傳感器及檢測技術 教學PPT課件,傳感器及檢測技術,教學PPT課件,傳感器,檢測,技術,教學,PPT,課件 PPT模板下載： 新型傳感器及應用目錄1 1任務一 智能傳感器2 2任務二 生物傳感器3 3任務三 微型傳感器 項目八 新型傳感器及應用學習目標了解智能傳感器的概念、功能和特點。了解智能傳感器的組成和實現(xiàn)途徑。了解智能壓力傳感器和智能溫度傳感器。了解生物傳感器的基本知識。了解常用生物傳感器的應用。了解微機電系統(tǒng)。了解微型傳感器及應用。任務一 智能傳感器 人類感知外部信息是通過人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等感覺器官與人類積累的知識相結合的結果。因此人類的智能是實現(xiàn)了多重傳感信息的融合并且把它與人類的知識結合而作出的歸納和綜合，它包括了“感知”和“認知”兩個方面。任務一 智能傳感器一、智能傳感器的概念 智能傳感器的最高目標應該是接近或達到人類的智能水平，能夠像人一樣通過在實踐中不斷地改進和完善，實現(xiàn)最佳測量方案，得到最理想的測量結果。而目前傳感器的智能化程度還僅僅是初級階段，與人類的智能相比還有很大的差距，只能說是數(shù)據(jù)處理層次上的低級智能。任務一 智能傳感器二、智能傳感器的功能與特點（一）智能傳感器的功能 智能傳感器比傳統(tǒng)傳感器在功能上有了極大的拓展，幾乎包含了測量設備的全部功能，主要表現(xiàn)在以下幾方面：1.自校準功能操作者輸入零值或某一標準值后，自校準程序可以自動進行零位和增益等參數(shù)的在線校準。2.自診斷功能工作中，可借助內(nèi)部檢測電路對異常現(xiàn)象或故障進行診斷。任務一 智能傳感器二、智能傳感器的功能與特點（一）智能傳感器的功能3.檢測數(shù)據(jù)自動處理功能 對采集得到的數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計和修正，進行非線性、溫度、噪聲、漂移等誤差補償。4.軟件組態(tài)功能 智能傳感器內(nèi)部具有多種硬件和軟件模塊。用戶可針對不同應用目的，通過操作指令，改變其內(nèi)部硬件模塊和軟件模塊的組合，來完成不同的功能，實現(xiàn)多傳感、多參數(shù)的復合測量。任務一 智能傳感器二、智能傳感器的功能與特點（一）智能傳感器的功能5.信息存儲和記憶功能能存儲各種歷史信息、參數(shù)和校正數(shù)據(jù)等。6.雙向通信和數(shù)字輸出能方便地與計算機連接，實現(xiàn)信息的交換。任務一 智能傳感器二、智能傳感器的功能與特點（二）智能傳感器的特點智能傳感器通過自較零可去除零點；通過與標準參考基準實時比對而自動進行系統(tǒng)標定；自動對系統(tǒng)的非線性等系統(tǒng)誤差進行校正；通過對采集的大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理消除偶然誤差的影響等，從而保證高精度。由于智能傳感器能自動補償因工作條件和環(huán)境參數(shù)變化引起的系統(tǒng)特性的漂移；能隨被測參數(shù)的變化自動改變量程；能實時自動對采集的數(shù)據(jù)進行自檢、分析、判斷其合理性，并對異常情況作應急處理等，從而保證高可靠性與高穩(wěn)定性。高精度由于智能傳感器具有檢測數(shù)據(jù)自動處理功能，能進行數(shù)字濾波、分析計算，可去除噪聲；通過數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡技術，消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，使得在多參數(shù)狀態(tài)下對特定參數(shù)的測量分辨率得到提高，從而保證高信噪比與高分辨率。