等)与发电型传感器(如热电偶传感器、光电传感器、压电传感器等)。2)变送器变送器的作用是将敏感元件输出信号变换成既保存原始信号全部信息又更易于处理、传输及测量的变量，因此要求变换器能准确、稳定地实现信号的传输、放大和转化。3)显示(记录)仪表 显示(记录)仪表也称二次仪表，其将测量信息转变成对应的工程量在显示(记录)仪表上显示。3.3 典型传感器原理简介典型传感器原理简介3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器是把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是
29、冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。电阻式传感器种类繁多，应用广泛，如称重传感器、压阻式传感器、应变式传感器、热电阻传感器等。1称重传感器称重传感器 称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力-电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。能够实现力-电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式称重传感器、电磁力式称重传感器和电容式称重传感器等。电磁力式称重传感器主要用于电子天平，电容式称重传感器用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，而且能够在相对比
30、较差的环境下使用，因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛运用。2压阻式传感器压阻式传感器压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。用做压阻式传感器的基片(或称膜片)材料主要为硅片和锗片。硅片为敏感材料，由其制成的硅压阻式传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。3应变式传感器应变式传感器应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。
31、应变式传感器可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。应变式传感器的特点如下：(1)精度高，测量范围广；(2)价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用；(3)频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；(4)结构简单，体积小，重量轻；(5)使用寿命长，性能稳定可靠。金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面或直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，其电阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，即可测量应变。若通过弹性体
32、或试件把位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换成应变，则可测量上述各量，而做成各种应变式传感器。4热电阻传感器热电阻传感器热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数的。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。热电阻传感器用于测量-200+500范围内的温度。热电阻传感器分类如下：(1)NTC热电阻传感器：该类传感器为负温度系数传感器，即传感器阻值随温度的升高而减小。(2)PTC热电阻传感器：该类传感器为正温度系数传感器，即传感器阻
33、值随温度的升高而增大。3.3.2 压电式传感器压电式传感器压电式传感器是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后，表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大与变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等；缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。配套仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电式传感器的使用更为方便。压电式传感器广
34、泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。1压电效应压电效应压电效应是压电式传感器的主要工作原理。压电式传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电式传感器只能测量动态的应力。压电效应示意图如图3.5所示。压电效应分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应
35、制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形、长度变形、体积变形、厚度切变形、平面切变形五种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这五种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。图3.5 压电效应示意图2压电材料压电材料压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。压
36、电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温；缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压电材料可大量生产和制成较大的面积，它与空气的声阻匹配具有独特的优越性，是很有发展潜力的新型电声材料。20世纪60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件(压电材料)的表面上产生电荷，从
37、而实现非电量电测的目的。压电式传感器特别适合于动态测量，绝大多数加速度(振动)传感器属压电式传感器。压电式传感器的主要缺点是压电转换元件无静态输出，输出阻抗高，需高输入阻抗的前置放大级作为阻抗匹配，而且很多压电元件的工作温度最高只有250C左右。3.3.3 生物传感器生物传感器生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。它是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)与适当的理化换能结构器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接收器与转换器的功能。1简介简介1967年S.
