传感器与检测技术（下篇共上下两篇）330

第11章化学传感器知识单元与知识点化学传感器、气敏传感器、湿度、湿敏传感器的定义；湿度的表示方法（绝对湿度、相对湿度和露点）；气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理；气敏传感器、湿敏传感器的应用。能力点理解化学传感器、气敏传感器、湿度、湿敏传感器的定义；了解湿度的表示方法；了解气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；会分析半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理；了解气敏传感器、湿敏传感器的应用。重难点重点：基本概念；气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理。难点：半导体陶瓷湿敏材料的导电机理。学习要求了解化学传感器、气敏传感器、湿敏传感器的定义及湿度的表示方法；了解气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；掌握半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理；了解气敏传感器、湿敏传感器的应用。化学传感器的概念11.1气敏传感器11.2湿敏传感器

化学传感器：能将各种化学物质特性的变化定性或定量地转化为电信号的传感器气体的成份与浓度离子或电解质浓度空气湿度气敏传感器的定义：是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。11.1气敏传感器气敏传感器的性能要求

对被测气体具有较高的灵敏度对被测气体以外的共存气体或物质不敏感性能稳定，重复性好动态特性好，对检测信号响应迅速使用寿命长制造成本低，使用与维护方便等专一性气敏传感器的主要参数及特性灵敏度：对被测气体(种类)的敏感程度响应时间：对被测气体浓度的响应速度选择性：指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力稳定性：当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规定的时间内气敏元件输出特性保持不变的能力温度特性：气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性湿度特性：气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性电源电压特性：指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性时效性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；互换性：同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性

气敏传感器的分类类型原理检测对象特点半导体式

若气体接触到加热的金属氧化物(SnO2、Fe2O3、ZnO2等)，电阻值会增大或减小还原性气体、城市排放气体、丙烷气等灵敏度高，构造与电路简单，但输出与气体浓度不成比例接触燃烧式

可燃性气体接触到氧气就会燃烧，使得作为气敏材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大燃烧气体输出与气体浓度成比例，但灵敏度较低化学反应式利用化学溶剂与气体反应产生的电流、颜色、电导率的增加等CO、H2、CH4、C2H5OH、SO2等气体选择性好，但不能重复使用光干涉式利用与空气的折射率不同而产生的干涉现象与空气折射率不同的气体，如CO2等寿命长，但选择性差热传导式根据热传导率差而放热的发热元件的温度降低进行检测与空气热传导率不同的气体，如H2等构造简单，但灵敏度低，选择性差红外线吸收散射式由于红外线照射气体分子谐振而吸收或散射量进行检测CO、CO2等能定性测量，但装置大，价格高11.1.2半导体式气敏传感器的工作原理半导体式气敏传感器概念：利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度半导体式气敏传感器可分为：电阻式非电阻式半导体式气敏传感器

电阻式

烧结型

薄膜型

厚膜型

二极管气敏传感器MOS二极管气敏传感器Pd—MOSFET气敏传感器非电阻式

（1）电阻式气敏传感器基本原理是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散（物理吸附），失去运动能量，其间一部分分子被蒸发掉，残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。氧气、NO2等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。电阻式气敏传感器的阻值变化规律当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2,ZnO)上，还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。N型半导体吸附气体时器件阻值变化图SnO2的灵敏度特性和温－湿度特性SnO2气敏电阻的基本检测电路电阻式气敏元件通常工作于高温状态，一般温度范围在200－450℃，有利于去除油污、尘埃，并加速气体与金属氧化物的氧化还原反应，从而提高灵敏度和呼应速度主要类型

烧结型气敏器件

薄膜型气敏器件

厚膜型气敏器件烧结型气敏器件

烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料（SnO2、ZnO等）和一些掺杂剂（Pt、Pb等）用水或粘合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统的制陶方法烧结。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳就构成器件。该类器件分为两种结构：直热式和旁热式。

直热式气敏器件

直热式器件管芯体积很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量极缺点：热容量小，易受环境气流的影响测量电路与加热电路之间相互干扰，影响其测量参数加热丝在加热与不加热两种情况下产生的膨胀与冷缩，容易造成器件接触不良旁热式气敏器件

旁热式气敏器件是把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内，在管外涂上梳状金电极，再在金电极外涂上气敏半导体材料，就构成了器件克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高薄膜型气敏器件

制作采用蒸发或溅射的方法，在处理好的石英基片上形成一层金属氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出电极。实验证明：SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好优点：灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等厚膜型气敏器件

厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材料与3％～15％重量的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在400～800℃高温下烧结1～2小时制成优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产

电阻式气敏传感器的特点

优点：工艺简单，价格便宜，使用方便；气体浓度发生变化时响应迅速；即使是在低浓度下，灵敏度也较高。缺点：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的特性差异大（即互换性差）等。

气敏传感器QM-N5为对瓦斯敏感元件。闭合开关S，4V电源通过R1对气敏元件QM-N5预热。当矿井无瓦斯或瓦斯浓度很低时，气敏元件的A与B间等效电阻很大，经与电位器RP分压，其动触点电压

＜0.7V，不能触发晶闸管VT。因此，由LC179和R2组成的警笛振荡器无供电，扬声器不发声；如果瓦斯浓度超过安全标准，气敏元件的A和B间的等效电阻迅速减小，致使

＞0.7V而触发VT导通，接通警笛电路的电源，警笛电路产生振荡，扬声器发出报警声。电位器RP设定报警浓度。矿井瓦斯超限报警器工作原理图

11.1.3气敏传感器的应用气敏电阻放大电路加热电源比较器电路触发电路晶闸管电路排风扇温度补偿喇叭声光报警驱动电路闪光指示油烟(煤气)

自动通风扇的原理框图

TGSl09型气敏传感器结构图

自动通风扇

家用有毒气体报警器电路图家用有毒气体报警器11.2湿敏传感器

11.2.1湿敏传感器的基本概念及分类11.2.2常用湿敏传感器的基本原理11.2.3湿敏传感器的应用

湿度的定义及其表示方法

所谓湿度，是指大气中水蒸气的含量它通常有如下几种表示方法：绝对湿度（AH）相对湿度（%RH）露点

绝对湿度（AH）

绝对湿度是指单位体积空气内所含水蒸气的质量，其数学表达式为

绝对湿度给出了水分在空气中的具体含量。相对湿度（RH）

相对湿度是指待测空气中实际所含的水蒸气分压与相同温度下饱和水蒸气压比值的百分数。其数学表达式为：相对湿度给出了大气的潮湿程度。实际中常用。露点（温度）在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度下降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温度湿敏传感器的定义

就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等

对理想湿敏传感器的性能要求使用寿命长，稳定性好灵敏度高，线性度好，温度系数小使用范围宽，测量精度高响应迅速湿滞回差小，重现性好能在恶劣环境中使用，抗腐蚀、耐低温和高温等特性好器件的一致性和互换性好，易于批量生产，成本低器件感湿特征量应在易测范围内湿敏传感器的主要参数及特性

