传感器的分析应用

传感器的分析应用

摘要：本文对传感器进行了简单的介绍，同时以敏感元件将传感器分为物理类、化学类、生物类三大类传感器，并分别对其原理进行了分析，介绍其相应的应用范围。

关键词：传感器；物理传感器；化学传感器；生物传感器

1.传感器的简介

1.1 传感器的重要性

目前，以能源、信息和材料为三大支柱的新技术革命，已在世界范围内蓬勃兴起。人类社会正逐渐由工业化时代向信息化时代迈进。作为感知、采集、转换、传输和处理各种信息必不可少的功能器件之传感器，已成为与微计算机同等重要的技术工具，获得了高度的重视与迅猛的发展。

传感器是信息采集系统的首要部件，亦是电子计算机的“五官 ”，处于现代测量与自动控制（包括遥感、遥测、遥控）的主要环节。可以认为，它既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。现在，传感器技术已与通讯技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱，并成为现代测量技术与自动化技术的重要基础。可以设想，如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，那么信息的准确获得与精密检测就成了一句空话，通讯技术和计算机技术也就成了无源之水，现代测量与自动化技术亦会随之变成水中之月。

现阶段，从宇宙探索、海洋开发，到国防建设、工农业生产，从环境保护、灾情预报，

到包括生命科学在内的每一项现代科学研究，从生产过程的检测与控制，到人民群众的日常生活等等，几乎都离不开传感器和传感器技术。事实表明,传感器和传感器技术己经渗入了新技术革命的所有领域，以及了国民经济的每个部门，进入了大众生活的各个方面。可见，应用、研究和发展传感器与传感器技术，是信息化时代的必然要求[1-3]。

1.2 传感器的定义

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GB7665-87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、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。 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”。

1.3传感器的功能与分类

常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：（1）视觉对应于光敏传感器；（2）听觉对应于声敏传感器； （3）嗅觉对应于气敏传感器；（4）味觉对应于化学传感器；（5）触觉对应于压敏、温敏、流体传感器。

按敏感元件的性能可将传感器分为以下三类：

①物理类，基于机械力、热学、光学、电学、声学、磁学和核辐射等物理效应而设计的感应元件。包括压力传感器、温度传感器、噪声传感器等常见的传感器。

②化学类，基于化学反应的原理。包括PH传感器、离子活度传感器、气体浓度传感器等。

③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。如葡萄糖传感器、谷氨酸传感器等。

2.传感器应用举例 2.1物理类传感器

物理传感器（Sensor）是一种常见的却又很重要的器件，它是感受规定的被测量的各种量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置。对于传感器来说，按照输入的状态，输入可以分成静态量和动态量[4]。我们可以根据在各个值的稳定状态下，输出量和输入量的关系得到传感器的静态特性。传感器的静态特性的主要指标有线性度、迟滞、重复性、灵敏度和准确度等。传感器的动态特性则指的是对于输入量随着时间变化的响应特性。动态特性通常采用传递函数等自动控制的模型来描述。

2.1.1 物理类传感器工作原理

物理传感器是检测物理量的传感器[5]。它是利用某些物理效应，把被测量的物理量转化成为便于处理的能量形式的信号的装置。其输出的信号和输入的信号有确定的关系。主要的物理传感器有光电式传感器、压电传感器、压阻式传感器、电磁式传感器、热电式传感器、光导纤维传感器等。作为例子，让我们看看比较常用的光电式传感器。这种传感器把光信号转换成为电信号，它直接检测来自物体的辐射信息，也可以转换其他物理量成为光信号。其主要的原理是光电效应：当光照射到物质上的时候，物质上的电效应发生改变，

这里的电效应包括电子发射、电导率和电位电流等。显然，能够容易产生这样效应的器件成为光电式传感器的主要部件，比如说光敏电阻。这样，我们知道了光电传感器的主要工作流程就是接受相应的光的照射，通过类似光敏电阻这样的器件把光能转化成为电能，然后通过放大和去噪声的处理，就得到了所需要的输出的电信号。这里的输出电信号和原始的光信号有一定的关系，通常是接近线性的关系，这样计算原始的光信号就不是很复杂了。其他的物理传感器的原理都可以类比于光电式传感器

2.2化学类传感器

在科学研究和工农业生产、环境保护等很多领域，化学量的检测与控制技术正在得到越来越广泛的应用，而化学传感器是这个过程的首要环节。近几十年化学传感器的研究和发展表明，化学传感器的应用已深入人们现代生活的各个方面，环境的保持和监控，预防灾难和疾病的发生，以及不断提高人们的工农业活力和生活水平，仍然是当前乃至今后相当长时期化学传感器应用的主要领域[6]。

2.2.1 化学传感器的概念

化学传感器(chemical sensor)通常描述成一种分析方法，这种分析方法更适合于被称作“分析化验”或者“感觉系统”，但是化学传感器通常是连续的获得数据信息，而感觉系统获得信息是不连续的。在 R.W.Catterall的著作中将化学传感器定义为一种装置，通过某化学反应以选择性方式对特定的待分析物质产生响应从而对分析质进行定性或定量测定。此传感器用于检测及测量特定的某种或多种化学物质。