高可靠性與高穩(wěn)定性高信噪比與高分辨率任務一 智能傳感器二、智能傳感器的功能與特點（二）智能傳感器的特點由于智能傳感器具有判斷、分析和處理的功能，因此它能根據(jù)工作情況決策各部分的供電情況、優(yōu)化與上位機的數(shù)據(jù)傳送速率，保證系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài)。智能傳感器具有上述高性能，而制造是采用低價的集成電路工藝和軟件來實現(xiàn)，因此具有高性價比。自適應性強 高性價比任務一 智能傳感器三、智能傳感器的組成（一）智能傳感器的功能 智能傳感器的組成框圖如圖8-1所示。它是一個最小的微機系統(tǒng)，通常裝在一個殼體內(nèi)，由傳感器（傳感元件）、信號調(diào)理電路、微處理器單元和通信接口等組成。傳感元件包括彈性敏感元件和變換器，信號調(diào)理電路包括多路開關、儀用放大器、基準電壓、模數(shù)轉換器等，微處理器單元包括微處理器、存儲器、輸入輸出接口電路、數(shù)模轉換器等。任務一 智能傳感器三、智能傳感器的組成（一）智能傳感器的功能任務一 智能傳感器四、智能傳感器的實現(xiàn)1.模塊化實現(xiàn) 模塊化智能傳感器為初級的智能傳感器，它是將傳統(tǒng)傳感器、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器等模塊裝配在同一殼體內(nèi)而構成的智能傳感器，如圖8-2所示。這種傳感器由于集成度不高而導致體積較大，但在目前的技術水平下，仍不失為一種實用的結構形式。任務一 智能傳感器四、智能傳感器的實現(xiàn)2.集成化實現(xiàn) 集成智能傳感器又稱現(xiàn)代智能集成傳感器，它的制作工藝與傳統(tǒng)傳感器完全不同。它是采用微機械加工技術和大規(guī)模集成電路工藝技術，利用半導體硅材料制作敏感元件，將信號調(diào)理電路和微處理器等器件集成在一塊芯片上構成的。其外形如圖8-3所示。它具有集成度高、體積小等特點，是智能傳感器的發(fā)展方向。任務一 智能傳感器四、智能傳感器的實現(xiàn)3.混合實現(xiàn) 這種傳感器是根據(jù)技術工藝的可能與實際的需要，將智能傳感器的各個環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個外殼里構成的。這種結構是目前智能傳感器采用較多的結構形式。任務一 智能傳感器五、智能傳感器的應用（一）智能壓力傳感器 傳統(tǒng)壓力檢測傳感器前面章節(jié)已有介紹，本節(jié)介紹的智能壓力傳感器能同時檢測出差壓、靜壓和溫度信號，并經(jīng)自動處理后輸出實際壓力信號。美國霍尼韋爾（Honeywell）公司生產(chǎn)的ST3000系列智能壓力傳感器的原理框圖如圖8-4所示。任務一 智能傳感器五、智能傳感器的應用（一）智能壓力傳感器任務一 智能傳感器五、智能傳感器的應用（二）DS18B20智能溫度傳感器1.DS18B20的特性供電電壓擴大為3055V。3引腳PR35封裝或8引腳小外形集成電路封裝。應用中不需要外部任何元器件即可測溫。測溫范圍在-55125之間，測溫不確定度可達05。數(shù)字溫度計的分辨率用戶可從912 bit選擇。用戶可自設定非易失性的溫度報警上下限值。具有電源反接的保護電路。