感湿特性

感湿特性为湿敏传感器特征量(如：电阻值、电容值等)随湿度变化的特性湿度量程

湿敏传感器的感湿范围

灵敏度

湿敏传感器的感湿特征量(如：电阻值、电容值等)随环境湿度变化的程度，即湿敏传感器感湿特性曲线的斜率湿滞特性

同一湿敏传感器吸湿过程（相对湿度增大）和脱湿过程（相对湿度减小）感湿特性曲线不重合的现象就称为湿滞特性。响应时间

指在一定环境温度下，当被测相对湿度发生跃变时，湿敏传感器的感湿特征量达到稳定变化量的规定比例所需的时间。一般以相应的起始湿度到终止湿度这一变化区间的90%的相对湿度变化所需的时间来进行计算。

感湿温度系数

当被测环境湿度恒定不变时，温度每变化1℃，引起湿敏传感器感湿特征量的变化量，就称为感湿温度系数。老化特性

老化特性是指湿敏传感器在一定温度、湿度环境下存放一定时间后，其感湿特性将会发生改变的特性。湿敏传感器的分类

界限电流式湿敏传感器湿敏传感器电阻式电容式其它电解质式陶瓷式高分子式陶瓷式高分子式光纤湿敏传感器二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等11.2.2常用湿敏传感器的基本原理

电阻式湿敏传感器电容式湿敏传感器

电阻式湿敏传感器电阻式湿敏传感器是利用器件电阻值随湿度变化的基本原理来进行工作的，其感湿特征量为电阻值。根据使用感湿材料的不同，电阻式湿敏传感器可分为：电解质式陶瓷式高分子式电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器

氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li＋对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。

原理：当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。湿敏电阻结构示意图氯化锂湿度—电阻特性曲线结构与特性曲线氯化锂湿敏元件的优点：滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±５%

缺点：耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短陶瓷式电阻湿敏传感器

通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷

1.负特性湿敏半导体陶瓷的导电机理

由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导体陶瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导体陶瓷表面带负电■若该半导体陶瓷是Ｐ型半导体，则由于水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，其表面层的电阻下降■若该半导体陶瓷为Ｎ型半导体，则由于水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性，使N型半导瓷材料的表面电阻下降

不论是Ｎ型还是Ｐ型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降几种负特性半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特性

2.正特性湿敏半导瓷的导电机理

正特性湿敏半导瓷的导电机理的解释可以认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。

当水分子附着半导体陶瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占的比例很大，故表面层电阻的升高，必将引起总电阻值的明显升高。

Fe3O4半导体陶瓷的正湿敏特性半导体陶瓷材料的导电机理分类

几种典型陶瓷湿敏传感器（自学）（1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿—电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4为Ｐ型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好MgCr2O4-TiO2陶瓷MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器感湿特性（2）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构陶瓷式电阻湿敏传感器的特点

传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸收与脱却；陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳定，适合采用加热去污的方法恢复材料的湿敏特性；可以通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的构造，改善传感器湿敏特性。

高分子式电阻湿敏传感器

利用高分子电解质吸湿而导致电阻率发生变化的基本原理来进行测量的。当水吸附在强极性基高分子上时，随着湿度的增加吸附量增大，吸附水之间凝聚呈液态水状态。在低湿吸附量少的情况下，由于没有荷电离子产生，电阻值很高；当相对湿度增加时，凝聚化的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的成对离子主要起载流子作用。此外，由吸附水自身离解出来的质子（H+）及水和氢离子（H3O+）也起电荷载流子作用，这就使得载流子数目急剧增加，传感器的电阻急剧下降。利用高分子电解质在不同湿度条件下电离产生的导电离子数量不等使阻值发生变化，就可以测定环境中的湿度。高分子式电阻湿敏传感器测量湿度范围大，工作温度在0～50℃，响应时间短（<30s），可作为湿度检测和控制用。（2）电容式湿敏传感器电容式湿敏传感器是有效利用湿敏元件电容量随湿度变化的特性来进行测量的，通过检测其电容量的变化值，从而间接获得被测湿度的大小。（三类电容式传感器中的哪一种？）

电容式湿敏传感器结构图

电容式湿敏传感器感湿特性

电容式湿敏传感器检测范围宽，线性好，因此在实际中得到了广泛的应用11.2.3湿敏传感器测量电路此图为一种带温度补偿的湿度测量电路，图中Rt是热敏电阻（20kΩ，B＝4100K）；RH为H204C湿度传感器，运算放大器型号为LM2904该电路的湿度电压特性及温度特性表明：在相对湿度为30%～90%RH、温度为15～35℃范围内，输出电压表示的湿度误差不超过3%RH。实际上测电阻的电路很多(a)安装示意图

(b)电路

汽车后窗玻璃自动去湿装置11.2.3湿敏传感器的应用

在常温常湿情况下，调节好各电阻值，因RH阻值较大，使T1晶体管导通，T2管截止（T1、T2构成施密特触发电路），继电器J不工作，其常开触点J1断开，加热电阻RL无电流流过。

当汽车内外温差较大，且湿度过大时，将导致湿敏电阻RH的阻值减小，不足以维持T1管导通，此时T1管截止，T2管导通，使其负载继电器J通电，控制常开触点J1闭合，加热电阻丝RL开始加热，驱散后窗玻璃上的湿气，同时加热指示灯亮。当玻璃上湿度减小到一定程度时，随着RH增大，施密特电路又开始翻转到初始状态，T1管导通，T2管截止，常开触点J1断开，RL断电停止加热，从而实现了防湿自动控制。第12章生物传感器知识单元与知识点生物传感器的概念、特点、分类；生物传感器的工作原理；生物芯片的含义与分类；生物传感器的发展。能力点理解生物传感器的概念、特点、分类；理解生物传感器的工作原理；了解生物芯片的含义与分类；了解生物传感器的发展。重难点重点：生物传感器的概念、特点、分类；生物传感器的工作原理；生物芯片的含义与分类。难点：生物传感器的工作原理；生物芯片的工作机理。学习要求了解生物传感器的概念、特点、分类；了解生物传感器的工作原理；了解生物芯片的含义与分类；了解生物传感器的发展。12.1概述

一、生物传感器的定义一般定义：使用固定化的生物分子(immobilizedbiomolecules)结合换能器，用来侦测生物体内或生物体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置。Gronow定义：一种含有固定化生物物质(如酶、抗体、全细胞、细胞器或其联合体)并与一种合适的换能器紧密结合的分析工具或系统，它可以将生化信号转化为数量化的电信号。

