第九章几种新型传感器的简介 第二讲 生物传感器和超声波传感器 教学 .DOCVIP

第九章 几种新型传感器的简介 第二讲 生物传感器和超声波传感器 教学目的要求：1.了解生物传感器的原理和测量应用。 2.了解超声波传感器的原理和应用 教学重点：生物和超声波传感器的原理 教学难点：生物和超声波传感器的原理 教学学时：2学时 教学内容： 一、生物传感器 1．生物传感器的定义 用生物功能物质（固定化的生物体成分：如酶、抗原、抗体、激素等，或生物体本身：细胞、细胞体、动植物组织）作为敏感元件的传感器，称为分子生物传感器，简称生物传感器（Biosensor）。 2．生物传感器的基本结构 生物传感器通常将生物物质固定在高分子膜等固体载体上，被识别的生物分子作用于生物功能性人工膜（生物传感器）时，将会产生变化的（光、电、热等）信号输出。然后采用光测量、热测量及电化学反应测量等方法测量出信号。因此，生物传感器的基本结构可用图9-16形象地表示。 图9-16 生物传感器的基本结构 3．生物传感器的分类 （1）基于构成传感器的生物活性材料的分类方法，如酶传感器、微生物传感器、免疫传 感器、组织传感器和细胞传感器。 （2）着眼于测量对象物质的分类方法，如葡萄糖传感器、胆甾醇传感器。 （3）基于信号变换原理的分类方法，如光生物传感器、热生物传感器、压电晶体生物传感器等。 4. 生物传感器的工作原理 酶+底物酶●底物中间复合物→产物+酶 图9-17 生物传感器原理图 5.生物传感器的应用 目前已经问世或正在研究的生物传感器大致有这样几类：酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、有机物传感器、生物电子学传感器等。下面主要介绍酶传感器的结构和应用。 酶是生物体内具有催化剂作用的活性蛋白质。与其他蛋白质一样，酶具有特异的催化功能。因此，被称为生物催化剂。它的理化性质即为蛋白质。酶是大分子化合物，其分子量从一万到几十万。由于酶的催化功能，它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，并以极高的速度和明显的方向性维持生命的代谢活动，包括生长、发育、繁殖与运动，可以说没有酶就没有生命。 二、 超声波传感器 1.超声波检测的物理基础 1）．波与声波 2）．超声波的波型 （1）纵波 质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波。它能在固体、液体、和气体中传播。 （2）横波 质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波。它只能在固体中传播。 （3）表面波 质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形的，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向，表面波只在固体的表面传播。 2. 超声波换能器（超声波传感器） 1）．压电式超声波换能器 压电式超声波换能器的原理是以压电效应为基础的。作为超声波换能器的发射部分是利用压电材料的逆压电效应（电致伸缩效应）原理，在压电材料切片上施加交变电压，使其产生电致伸缩效应而产生超声波。 超声波换能器的接收部分是利用压电材料的正压电效应原理，当超声波作用到压电晶片时相当于施加一个作用力，在晶片的相应界面上产生交变电荷，此电荷经放大器（电压或电荷放大器）转换成电压信号被记录或显示结果。超声波接收器的结构与发生器的结构基本相同，有时就用同一个换能器兼作发生器和接收器两种用途。 2）．磁致伸缩式换能器 磁致伸缩式换能器发射部分是将铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械振动，从而产生超声波的一种装置。它用厚度为0.1～0.4mm的镍片叠加而制成，片间绝缘以减少电涡流损失，其结构有矩形、窗形等。 磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应（即压磁效应）而进行工作的。 3 超声波传感器的应用 高频超声波由于它的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播，在液体和固体中衰减小，穿透本领大，这些特性使超声波传感器得到了成功的应用。 1．超声波探伤 用超声波探查金属体内伤是一种无破坏性（无损）检测，甚至可使板材、棒材在高速运行中进行检测，构成全自动检测系统，不但能发出报警信号，还可以在缺陷区域喷上彩色涂料，并根据缺陷的数量或严重程度作出“通过”或“拒收”的决定。 2．超声波测量液位 利用超声波测量液位的工作原理如下：由发射换能器发出超声波脉冲，在介质中传到液面，经反射后再通过介质返回到接收换能器，测量出超声脉冲从发射到接收所需要的时间，根据介质中的声速，就能算出从换能器到液面之间的距离，从而确定液位。根据传声介质的不同，可以分为液介式、气介式和固介式三类；根据换能器的工作方式，又可分为自发自收单换能器方式和一发一收双换能器方式。这样可以组成六种超声波液位计方案