任務一 智能傳感器五、智能傳感器的應用2.DS18B20的內(nèi)部結構 DS18B20的內(nèi)部結構如圖8-5所示，主要包括寄生電源、溫度傳感器、64 bit激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器、8位循環(huán)冗余校驗發(fā)生器等。（二）DS18B20智能溫度傳感器任務一 智能傳感器五、智能傳感器的應用（二）DS18B20智能溫度傳感器任務一 智能傳感器五、智能傳感器的應用3.DS18B20的測溫原理 DS18B20的測溫原理框圖如圖8-6所示。低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。（二）DS18B20智能溫度傳感器任務一 智能傳感器五、智能傳感器的應用（二）DS18B20智能溫度傳感器任務一 智能傳感器五、智能傳感器的應用4.DS18B20的應用 DS18B20可直接連接在單片機I/O接口上，如圖8-7所示，將測量溫度送入單片機。根據(jù)連接在單片機I/O接口上長短、阻抗、分布電容等參數(shù)的不同，一個I/O接口可掛接3050片DS18B20，使用一個具有16位I/O接口的單片機就可以組建一個包含幾百個測溫點的小型測溫網(wǎng)絡。（二）DS18B20智能溫度傳感器任務一 智能傳感器五、智能傳感器的應用（二）DS18B20智能溫度傳感器任務二 生物傳感器 用于檢測生物體內(nèi)化學成分的生物傳感器的研究始于20世紀60年代，最早出現(xiàn)的是酶傳感器。20世紀80年代后，伴隨著生物技術與微電子學、化學、光學、熱學等技術的進步和各技術的交叉結合，使生物傳感器的研究和開發(fā)得到了突飛猛進的發(fā)展。目前，人們正利用生物體的特異功能，研制類似于生物感覺器官功能的各種生物傳感器，它是傳感檢測技術的新發(fā)展。任務二 生物傳感器一、生物傳感器概述 生物傳感器是利用各種生物體成分，如酶、抗體、抗原、激素等或生物體本身，如細胞、細胞體等，把它們作為傳感器的敏感材料固定在高分子人工膜等固定載體上，用于檢測和設別被測生物體內(nèi)的化學成分，并通過一種合適的換能器將其產(chǎn)生的物理量、化學量的變化轉換成電信號的傳感器。（一）生物傳感器的定義任務二 生物傳感器一、生物傳感器概述（1）分析速度快。主要在無試劑條件下操作，可以在較短的時間內(nèi)得到結果。（2）準確度高和靈敏度高，一般相對誤差不超過1%。由于生物敏感膜的高度特異性和靈敏度，因此能檢測一些含量極低的檢測對象。（3）操作較簡單，能連續(xù)在線檢測，容易實現(xiàn)自動分析。（4）專一性強，只對特定的底物起反應，且不受顏色、濁度的影響。（5）經(jīng)固化處理后，能長期保持其生理活性，傳感器可反復使用。（6）檢測信息以電信號方式直接輸出，容易實現(xiàn)檢測自動化。（7）使用壽命較短。（二）生物傳感器的特點任務二 生物傳感器一、生物傳感器概述 生物傳感器的分類方法較多且不統(tǒng)一，通常是根據(jù)生物敏感膜和物理化學變換器的不同進行分類的。表8-1所示為根據(jù)生物敏感膜的分類法。（三）生物傳感器的分類任務二 生物傳感器一、生物傳感器概述 生物傳感器在醫(yī)療檢驗、環(huán)境監(jiān)測、食品工業(yè)、生物工程、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等領域得到了廣泛的應用。臨床上用免疫傳感器等生物傳感器來檢測體液中的各種化學成分，為醫(yī)生的診斷提供依據(jù)；環(huán)境監(jiān)測中用生物傳感器監(jiān)測大氣和水中各種污染物質(zhì)的含量；食品工業(yè)中用生物傳感器檢測食品中的營養(yǎng)成分和有害成分的含量、食品的新鮮程度等。