二、生物传感器的特点

(1)测定范围广泛。(2)生物传感器使用时一般不需要样品的预处理，样品中的被测组分的分离和检测同时完成，且测定时一般不需加入其它试剂。(3)采用固定化生物活性物质作敏感基元（催化剂），价值昂贵的试剂可以重复多次使用。(4)测定过程简单迅速。(5)准确度和灵敏度高。一般相对误差不超过1％。(6)由于它的体积小，可以实现连续在线监测，容易实现自动分析。(7)专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。(8)可进入生物体内。(9)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，便于推广普及。12.1.3生物传感器的分类根据传感器输出信号的产生方式：亲和型生物传感器、代谢型生物传感器、催化型生物传感器。根据生物传感器中信号检测器（分子识别元件）上的敏感物质分类：生物传感器可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞及细胞器传感器、基因传感器、免疫传感器等根据生物传感器的信号转换器分类：电化学生物传感器、半导体生物传感器、热学型生物传感器、光学型生物传感器、声学型生物传感器等根据检测对象的多少：以单一化学物质为检测对象的单功能型生物传感器和同时检测微量多种化学物质的多功能型生物传感器。根据生物传感器的用途：免疫传感器、药物传感器等。12.1.4生物传感器的应用目前，生物传感器应用较多的领域是在医疗、医药、生物工程、环境保护、食品、农业、畜牧等与生命科学关系密切的一些领域随着社会的进一步信息化，生物传感器必将获得越来越广泛的应用生物传感器的主要应用领域生物传感在线分析系统12.2生物传感器的基本原理

换能器（Transducer）感受器（Receptor）测量信号（MeasurableSignal）=分析物（Analyte）溶液（Solution）选择性膜（Thinselectivemembrane）识别元件（RECOGNITION）生物传感器工作机理一、生物分子特异性识别（生物感受器）

生物感受器是一种可以识别目标分析物的生物材料。

表生物传感器的分子识别元件分子识别元件生物活性单元酶膜各种酶类全细胞膜细菌、真菌、动植物细胞组织膜动植物组织切片细胞器膜线粒体、叶绿体免疫功能膜抗体、抗原、酶标抗原等二、生物放大

生物放大作用:指模拟和利用生物体内的某些生化反应，通过对反应过程中产量大、变化大或易检测物质的分析来间接确定反应中产量小、变化小、不易检测物质的(变化)量的方法。通过生物放大原理可以大幅度提高分析测试的灵敏度。生物传感器常用的生物放大作用:

酶催化放大酶溶出放大酶级联放大脂质体技术聚合酶链式反应和离子通道放大等。三、信号转换与处理表生物传感器的信号处理方法由生物活性元件引起的变化（生物学反应信息）信号处理方法（换能器的选择）电极活性物质的生成或消耗电流检测电极法离子性物质的生成或消耗电位检测电极法膜或电极电荷状态的变化膜电位法、电极电位法质量变化压电元件法阻抗变化电导率法热变化（热效应）热敏电阻法光谱特性变化（光效应）光纤和光电倍增管

几种主要的生物传感器

1、酶传感器(EnzymeSensor)

测定项目酶固定化方法使用电极稳定性／天测定范围（mg/ml）葡萄糖葡萄糖氧化酶共价氧电极1001～5×102胆固醇胆固醇酯酶共价铂电极3010～5×103青霉素青霉素酶包埋PH电极7～1410～1×103尿素尿素酶交联铵离子电极6010～1×103磷脂磷脂酶共价铂电极30102～5×103乙醇乙醇氧化酶交联氧电极12010～5×103尿酸尿酸酶交联氧电极12010～1×103L一谷氨酸谷氨酸脱氨酶吸附铵离子电极210～1×104L一谷酰胺谷酰胺酶吸附铵离子电极210～1×104L一酪氨酸L一酪氨酸脱羧酶吸附二氧化碳电极2010～1×104优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛的应用。缺点：1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的梭曼与沙林。

2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。酶传感器的特点：

2、组织传感器(TissueSensor)

测定项目组织膜基础电极稳定性／天线性范围谷氨酸木瓜CO272×10-4～1.3×10-2mol/L尿素夹克豆CO2943.4×10-5～1.5×10-3mol/LL一谷氨酰胺肾NH3301×10-4～1.1×10-2mol/L多巴胺香蕉O214

丙酮酸玉米芯CO278×10-5～3×10-3mol/L过氧化氢肝O2145×10-3～2.5×10-1U/mL3、微生物传感器(MicroorganismSensor)

测定项目微生物测定电极检测范围（mg/L）葡萄糖荧光假单胞菌O25～200乙醇芸苔丝孢酵母O25～300亚硝酸盐硝化菌O251～200维生素B12大肠杆菌O2

谷氨酸大肠杆菌CO28～800赖氨酸大肠杆菌CO210～100维生素B1发酵乳杆菌燃料电池0.01～10甲酸梭状芽胞杆菌燃料电池1～300头孢菌素费式柠檬酸细菌pH

烟酸阿拉伯糖乳杆菌pH

4、免疫传感器免疫传感器是将特异性免疫反应与高灵敏度的传感技术相结合而构成的一类新型生物传感器，用于分析研究免疫原性物质。免疫传感器利用动物体内抗原、抗体能发生特异性吸附反应的特性，将抗原（或抗体）固定在传感器基体上，通过传感技术使吸附发生时产生物理、化学、电学或光学上的变化，并转变成可检测的信号来测定环境中待测分子的浓度。免疫传感器技术具有分析灵敏度高、特异性强、使用简便及成本低的优势，已广泛应用于临床医学与生物检测、食品工业、环境监测与处理等领域。5、细胞传感器细胞器传感器是20世纪80年代末出现的一种以真核生物细胞、细胞器作为识别元件的生物传感器。1987年Blondin等提出了固定线粒体评价水质；Carpentier