38、J.乌普迪克等制出了第一个生物传感器葡萄糖传感器。他们将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有直接化学结合法、高分子载体法和高分子膜结合法。第二代生物传感器是微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器，第三代生物传感器是将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器。20世纪90年代开启了微流控技术，生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有
39、选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。其缺点是生物固化膜不稳定。生物传感器涉及的是生物物质，主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控以及在发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面的应用。生物传感器是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。在21世纪知识经济发展中，生物传感器技术是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护以及生物技术、生物芯
40、片等研究中有着广泛的应用前景。2定义与分类定义与分类用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称为生物传感器(biosensor)。生物传感器并不专指用于生物技术领域的传感器，它的应用领域还包括环境监测、医疗卫生和食品检验等。生物传感器主要有下面三种分类命名方式：(1)根据生物传感器中分子识别元件(即敏感元件)可分为五类：酶传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器和免疫传感器，其所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。(2)根据生物传感器的换能器(即信号转换器)可分为生物电极传感器、半导体生物传感器、光生物传感器、热生物传感器和压电晶体生物传感器等，其所应用
41、的换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。(3)以被测目标与分子识别元件的相互作用方式可分为生物亲合型生物传感器。实际中，这三种分类方法之间互相交叉使用。3结构和原理结构和原理生物传感器由分子识别部分(敏感元件)和转换部分(换能器)构成，以分子识别部分去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础。生物体中能够选择性地分辨特定物质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合，酶与基质的结合。在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极
42、为重要的前提。要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变化或物理变化，去选择换能器，是研制高质量生物传感器的另一重要环节。菌素传感器是典型的生物传感器，其结构如图3.6所示。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗等会产生相应的变化量。根据这些变化量，可以选择适当的换能器。图3.6 菌素传感器的结构4生物传感器的四大应用领域生物传感器的四大应用领域 生物传感器正进入全面深入研究开发时期，各种微型化、集成化、智能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。1)食品工业生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。在食品工业中，葡
43、萄糖的含量是衡量水果成熟度和储藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖含量等。亚硫酸盐通常用做食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。2)环境监测 近年来，环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，生物传感器满足了人们的要求。目前，已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。二氧化硫(SO2)是酸雨、酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。Marty等人将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上，
44、和氧电极制成安培型生物传感器，对酸雨、酸雾样品溶液进行检测。3)发酵工业在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、可能消除发酵过程中干扰物质的干扰等特点。因此，在发酵工业中广泛地采用微生物传感器作为一种有效的测量工具。微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料和代谢产物，还可用于微生物细胞数目的测定。利用这种电化学微生物细胞数传感器可实现菌体浓度连续、在线的测定。4)医学领域医学领域的生物传感器发挥着越来越大的作用。生物传感技术不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速、简便的新型方法，而且因为其专一、灵敏、响应快等特点，在军事医学方面，也具有广阔的应用前景
45、。在临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器。利用其具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器。在军事医学中，对生物毒素的及时、快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。5未来生物传感器的几大特点未来生物传感器的几大特点 近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学发展的推动，生物传感器技术飞速发展。可以预见，未来的生物传感器将具有以下特点：(1)功能多样化：未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。目前，生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器，即仿
46、生传感器。(2)微型化：随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。(3)智能化与集成化：未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙，形成检测的自动化系统。同时，芯片技术将越来越多地进入传感器领域，实现检测系统的集成化、一体化。(4)低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命：生物传感器技术的不断进步，必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和延长寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器市场化、商品化的进程。3.3.4 磁电式传感器磁
47、电式传感器1基本原理和结构基本原理和结构磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。磁电式传感器有时也称做电动式或感应式传感器，它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为10 Hz1000 Hz。磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。根据电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势e与磁通变化率d/dt有如下关系：tWedd根据这一原理，可以设计成变磁
48、通式和恒磁通式两种结构型式，构成测量线速度或角速度的磁电式传感器。图3.7(a)、(b)所示分别为用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构。其中永久磁铁1(俗称“磁钢”)与线圈3均固定，动铁芯2(衔铁)的运动使气隙4和磁路磁阻发生变化，从而引起磁通变化，在线圈中产生感应电势，因此又称变磁阻式结构。图3.7 变磁通式结构(a)旋转型(变磁)；(b)平移型(变气隙)在恒磁通式结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线而产生的。这类结构有两种，如图3.8所示。图中的磁路系统由圆柱形永久磁铁和极掌、圆筒形磁轭及空气隙组成。气隙中的磁场均匀分布，测量线圈绕在
49、筒形骨架上，经膜片弹簧悬挂于气隙磁场中。图3.8 恒磁通式结构(a)动圈式；(b)动铁式当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势e为e=Blv式中：B气隙磁通密度(T)；l气隙磁场中有效匝数为W的线圈总长度(m)，l=laW(la为每匝线圈的平均长度)；v线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度(m/s)。当传感器的结构确定后，B、la、W都为常数，感应电势e仅与相对速度v有关。传感器的灵敏度为S=e/v=Bl。为提高灵敏度，应选用具有磁能积较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；增加la和W也能提高灵敏度，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。为了保证传感器输
50、出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。设计者的任务是选择合理的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器的基本性能要求。2磁电式传感器的应用磁电式传感器的应用1)测振传感器磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。常用的测振传感器有动铁式振动传感器、圈式振动速度传感器等。测振传感器可用于航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水气管道、桥梁、高层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。2)磁电式力发生器与激振器前已指出磁电式传感器具