（四）生物傳感器的應用任務二 生物傳感器二、生物傳感器的基本原理 生物傳感器由生物敏感膜和物理化學變換器兩部分組成。生物敏感物質(zhì)附著于膜上或包含于膜之中（稱為固定化），當被測物經(jīng)擴散進入生物敏感膜層，發(fā)生物理、化學變化，經(jīng)分子識別，由相應的物理化學變換器轉換成定量的、可傳輸和處理的電信號。任務二 生物傳感器二、生物傳感器的基本原理 生物敏感膜是利用生物體內(nèi)具有奇特與敏感功能的生物物質(zhì)固定在基質(zhì)或載體上構成的。它具有專一性與選擇親和性，可進行分子識別，因此也稱為分子識別元件。生物敏感膜是生物傳感器的關鍵元件，它決定著傳感器的功能和質(zhì)量。任務二 生物傳感器三、酶傳感器及應用 酶是由生物體內(nèi)產(chǎn)生并具有催化作用的活性蛋白質(zhì)，它具有特異的催化功能，因此，酶被稱為生物催化劑。酶在生命活動中起著極為重要的作用，它參加新陳代謝過程中的所有生化反應，并以極高的速度維持生命的代謝活動，包括生長、發(fā)育、繁殖與運動等，可以說沒有酶就沒有生命。（一）酶傳感器概述任務二 生物傳感器三、酶傳感器及應用1.葡萄糖酶傳感器 葡萄糖酶傳感器是第一個酶傳感器，它由葡萄糖氧化酶膜和電化學電極兩部分組成。葡萄糖氧化酶是敏感膜，它固定在聚乙烯酰胺凝膠上，其電化學器件為陽極Pt和陰極Pb，中間為強堿溶液，并在陽極表面覆蓋一層透氧氣的聚四氟乙烯膜，形成封閉氧電極，它避免了電極與被測液的直接接觸，防止電極的毒化。（二）酶傳感器的應用任務二 生物傳感器三、酶傳感器及應用2.尿素傳感器 在醫(yī)學臨床檢查中，分析患者的血清和體液中的尿素對于腎功能的診斷是很重要的。對于慢性腎功能衰竭的患者進行人工透析，在確定的透析時間后，尿素的定量分析是必不可少的。（二）酶傳感器的應用任務二 生物傳感器四、微生物傳感器及應用 近年來，隨著微生物固化技術的進步，固定化微生物越來越多地被用作生物傳感器的分子設別元件，產(chǎn)生了微生物傳感器。微生物包括細菌、酵母、霉菌等，它本身就是具有生命活性的細胞，具有呼吸功能（氧氣消耗）、新陳代謝功能（物質(zhì)的合成和分解）、菌體內(nèi)復合酶功能、能量再生功能、輔助酶再生功能等。（一）微生物傳感器概述任務二 生物傳感器四、微生物傳感器及應用1.葡萄糖微生物傳感器 酶電極可測定葡萄糖，但它不能用于發(fā)酵過程中葡萄糖的測定。在發(fā)酵過程中測定葡萄糖含量常用微生物電極。（二）微生物傳感器的應用任務二 生物傳感器四、微生物傳感器及應用2.醋酸傳感器 醋酸作為碳源廣泛用于發(fā)酵過程，但濃度太大，反而抑制微生物繁殖。因此在發(fā)酵過程中，控制培養(yǎng)液中的醋酸濃度非常重要。利用微生物檢測醋酸濃度系統(tǒng)如圖8-8所示，它由毛發(fā)芽胞固化膜、氣體滲透膜和氧電極組成。當向該系統(tǒng)輸送醋酸樣品時，電流值迅速下降，5分鐘后剩下的極小電流值與醋酸濃度之間有極好的線性關系。（二）微生物傳感器的應用任務二 生物傳感器四、微生物傳感器及應用（二）微生物傳感器的應用任務二 生物傳感器五、免疫傳感器及應用 免疫傳感器的基本原理是免疫反應。從生理學可知，抗原是能夠刺激動植物機體產(chǎn)生免疫反應的物質(zhì)?？乖坏┍涣馨颓蝽憫托纬煽贵w，抗體是由抗原刺激機體產(chǎn)生的具有特異免疫功能的球蛋白，又稱免疫球蛋白。（一）免疫傳感器概述任務二 生物傳感器五、免疫傳感器及應用免疫傳感器具有很多優(yōu)點：（1）由于抗體對相應抗原具有識別功能而獲得了高度的選擇性。