及其合作者用类囊体膜构建的生物传感器,可在mg/L浓度下测定铅与镉的毒性,也可对银或铜进行快速测定；Rouillon

等用特殊的固定化技术将叶绿体与类囊体膜包埋在光交联的苯乙烯基吡啶聚乙烯醇(PVA-sbQ)中,可以在μg/L浓度水平下检测到汞(Hg)、铅(Pb)、镉(Cd)、镍(Ni)、锌(Zn)和铜(Cu)等离子的存在。6、DNA传感器DNA传感器是一种能将目标DNA的存在转化为可检测的电、光、声信号的装置，所检测的是核酸的杂交反应。DNA传感器的结构包括一个靶序列识别层和一个信号换能器。识别层通常由固定在换能器上的探针DNA以及一些其它的辅助物质组成,它可以特异性地识别靶序列并与其杂交。换能器可将此杂交过程所产生的变化转变为可识别的信号,根据杂交前后信号量的变化,可以对靶DNA进行准确定量。几种常见生物检测与分析仪器12.3生物芯片所谓生物芯片，是通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统，将成千上万与生命相关的信息集成在一块面积约为1cm2的硅、玻璃、塑料等材料制成的芯片上，在待分析样品中的生物分子与生物芯片的探针分子发生相互作用后，对作用信号进行检测和分析，以达到到基因、细胞、蛋白质、抗原以及其他生物组分准确、快速的分析和检测。几种主要的生物芯片基因芯片。也称DNA芯片，它是在基因探针基础上研制而成的蛋白质芯片。以蛋白质代替DNA作为检测目的物，蛋白质芯片与基因芯片的原理基本相同，但其利用的不是碱基配对而是抗体与抗原结合的特异性，即免疫反应来实现检测细胞芯片。由裸片、封装盖板和底板组成，裸片上密集分布有6000～10000乃至更高密度不同细胞阵列，封装于盖板与底板之间。细胞芯片能够通过控制细胞培养条件使芯片上所有细胞处于同一细胞周期，在不同细胞间生化反应及化学反应结果可比性强；一块芯片上可同时进行多信息量检测组织芯片。是基因芯片技术的发展和延伸，它可以将数十个甚至上千个不同个体的临床组织标本按预先设计的顺序排列在一张玻璃芯片上进行分析研究12.5生物传感器的发展开发新材料，采用新工艺研究仿生传感器研究多功能集成的智能式传感器成本低、高灵敏度、高稳定性、高寿命和微型化生物传感器快速葡萄糖(glucose)分析仪生物传感器应用举例德国研发的环境废水BOD分析仪一种血糖乳酸自动分析仪第13章新型传感器知识单元与知识点智能传感器的定义、特点、作用、设计与实现；模糊传感器的概念、基本功能、结构；MEMS与微加工、微传感器的特点、典型微传感器介绍；网络传感器的概念、类型、体系结构。能力点理解新型传感器（智能传感器、模糊传感器、微传感器与网络传感器）的概念、特点；理解新型传感器的结构、作用；了解新型传感器涉及的主要技术；了解典型新型传感器的特性与应用。重难点重点：新型传感器（智能传感器、模糊传感器、微传感器与网络传感器）的概念、特点。难点：新型传感器涉及的主要技术。学习要求了解新型传感器（智能传感器、模糊传感器、微传感器与网络传感器）的概念、特点；了解新型传感器的结构、作用；了解新型传感器涉及的主要技术；了解典型新型传感器的特性与应用。13.1智能传感器智能传感器是基于人工智能、信息处理技术实现的具有分析、判断，量程自动转换，漂移、非线性和频率响应等自动补偿，对环境影响量的自适应，自学习以及超限报警、故障诊断等功能的传感器。与传统的传感器相比，智能传感器将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地结合在一起，充分利用微处理器进行数据分析和处理，并能对内部工作过程进行调节和控制，从而具有了一定的人工智能，弥补了传统传感器性能的不足，使采集的数据质量得以提高。“微处理器”包含两种情况：一种是将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所谓的“单片智能传感器”；另一种是指传感器能够配微处理器。智能传感器基本结构13.1.1智能传感器的特点精度高高可靠性与高稳定性高信噪比与高分辨率自适应性强性能价格比高13.1.2智能传感器的作用（1）提高测量精度1）利用微型计算机进行多次测量和求平均值的办法可削弱随机误差的影响；2）利用微型计算机进行系统误差补偿；3）利用辅助温度传感器和微型计算机进行温度补偿；4）利用微型计算机实现线性化，可以减少非线性误差；5）利用微型计算机进行测量前的零点调整、放大系数调整和工作中周期调整零点、放大系数。（2）增加功能1）利用记忆功能获取被测量的最大值和最小值；2）利用计算功能对原始信号进行数据处理，可获得新的量值；3）用软件的办法完成硬件功能，经济并减小体积；4）对数字显示可有译码功能；5）可用微型计算机对周期信号特征参数进行测量；6）对诸多被测量可有记忆存储功能。（3）提高自动化程度1）可实现误差自动补偿；2）可实现检测程序自动化操作；3）可实现越限自动报警和故障自动诊断；4）可实现量程自动变换；5）可实现自动巡回检测。13.1.3智能传感器的实现集成化实现采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用半导体材料硅作为基本材料来制作敏感元件，将信号调理电路、微处理器单元等集成在一块芯片上构成的非集成化实现将传统传感器(采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能)、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系统混合实现根据需要与可能，将系统各个集成化环节，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几块芯片上，并装在一个外壳里13.1.4智能传感器的设计智能压力传感器的结构设计敏感元件设计传感器工艺设计软件设计13.1.5智能传感器的应用实例ST-3000系列智能压力传感器固体图像传感器液态乙醇浓度在线检测嵌入式智能传感器通过TFT-LCD触摸屏可视化界面能够设置各传感器数据采集通道的开关状态和采集数据类型(如温度、压力、温度、乙醇浓度、pH值)；传感器将检测到的各参数值送入32位DSP处理器进行插值、解耦、自校正等智能处理，并根据定义好的通信协议进行数据打包，通过串口送入32位嵌入式ARM9处理器；网络接口模块中的以太网控制器(AX88796)将收到的数据进行TCP数据打包，通过RJ45接口(HR911105A型)将其传送到Internet；上位机实时接收来自Internet的测量信息，并根据需要向嵌入式智能传感器发送控制命令，执行相应的操作、调节环境参数等。13.2模糊传感器

模糊传感器是在传统数据检测的基础上，经过模糊推理和知识合成，以模拟人类自然语言符号描述的形式输出测量结果的一类智能传感器。模糊传感器的核心部分就是模拟人类自然语言符号的产生及其处理。模糊传感器的“智能”之处在于：它可以模拟人类感知的全过程，核心在于知识性，知识的最大特点在于其模糊性模糊传感器由硬件和软件两部分构成13.2.1模糊传感器概述模糊传感器是以数值测量为基础，并能产生和处理与其相关的测量符号信息的装置，即模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号的描述形式输出的传感器。将被测量值范围划分为若干个区间，利用模糊集理论判断被测量值的区间，并用区间中值或相应符号进行表示，这一过程称为模糊化。对多参数进行综合评价测试时，需要将多个被测量值的相应符号进行组合模糊判断，最终得出测量结果信息的符号表示与符号信息系统是研究模糊传感器的核心与基石模糊传感器的一般结构模糊传感器的基本功能

学习功能推理联想功能感知功能通信功能13.2.2模糊传感器的结构多维模糊传感器结构有导师学习的模糊传感器13.2.3典型模糊传感器举例数值—符号转换原理流程图13.3微传感器

完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。MEMS系统的突出特点是其微型化，涉及电子、机械、材料、制造、控制、物理、化学、生物等多学科技术，其中大量应用的各种材料的特性和加工制作方法在微米或纳米尺度下具有特殊性MEMS芯片测控系统结构MEMS器件制造中的四种主流技术

超精密加工及特种加工表面微加工体微加工LIGA技术常用微加工工艺及设备13.3.2微传感器概述微传感器具有以下特点：空间占有率小灵敏度高，响应速度快便于集成化和多功能化可靠性提高消耗电力小，节省资源和能量价格低廉13.3.3压阻式微传感器压阻式微压力传感器