2.2.2 化学传感器的工作原理

化学传感器的组成包括具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获功能的接受

器和将俘获的化学量有效转换为电信号功能的转换器。接受器将待测物的某一化学参数（常常是浓度）与传导系统连结起来。它主要具有两种功能：选择性地与待测物发生作用，反应所测得的化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号[7]。

分子识别系统是决定整个化学传感器的关键因素。因此，化学传感器研究的主要问题就是分子识别系统的选择以及如何反分子识别系统与合适的传导系统相连续。化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号，并通过电极、光纤或质量敏感元件将响应信号以电压、电流或光强度等的变化形式，传送到电子系统进行放大或进行转换输出。最终使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号，检测出样品中待测物的量[8]。

2.2.3 化学传感器的分类

化学传感器的种类繁多，原理各异，检测对象几乎涉及各种参数，通常一种传感器可以检测多种参数。一种参数又可以用多种传感器测量，所以传感器的分类方

法至今尚无统一规定。

（1） 按照传感器中换能器的工作原理可将化学传感器分为：电化学传感器、光化学传感器、质量传感器、热量传感器、场效应管传感器等。

（2） 按照传感器所选用的化学识别结构可将化学传感器分为：湿敏传感器、离子敏传感器、气敏传感器、光敏传感器等。

2.3 生物类传感器

生物传感器是一类特殊形式的传感器, 是一种对生物物质敏感并将其转换为声、光、

电等信号进行检测的仪器[9-10]。生物传感器具有接受器与转换器的功能，由识别元件 (固定化的生物敏感材料，包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质 )、理化换能器 (如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等) 和信号放大装置构成。

2.3.1 生物传感器的原理

在利用生物传感器进行物质检测时，待测物质经扩散作用进入生物活性材料， 经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的声、光、电等信号，再经2次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度[11]。如下图

图 生物传感器结构示意图

2.3.2 生物传感器的分类

生物传感器有许多种分类方式：

（1）根据生物活性物质的类别，生物传感器可以分为酶传感器、免疫传感器、DNA传感器、细胞传感器、组织传感器和微生物传感器等；

（2）根据检测原理，生物传感器可分光学生物传感器、电化学生物传感器和压电生物传感器等；

（3）按照生物敏感物质相互作用的类型分类, 可分为亲和型和代谢型2种；

（4）可根据所监测的物理量、化学量或生物量而命名为热传感器、光传感器和胰岛素传感器等。

2.3.3 生物传感器的特点

（1）速度快，成本低。固定化酶生物传感分析仪是最早出现且精度最高的生物传感器，已经发展成一类可靠的精密分析仪器。由于采用了固定化酶膜作为分析工具，酶法分析试剂可以反复使用数千次, 其分析成本只有手掌型血糖分析仪的1/10；分析速度快，不到20s可以获得准确的分析结果，这在临床急症室、某些重症患者的监护等许多场合都很重要[12]。

（2）专一性强。生物传感器只对特定的底物起反应，而且不受颜色和浊度的影响，因此一般不需要进行样品的预处理，干扰少。

（3）稳定性好，分析精度高。像目前市场上应用的高精度血糖分析仪是采用固定化酶的生物传感分析仪，其分析精度可以达到0.5%~2.0%。

(4)操作系统简单，容易实现自动分析。如药物分析中常用的表面等离子体共振生物传感器，就具有体积小、测定范围宽、精度高、灵敏度高、功能完整、操作方便、可靠、耗材廉价等优点，是一种创新性、实用化的现代科学仪器。

(5)作用广，应用价值大。有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状

况和副产物的产生，在生产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息，同时还指明了增加产物获得率的方向。现在生物传感器的应用，涉及到医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业等领域[13]。

3.传感器的应用

目前传感器的应用十分广泛，在工业生产方面，全自动、半自动加工设备、自动生产流水线、机器人的出现，它们可实现生产合理化、自动化，提高产品质量，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，避免有害作业的直接操作。如冶金工业中连续铸造生产过程中的钢包液位检测，高炉铁水硫磷含量分析等方面就需要多种多样的传感器为操作人员提供可靠的数据。在家用电器和医疗卫生方面，新颖的家用电器利用各种传感器在家务劳动的自动化、省力化和舒适度方面起到了极大的作用，全自动洗衣机、洗碗机、电冰箱、电视机已进入千家万户;新型家用电子医疗保健产品如电子血压计、脉搏计、电子体温计等，它们也通过使用传感技术对于改善人们的生活质量和提高人们的健康水平起了重要作用。在航空、航天方面，大型飞机在云层上被自动驾驶，并能在恶劣的气候条件下实现安全“盲目”着陆；空—空导弹的自动跟踪；人造卫星如我国的探月一号工程———嫦娥一号在轨运行一年中做了大量实验，在太空进行遥感、遥测等高科技中也都大量使用各种各样的传感技术

[14-15]。

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