（2）由于抗體與抗原的親和性，可實現(xiàn)超低濃度的測量。（3）對于所有的測量對象，抗體制作成為可能，因此免疫傳感器適用范圍極廣。（4）利用單色抗體制作技術可實現(xiàn)抗體的批量制作。（一）免疫傳感器概述任務二 生物傳感器五、免疫傳感器及應用 梅毒抗體傳感器的結構如圖8-9所示。容器1是基準容器，底部為不含有抗原的純乙酰纖維素做成的參考膜；容器3為抗原容器，底部為脂質(zhì)抗菌素原固定化膜。將容器1、3放入測試容器2中，當血清注入容器2中，如果血清中存在抗體，則會吸附于抗原表面形成復合體。因抗體帶正電荷，所以抗原膜的負電荷減少，引起膜電位變化，通過測量抗原膜和參考膜間的電位差，可判斷血清中是否存在梅毒抗體。（二）免疫傳感器的應用任務二 生物傳感器五、免疫傳感器及應用（二）免疫傳感器的應用任務三 微型傳感器 傳感器微型化是傳感器技術主要發(fā)展方向之一。微型傳感器的誕生依賴于微機電系統(tǒng)（Micro ElectroMechanical System，MEMS）技術的發(fā)展。MEMS技術是當今蓬勃發(fā)展的前沿技術，它將傳感器帶入了微型化、集成化和智能化的時代。它的出現(xiàn)打破了傳感器的傳統(tǒng)概念和它與系統(tǒng)的界限，還在很大程度上改變了傳感器的原理。任務三 微型傳感器一、微機電系統(tǒng) 微機電系統(tǒng)通常簡稱MEMS，原聯(lián)邦德國教研部1994年給出的定義為：若將傳感器、信號處理器和執(zhí)行器以微型化的結構形式集成為一個完整的系統(tǒng)，而該系統(tǒng)具有“敏感”、“決定”和“反應”的能力，則稱這樣一個系統(tǒng)為微系統(tǒng)或微機電系統(tǒng)。它是多學科的交叉技術，涉及精密機械、材料、制造、微電子、控制、物理、化學、力學和生物等多學科技術。（一）微機電系統(tǒng)簡介任務三 微型傳感器一、微機電系統(tǒng) 微機電系統(tǒng)組成框圖如圖8-10所示。它通常由微型傳感器、信號處理單元、微執(zhí)行器和電源等部分組成。系統(tǒng)首先通過微型傳感器感測自然界各種信息并將其轉換為電信號，再由信號處理單元（包括A/D、CPU、D/A等電路）對輸入信號處理后，送人微執(zhí)行器對外部被控量發(fā)生作用。（一）微機電系統(tǒng)簡介任務三 微型傳感器一、微機電系統(tǒng)（一）微機電系統(tǒng)簡介任務三 微型傳感器一、微機電系統(tǒng)對于一個微機電系統(tǒng)通常具有以下典型的特點：（1）零件微型化。（2）受制造工藝和方法的限制，結構零件一般為兩維的、扁平零件。（3）系統(tǒng)所用材料基本上為半導體材料，但也越來越多地使用塑料材料。（4）系統(tǒng)各部分被集成為相應獨立的子系統(tǒng)，如傳感器、處理單元、執(zhí)行器等。（二）微機電系統(tǒng)的特點任務三 微型傳感器一、微機電系統(tǒng)（三）微機電系統(tǒng)的加工技術超精密加工及特種加工微機電系統(tǒng)中采用的超精密加工技術多由加工工具本身的形狀或運動軌跡決定微型器件的形狀。這類方法可用于加工三維的微型器件和形狀復雜、精度高的微構件。表面微加工以硅片作基片，通過淀積與光刻形成多層薄膜圖形，把下面的犧牲層經(jīng)刻蝕去除，保留上面的結構圖形的加工方法。在基片上有淀積的薄膜被有選擇地保留或去除以形成所需的圖形。體微加工體微加工是按照設計圖在硅片上有選擇性地去除一部分硅材料，形成微機械結構。它的關鍵技術是蝕刻，通過腐蝕對材料的某些部分有選擇地去除，使被加工對象顯露出一定的幾何結構。