压阻式微加速度传感器

压阻式微型流量传感器

13.3.4电容式微传感器电容式微压力传感器

电容式微加速度传感器

电容式微流量传感器

13.3.5电感式微传感器13.3.6热敏电阻式微传感器

13.4网络传感器13.4.1网络传感器的概念

网络传感器是指传感器在现场级实现网络协议，使现场测控数据就近登陆网络，在网络覆盖范围内实时发布和共享。简单地说，网络传感器就是能与网络连接或通过网络使其与微处理器、计算机或仪器系统连接的传感器。网络传感器基本结构敏感元件调理电路A/D转换微处理器网络接口信号采集单元数据处理单元网络接口单元13.4.2网络传感器的类型基于现场总线的网络传感器

基于以太网络的网络传感器

13.4.3基于IEEE1451标准的网络传感器代号名称与描述IEEE1451.0智能变送器接口标准IEEE1451.1-1999网络应用处理器（NCAP）信息模型IEEE1451.2-1997变送器与微处理器通信协议和TEDS格式IEEE1451.3-2003多点分布式系统数字通信与TEDS格式IEEE1451.4-2004混合模式通信协议与TEDS格式IEEE1451.5无线通信协议与TEDS格式IEEE1451.6CANopen协议变送器网络接口IEEE1451.7带射频标签（RFID）的换能器和系统接口IEEE1451标准协议簇体系结构IEEE1451.1的实现IEEE1451.2的实现IEEE1451.3的实现IEEE1451.4的实现基于IEEE1451.2标准的网络化传感器

基于IEEE1451标准的有线网络化传感器的典型体系结构网络敏感元件信号调理转换TEDSIEEE1451逻辑网络适配器（NCAP）STIM基于IEEE1451.2和蓝牙标准的无线网络传感器体系结构13.4.4网络传感器测控系统体系结构13.4.5网络传感器的应用前景分布式测控：将网络传感器布置在测控现场，处于控制网络中的最低级，其采集到的信息传输到控制网络中的分布智能节点，由它处理，然后传感器数据散发到网络中。网络中其他节点利用信息做出适当的决策，如操作执行器、执行算法。嵌入式网络：现有的嵌入式系统虽然已得到广泛的应用，但大多数还处在单独应用的阶段，独立于因特网之外。如果能够将嵌入式系统连接到因特网上，则可方便、低廉地将信息传送到任何需要的地方。嵌入式网络的主要优点：不需要专用的通信线路；速度快；协议是公开的，适用于任何一种WEB浏览器；信息反映的形式是多样化的等第14章参数检测知识单元与知识点测量、测量系统的基本概念；测量方法的分类；测量系统的结构、基本类型；参数测量的一般方法（过程参数、机械量参数和其他参数）；检测技术的发展。能力点深入理解测量、测量系统的基本概念；深入理解测量方法的分类；深入理解测量系统的结构、基本类型；把握参数测量的一般方法（过程参数、机械量参数和其他参数）；了解检测技术的发展。重难点重点：测量、测量系统的基本概念；测量方法的分类；测量系统的结构、基本类型。难点：参数测量的一般方法。学习要求熟练掌握测量、测量系统的基本概念；熟练掌握测量方法的分类；熟练掌握测量系统的结构、基本类型；掌握参数测量的一般方法（过程参数、机械量参数和其他参数）；了解同一被测参数的不同检测方法的性能比较；了解检测技术的发展。14.1概述14.1.1检测技术在国民经济中的地位和作用测量科学已成为现代化生产的支柱之一，也是整个科学技术和国民经济的一项重要技术基础，它对促进生产力发展与社会进步起到举足轻重的作用

以信息的获取、转换、显示和处理为主要内容的传感器与检测技术已经发展成为一门完整的技术学科，在促进生产力发展和科技、社会进步的广阔领域内发挥着重要作用14.1.2参数检测的基本概念测量：以确定被检测值为目的的一系列操作，即利用物质的物理的、化学的或生物的特性，对被测对象的信息进行提取、转换以及处理，获得定性或定量结果的过程测量通常包括两个过程：一是转换过程；二是比较过程比值标准量（测量单位）测量结果测量结果经测量过程所获得的被测量的量值称为测量结果测量结果有多种表示方式，如数值、曲线或图形等测量结果应包括两个部分：比值和测量单位测量方法及分类

测量方法就是将被测量与标准量进行比较，从而得出比值的方法根据测量方式的不同可分为：直接测量、间接测量和组合测量测量方法的分类

直接测量：用按已知标准标定好的测量仪器对某一未知量进行测量，不需要经过任何运算就能直接得出测量结果的测量方法。如用电流表测量电路的电流；用弹簧管压力表测量压力等。直接测量的优点：测量过程简单、迅速。缺点：测量精度不高。间接测量：首先对与被测量有确切函数关系的物理量进行直接测量，然后通过已知的函数关系，求出该未知量，即需要将被测量值经过某种函数关系变换才能确定被测量值的测量方法。如在直流电路中，直接测出负载的电流和电压，然后根据功率的函数关系，求出负载消耗的电功率。间接测量的特点：测量过程复杂、测量所需时间较长，需要进行计算才能得出最终的测量结果。间接测量一般用于直接测量不方便、直接测量的误差较大或不能进行直接测量的场合。组合测量：在测量中，使各个待求未知量和被测量经不同的组合形式出现(包括改变测量条件来获得这种不同的组合关系)，根据直接测量或间接测量所得到的被测量数据，通过解一组联立方程而求出未知量的数据的测量方法。组合测量中，未知量与被测量间存在已知的函数关系。例如，为了确定电阻的温度系数，可利用电阻值与温度间的关系：

组合测量的特点：是一种特殊的精密测量方法，操作手续复杂、花费时间较长，但易达到较高精度。组合测量多用于科学实验或一些特殊要求的场合。测量方法的分类

根据测量方法的不同可分为：偏差式测量、零位式测量和微差式测量偏差式测量:用仪表指针的位移（即偏差）表示被测量量值的测量方法。如用弹簧压力表检测压力。特点：偏差式测量的测量过程简单、迅速，但测量结果的精度较低。零位式测量：用指零仪表的零位反映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。如天平测量物体的质量、电位差计测量电压等。特点：零位式测量可以获得比较高的测量精度，但测量过程比较复杂，费时较长，适用于测量变化缓慢的信号。微差式测量：综合了偏差式测量与零位式测量的优点。零位式测量中的标准量不可能都是连续可调的，因而难以与被测量完全平衡，实际测量时必定存在差值。微差式测量只要求标准量与被测量接近（零位式测量），再用指标仪表测量标准量与被测量的微小差值（偏差式测量）。特点：微差式测量的标准量具装在仪表内并直接参与比较，省去了零位式测量中反复调节标准量以求平衡的步骤，只需测量两者的差值。微差式测量兼有偏差式测量速度快和零位式测量精度高的优点，特别适用于在线控制参数的测量。测量方法的分类

根据测量精度要求的不同可分为：等精度测量和非等精度测量（针对多次测量而言）思考：影响测量精度的主要因素有哪些？测量环境测量仪表测量方法测量人员等精度测量：在同一测量环境下，用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量。非等精度测量：用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件不同（相差很大）时，对同一被测量进行多次重复测量。测量方法的分类

根据被测量变化的快慢可分为：静态测量和动态测量如果被测量在测量过程中是固定不变的，或只有微小的变化，对这种被测量的测量称为静态测量。静态测量不需要考虑时间因素。如果被测量在测量过程中是随时间不断变化的，对这种被测量的测量称为动态测量。动态测量必须考虑时间因素对测量结果的影响，即测量结果中一定包含有时间量。测量方法的分类

根据测量敏感元件是否与被测介质接触可分为：接触式测量和非接触式测量接触式测量是指测量敏感元件与被测介质直接接触的测量；否则，称为非接触式测量。交流与微思考

？？

“曹冲称象”直接测量间接测量组合测量偏差式测量零位式测量微差式测量等精度测量非等精度测量静态测量动态测量接触式测量非接触式测量测量系统

测量系统就是由传感器与数据传输环节、数据处理环节和数据显示环节等组合在一起，为了完成信号测量目标所形成的一个有机整体。测量系统的类型开环测量系统闭环测量系统相对误差闭环测量系统有两个通道：一个正向通道，一个反馈通道14.1.3工业检测的主要内容被测量类型测量被测量类型测量热工量温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面物体的性质和成分量气体、液体、固体的化学成分、浓度、粘度、湿度、密度、酸碱度、浊度、透明度、颜色机械量直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应力、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量）状态量工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）几何量长度、厚度、角度、直径、间距、形状、平行度、同轴度、粗糙度、硬度、材料缺陷电工量电压、电流、功率、电阻、阻抗、频率、脉宽、相位、波形、频谱、磁场强度、电场强度、材料的磁性能14.2参数测量的一般方法参数的测量是以自然规律（包括守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则以及各种效应）为基础，利用敏感元件特有的物理、化学或生物等效应，把被测量的变化转换为敏感元件的某一物理量（化学量，或生物量）的变化不同的敏感元件，其实现参数测量的方法一般也不同，主要包括：力学法热学法电学法声学法光学法磁学法射线法生物法14.2.1过程参数检测基本被测量派生被测量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、平面度角位移旋转角、偏转角、角振动速度线速度振动、流量角速度转速、角振动加速度线加速度振动、冲击、质量角加速度角振动、转矩、转动惯量力压力质量、应力、力矩时间频率周期、计数光光能量与密度、光谱温度热容湿度水汽、含水量、露点浓度气（液）体成分、黏度（1）温度检测温度是表征物体冷热程度的物理量。对温度的测量和控制是许多生产系统必不可少的环节。温度不能直接加以测量。温度的间接测量方法可分为接触式和非接触式两大类接触式测温要求温度敏感元件与被测对象接触，依靠热传导来进行热交换，当被测介质与感温元件达到热平衡时，温度敏感元件与被测介质的温度相等。这类温度传感器具有结构简单、工作可靠、测量精度高、稳定性好、价格低廉等优点；缺点是有较大的滞后现象，不适宜测量运动物体，测温范围受到感温元件材料性质的限制，被测对象的温度场受接触传感器的影响。非接触式测温时温度敏感元件不与被测对象接触，通过热辐射实现热交换。非接触式测温可测高温、腐蚀、有毒、运动物体以及固体或液体表面的温度，不干扰被测温度场，缺点是测量精度较低、使用中测量距离和中间介质对测量结果有影响。温度检测的常用方法测量方法测温原理温度传感器接触式测量体积变化固体热膨胀双金属温度计液体热膨胀玻璃管液体温度计气体热膨胀气体温度计、充气式压力温度计电阻变化金属热电阻、半导体热敏电阻热电效应热电偶频率变化石英晶体温度传感器光学特性光纤温度传感器、液晶温度传感器声学特性超声波温度传感器非接触式热辐射亮度法光学温度计、光电亮度温度计全辐射法全辐射温度计比色法比色温度计红外法红外温度传感器气流变化射流温度传感器（2）压力检测测量方法测量原理压力计形式测压范围/kPa输出信号性能特点液压法液体静力平衡原理，使被测压力与一定高度的工作液体产生的重力相平衡，利用液柱的高位差来测量压力U型管-10～10水柱高度实验室低、微压测量补偿式-2.5～2.5旋转刻度用作微压基准仪器自动液柱式-102～102自动计数用光、电信号自动跟踪液面，用作压力基准仪器弹性变形法弹性元件受力产生变形原理，使受压后产生的位移与被测压力成一定函数关系弹簧管-102～106位移、转角或力直接安装，就地测量或校验膜片-102～103用于腐蚀性、高粘度介质测量膜盒-102～102用于微压的测量与控制波纹管0～102用于生产过程低压的测控负荷法静力平衡原理活塞式0～106砝码负荷结构简单，坚实，精确度极高。广泛用作压力基准器浮球式0～104压电法将被测压力转换成电阻量、电感量、电容量、频率量等电学量电阻式-102～104电压、电流结构简单，耐振动性差电感式0～105毫伏、毫安环境要求低，信号处理灵活电容式0～104伏、毫安动态响应快，灵敏度高，易受干扰压阻式0～105毫伏、毫安性能稳定可靠，结构简单压电式0～104伏响应速度极快，限于动态测量应变式-102～104毫伏冲击、温湿度影响小，电路复杂振频式0～104频率性能稳定，精度高霍尔式0～104毫伏灵敏度高，易受外界干扰（3）流量检测速度式流量检测方法：通过测量流体在管路内已知截面积流过的流速大小来实现流量的测量容积式流量测量法：根据已知容积的容室在单位时间内所排出流体的次数来测量流体的流量的质量式流量检测方法有两种，一种是根据质量流量与体积流量的关系，测出体积流量再乘被测流体的密度的间接质量流量检测；另一种是直接测量流体质量流量的方法（4）物位检测直读式：它根据流体的连通性原理来测量液位；浮力式：它根据浮子高度随液位高低而改变（恒浮力式）或液体对沉浸在其中的浮筒的浮力随液位高度变化而变化（变浮力式）的原理来测量液位。差压式：它根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的静（差）压力的变化的原理测量物位。电学式：它根据把物位变化转换成各种电量变化的原理来测量物位，如电容式液位传感器。核辐射式：它根据同位素射线的核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度变化而变化的原理来测量物位。声学式：它根据物位变化引起声阻抗和反射距离变化来测量物位，如超声波物位传感器。其它形式：其它形式的物位传感器有微波式、超声波式、激光式、射流式、光纤式等。（5）成分分析与物性检测