LIGA技術LIGA是德文“光刻”、“電鑄”、“塑鑄”三詞的縮寫，LIGA技術先利用同步輻射X射線光刻技術光刻出所需要的圖形，然后利用電鑄成型方法制作出與光刻圖形相反的金屬模具，再利用微塑鑄形成深層微結構。任務三 微型傳感器二、微型傳感器（1）單一微型傳感器：采用精密機械加工、微電子技術和MEMS技術，使傳感器尺寸大大減小，一般敏感元件的尺寸為毫米級到微米級、有的甚至達到納米級。（2）集成化微型傳感器：將微型敏感元件、信號處理器、數(shù)據(jù)處理裝置封裝在一塊芯片上，形成集成的傳感器。（3）微傳感器系統(tǒng)：包括微傳感器、微執(zhí)行器等，可獨立工作。（一）微型傳感器的含義任務三 微型傳感器二、微型傳感器隨著微型傳感器尺寸的顯著變小，其結構、材料、特性乃至所依據(jù)的物理作用原理均可能發(fā)生變化。與常規(guī)傳感器比較，微型傳感器有以下特點：（1）空間占有率小。對被測對象的影響小，能在不擾亂周圍環(huán)境，接近自然的狀態(tài)下獲取信息。（2）靈敏度高，響應速度快。由于慣性和熱容量很小，僅用極小能量即可使溫度變化或者產(chǎn)生動作，能實時跟蹤局部的運動狀態(tài)。（二）微型傳感器的特點任務三 微型傳感器二、微型傳感器（3）便于集成化和多功能化。能將多種傳感器集成在一起把握微小部位的綜合狀態(tài)；也可將信號處理單元和驅動部分與傳感元件集成一體，實現(xiàn)智能化和多功能化。（4）可靠性高。應用半導體微加工技術能避免因組裝引起的特性偏差；將微型傳感器與集成電路集成在一起可解決寄生電容和導線過多的問題，還能實現(xiàn)自診斷和自校準功能。（5）消耗小，可節(jié)能。（6）價格低廉。（二）微型傳感器的特點任務三 微型傳感器三、常用微型傳感器及應用1.壓阻式微壓力傳感器 壓阻式微壓力傳感器是利用硅的壓阻效應、集成電路工藝和微機械加工技術，在硅單晶膜片上擴散形成力敏電阻而構成的，參見項目三。微型傳感器的膜片的受壓變形遠小于膜片厚度，其靈敏度和測壓范圍與膜片的幾何尺寸和膜厚有關。它可測壓力范圍為110 kPa，改變膜片的大小和厚度可進一步測量較小的壓力。（一）壓阻式微型傳感器任務三 微型傳感器三、常用微型傳感器及應用2.壓阻式微加速度傳感器 壓阻式微加速度傳感器的結構如圖8-11所示，它由懸臂梁、質(zhì)量塊和布置在梁上的壓阻組成。當有加速度輸入時，懸臂梁在質(zhì)量塊受到的慣性力牽引下發(fā)生變形，導致與之剛性連接的壓阻膜隨之發(fā)生變形，由于壓阻效應使壓阻膜的阻值變化，通過電橋電路將此變化轉換成輸出電壓的變化。（一）壓阻式微型傳感器任務三 微型傳感器三、常用微型傳感器及應用（一）壓阻式微型傳感器任務三 微型傳感器三、常用微型傳感器及應用1.電容式微壓力傳感器 電容式微壓力傳感器的結構為雙層平行板電容器，電容器的下極板位于支撐玻璃上，上極板通過腐蝕技術做在硅膜上，硅膜片和玻璃用靜電封接技術合在一起，形成具有一定間隙的硅膜片微型傳感器。如圖8-12所示。（二）電容式微型傳感器任務三 微型傳感器三、常用微型傳感器及應用（二）電容式微型傳感器任務三 微型傳感器三、常用微型傳感器及應用2.電容式微加速度傳感器 電容式微加速度傳感器的結構如圖813所示。慣性振動質(zhì)量塊的兩個面作為兩個電容的動極板，質(zhì)量塊由一個或兩個懸臂梁支撐。當加速度產(chǎn)生的慣性力使質(zhì)量塊位移時，兩個電容的動極板與定極板間距發(fā)生變化，從而使兩電容值產(chǎn)生差動變化。通過測量兩電容的變化就可以測出加速度了。（二）電容式微型傳感器任務三 微型傳感器三、常用微型傳感器及應用（二）電容式微型傳感器