成分分析一般针对气体组成及含量物性检测则针对液体的浓度及空间的湿度气体成分检测浓度的检测电导法是进行液体浓度测量的一种常用方法，它是基于电解质溶液的成分以及浓度的不同可引起不同的导电率的原理来进行测量的对于一种确定成分的电解质溶液，其电导率跟浓度的关系是：在低浓度区域，随浓度的增大，溶液的电导率也增大，两者近似为线性关系；在高浓度区域，随浓度的增大，溶液的电导率减小，两者也近似成线性关系电导法较适合于低浓度或高浓度的测量，对中等浓度测量不太适合。湿度的检测类别常见类型特点水分子亲和型电解质湿度传感器响应速度低、可靠性差，不能很好地满足工业生产和日常生活的使用要求。MOS陶瓷湿度传感器MOS膜式湿度传感器高分子湿度传感器非水分子亲和型热敏电阻式湿度传感器响应速度快、灵敏度高，正在得到迅猛发展和越来越广泛的应用。红外吸收式湿度传感器微波式湿度传感器超声波湿度传感器14.2.2机械量参数检测位移检测

模拟式测量：常用的传感器有电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、电涡流式传感器、光电式传感器及光导纤维传感器、超声波传感器、激光及辐射式传感器、薄膜传感器等。将上述传感器与相应的测量电路结合在一起，即组成工程中常用的测量仪器和仪表，如电阻式位移计、电感测微仪、电容测微仪、电容液位计等数字式测量：主要是指在精密数控装置如数控机床和三坐标测量仪等设备中，将直线位移或角位移转换为数字脉冲信号输出的测量方法。常用的转换装置有感应同步器、旋转变压器、磁尺、光栅和各种脉冲编码器等转速检测

速度检测

速度检测根据不同的分类标准有多种检测类型，根据物体运动的形式可分为线速度测量和角速度测量；根据运动速度的参考基准可分为绝对速度测量和相对速度测量；根据速度的数值特征可分为平均速度测量和瞬时速度测量；根据获取物体运动速度的方式可分为直接速度测量和间接速度测量。速度的测量方法定义法该方法是根据速度的定义，通过测量物体的运动距离L和通过该距离的时间T来计算平均速度。加速度积分法或位移微分法如果能够测量到运动物体的加速度或位移，则可通过测量结果对时间进行积分或微分得到速度值。这种方法的典型应用是在振动测量中，应用加速度计测得振动体的加速度；应用振幅计测得振动体位移。利用物理参数测量速度利用速度大小与某些物理量间已知的关系可以间接地测量物体的运动速度多普勒效应测速度基于多普勒效应，利用运动物体的信号反射功能测量发射信号和接收信号的频率结果可以实现速度测量。振动检测

物体的机械振动是指物体在其平衡位置附近作来回往复运动。振动将通过短时间内的加速度产生过大的惯性力超过强度极限而导致惯性物体出现裂纹或永久变形。振动检测种类较多，根据被测振动参数的不同划分，有振动位移传感器、振动速度传感器和振动加速度传感器常用的振动检测方法差动变压器法是利用直线位移式差动变压器将铁心两端用弹簧片固定在被测物体上，振动加速度使铁心相对于线圈产生位移，从而得到输出信号。该法要求差动变压器原边的交流信号频率远高于振动频率。电涡流法电涡流法适用于测金属物体的微小位移，由弹簧片和金属质量块构成的悬臂梁受到振动时，上下两个扁平线圈的电感量周期性变化应变片法如果在悬臂梁上下粘贴应变片，可以根据梁的弯曲变形测得振动加速度及振动频率压电效应法质量块靠弹簧片支撑在基座上，在弹簧片上粘贴压电元件，当基座振动时，弹簧片在质量块的惯性力作用下反复弯曲，压电元件便起换能作用，产生交变电荷，通过测量电路产生电信号输出。厚度检测

厚度检测属于长度测量，很多情况下可以用测长度或测位移的方法或技术来实现，如直接利用厚度参数来调制传感器的输出信号，这是测绝对厚度，如低频透射式电涡流测厚法、超声波测厚法、微波测厚法、核辐射测厚法等另一类测厚方法是相对测厚，采用如极距变化型电容传感器，或利用高频反射式涡流传感器测量金属板厚度的方法。14.2.3其它参数检测化学量检测化学量检测就是检测仪器或设备按一定的化学规律或效应对被测量进行检测，如化学反应原理等。生物量检测生物量检测就是利用检测仪器或设备按一定的生物规律对被测量进行检测，如生物免疫原理、酶的催化反应原理等。14.3检测技术的发展测量质量不断提高表现为检测系统的测量精度、测量可靠性、量程范围得以改善，系统的使用寿命得以延长新型测量技术不断涌现随着生物传感器、仿生传感器等研究的进步以及新的物理现象、物理效应的发现，出现了许多新的测量技术，扩大了检测领域测量系统的智能化、自动化水平不断提高

多种检测与信息处理技术的融合与集成，使得参数检测和数据处理高度智能化和自动化，如智能检测系统、自动检测系统、无线传感器网络等测量系统的网络化随着传感器技术、网络通信技术和计算机技术等的高速发展，网络化检测技术和具有网络通信功能的现代检测系统应运而生，如基于现场总线技术的网络化检测系统、基于Internet的网络化检测系统以及无线传感器网络等，它们具有组态灵活、综合功能强、运行可靠性高、可利用的软硬件资源丰富、可实现远程数据采集、控制与在线监测等特点，是当前检测技术发展的一个重要方向第15章微弱信号检测知识单元与知识点微弱信号、微弱信号检测、噪声的概念；噪声的概率分布和相关函数；微弱信号的检测方法（相关检测法、同步积累法）。能力点理解微弱信号、微弱信号检测、噪声的概念；了解噪声的概率分布和相关函数；了解微弱信号的检测方法（相关检测法、同步积累法）。重难点重点：微弱信号、微弱信号检测、噪声的概念。难点：微弱信号的检测方法。学习要求了解微弱信号、微弱信号检测、噪声的概念；了解噪声的概率分布和相关函数；了解微弱信号的检测方法（相关检测法、同步积累法）。15.1概述微弱信号是相对背景噪声而言，其信号幅度的绝对值很小、信噪比很低（远小于1）的一类信号微弱信号检测的任务是采用电子学、信息论、计算机及物理学、数学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，对被噪声淹没的微弱有用信号进行提取和测量微弱信号检测的目的是从噪声中提取出有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输入输出信号的信噪比15.2噪声噪声是对有用信号的某种不期望的扰动，包括非被测信号或非测量系统所引起的噪声和来自于被测对象、传感器、测量系统内部的噪声两种情况噪声是一种连续型随机变量，在不同时刻可能出现不同的噪声值噪声的概率分布

噪声的相关函数

噪声的自相关函数噪声的互相关函数15.3微弱信号检测方法15.3.1相关检测法所谓相关检测就是利用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关函数值的计算，达到从噪声中检测出微弱信号目的的一种技术相关检测分为自相关检测和互相关检测两种情形

（1）自相关检测自相关检测原理（2）互相关检测互相关检测原理框图相干检测原理

①输入只有信号、没有噪声时②输入只有噪声、没有信号时③当输入中同时有信号和噪声时，输出则为上面两个结果之和；由②知，当积分时间足够长时，可实现噪声抑制，检测出被测有用信号锁相放大器

锁相放大器是一种利用互相关原理设计的同步相干检测仪，用于对检测信号和参考信号进行相关运算，锁相放大器具有极强的抑制噪声的能力。锁相放大器利用参考信号与被测信号具有相关性，而与噪声信号互不相关的特性，通过互相关运算来削弱噪声的影响。15.3.2同步积累法同步积累法是基于信号的稳定性和噪声的随机性，当信号多次重复时，由于信号周期性的重复，噪声却不具有这个特性，这样，每个周期的信号受到的干扰不同，在接收端就会收到不同畸变的信号，对畸变信号进行多次对照就可识别出信号的原形。信号重复的次数越多，接收机输出的信号就越接近原始信号，信噪比越高，即系统抑制噪声的能力越强同步积累器的工作原理设信号是一串周期窄脉冲，检测时可把信号通路接到一个分配器上，分配器的每一个输出都接到一个积累器，工作时信号通路被分配器轮流地接到不同的积累器上假设分配器的工作周期和信号的重复周期相同，并设分配器从一个出路到另一个出路的切换时间可以忽略，则分配器的工作周期被分割成若干个时间区间（取决于积累器的个数），在每次信号到来的那个时间区间都能保证通路恰好接到同一个积累器上，所以这种方法称为同步积累只要重复的次数足够多，基于同步积累法就可以把噪声中的微弱信号提取出来，而且重复的次数越多，提取微弱信号的能力越强同步积分器同步积分器是采用对信号和噪声多次累积平均的方法来实现将已知频率的信号从噪声中提取出来的，同步积分器特别适用于对方波信号的提取。信号只有两个状态，因此只需要两个同步积累器，同步积累器是采用积分器来完成对信号的积累的，故称为同步积分器。取样积分器

取样积分器利用了对信号逐点多次采样、积分求平均值的方法。要测量淹没在噪声中的周期脉冲信号，用一个采样时间极短的采样保持器去周期地采集信号，如果采样周期和信号周期相同，则采集点相对波形的位置将不变。如果被测信号是无噪声的、稳定的周期信号，则每次采样的数值是不变的，它的积分平均值就等于该信号此刻的瞬时值；如果被测信号中存在随机噪声，则各次采样的数值均可能偏离有用信号的瞬时值，但如果采样保持器的电容足够大，对采集到的输入电压有积分作用，则噪声的影响会减弱，采集次数越多，噪声的平均值就越小，当次数足够大时，可以认为噪声取样趋于0，但稳定的有用信号不受积分平均的影响。数字多点平均器

使用取样间隔控制器对取样位置进行控制，使N（如1024）个开关顺序打开，分别对信号波形上的N个点进行顺序取样，并把取样结果分别存入到N个电容器中进行积累，待积累完成后再依次顺序输出每一个电容上的电压，从而恢复信号波形。这种多点信号平均方法可以在一个信号波形上每扫描一次就采样

个点，大大减少了信号测量的时间。数字多点平均处理原理数字多点平均器的适用条件信号必须是周期性重复信号，但其周期重复次数不一定要求是无限的同步信号必须准确可靠地与测试信号同频、同相，由同步信号倍频后得到的取样时钟信号能可靠地、等间隔地启动各周期内的i次取样，而且能够保证m次扫描中取样间隔均相同，各取样点在信号周期内的相对位置不变各个周期内的取样点数i及扫描次数m必须足够大硬件检测电路必须有足够的取样速率，且取样时钟产生及控制电路应有较大的灵活性，以便在测试过程中不断调整取样间隔和扫描次数。第16章软测量知识单元与知识点软测量的概论；软测量的方法；软测量的意义及其适用条件。能力点理解软测量的概论；了解软测量的方法；了解软测量的意义及其适用条件。重难点重点：软测量的概论；软测量的方法。难点：建立软测量模型及软测量模型的在线校正。学习要求了解软测量的概论；了解软测量的方法；了解软测量的意义及其适用条件。16.1概述到目前为止，在实际生产过程中，存在着许多因为技术或经济原因无法通过传感器进行直接测量的过程变量，如精馏塔的产品组分浓度、生物发酵罐的菌体浓度、高炉铁水中的含硅量和化学反应器中反应物浓度、转化率、催化剂活性等传统的解决方法有两种：一是采用间接的质量指标控制，如精馏塔灵敏板温度控制、温差控制等，存在的问题是难以保证最终质量指标的控制精度；二是采用在线分析仪表控制，但设备投资大、维护成本高、存在较大的滞后性，影响调节效果软测量技术应运而生软测量（soft-sensing）概念就是选择与被估计变量相关的一组可测变量，构造某种以可测变量为输入、被估计变量为输出的数学模型，通过计算机软件实现对无法直接测量的重要过程变量的估计软测量的基本思想是把自动控制理论与生产工艺过程知识有机结合起来，应用计算机技术，对于一些难于测量或暂时不能测量的重要变量（主导变量），选择另外一些容易测量的变量（辅助变量），通过构成某种数学关系来推断和估计，以软件来代替硬件功能软测量是一种利用较易在线测量的辅助变量和离线分析信息去估计不可测或难测变量的方法；以成熟的传感器检测为基础，以计算机技术为核心，通过软测量模型运算处理而完成16.2软测量的方法16.2.1选择辅助变量辅助变量的选择一般取决于工艺机理分析辅助变量的选择包括变量的类型、变量的数目和检测点位置的选择三个方面，它们相互关联，并由过程特性所决定16.2.2处理输入数据软测量的输入数据处理包括换算和数据误差处理两个方面换算不仅直接影响过程模型的精度和非线性映射能力，还影响着数值优化算法的运行效果。测量数据的换算包括标度、转换和权函数三个方面数据误差处理主要针对随机误差和粗大误差16.2.3建立软测量模型软测量模型是在深入理解过程机理基础上，建立的适用于估计的模型，这是软测量的核心软测量模型不同于一般意义下的数学模型，强调的是通过辅助变量来获得对主导变量的最佳估计机理建模、统计回归建模和人工神经网络建模等16.2.4软测量模型的在线校正将按照上述方法建立的软测量模型直接应用于工业生产过程的实时控制，由于过程的时变性，不可避免地要产生一定的偏差，这将造成软测量模型的估计偏差必须对建立的软测量模型进行在线校正，以使其适应过程操作特性的变化和生产工况的变迁软测量模型的在线校正必须注意过程测量数据与实验室人工分析数据在时序上的匹配，根据实验室人工分