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有机磷水解酶传感器及其应用研究进展

有机磷水解酶传感器及其应用研究进展
有机磷水解酶传感器及其应用研究进展

有机磷水解酶传感器及其应用研究进展

陈 帆,陈欢林,何 奕

(浙江大学材料与化学工程学院,浙江杭州310027)

摘 要:介绍了有机磷水解酶传感器的基本原理、组成和分类,分析了各个类型传感器的特点,重点介绍了近年来国外有机磷水解酶的固定化技术和有机磷水解酶传感器的进展情况,并分析了未来有机磷水解酶传感器的发展趋势。

关键词:有机磷水解酶;生物传感器;有机磷农药;检测

中图分类号:TP212.3 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2004)04-0005-05

Advances in organophosphorus hydrolase biosensors

and theirs applications

CHEN Fan,CHEN Huan2lin,HE Y i

(Coll of Materials Sci&Chem E ngin,Zhejiang U niversity,H angzhou310027,China)

Abstract:Basic principle,constitution and classification for biosensors based on organophosphorus hydrolase are introduced.The properties of various biosensors are analysed.Especially,the technology for immobilization of organophosphorus hydrolase and the progress of these biosensors outside the country are demonstrated in recent years.Based on these discussions,the trend of biosensors based on or ganophosphorus hydrolase is proposed.

K ey w ords:organophosphorus hydrolase(OPH);biosensor;organophosphorus pesticides;detection

0 引 言

有机磷农药由于比传统的卤代烃农药易溶于水、易降解,对害虫高效、广谱,一经问世,就得到了广泛的应用。但由于长期大量的使用,造成了严重的环境问题,威胁到人类的健康,因此,研究其快速检测技术刻不容缓。

生物传感器为快速检测有机磷农药的有效手段之一。按具有分子识别功能的生物活性材料(如酶、微生物等)的不同,可分为酶传感器和微生物传感器等;按信号转换形式(电量、光量等)的不同又可分为电化学生物传感器和光学生物传感器等。传统检测有机磷农药的酶传感器,几乎都是建立在胆碱酯酶的基础上,由于检测步骤多、测量时间相对长、抑制物多,且抑制过程多为不可逆抑制造成再生困难等[1],因此,难于满足现场快速检测的要求。

有机磷水解酶(OPH)是一类水解有机磷化合物的酶,最优之处是将有机磷农药作为酶的底物,而不是抑制剂,能专一性地切断它的的磷氰、磷硫、磷氟和磷氧键[2],产生两分子质子、一分子乙醇和其

收稿日期:2003-11-24它产物,这些产物在许多情况下带有发色基团或具有电活性,向周围装置提供了一系列可测信号,后续的信号转换器将这些信号转换成光或电信号,从而可以进行有机磷农药的定量分析。国外许多研究者针对有机磷水解酶的这一特性,开发了多种传感器,而国内鲜见这方面的报道。

以下将按信号转换器的不同来综述这方面的研究进展。

1 电化学有机磷水解酶传感器

1.1 电位型有机磷水解酶传感器

电位型传感器是根据反应前后待测溶液中电解质浓度或组成差异所产生的电位差来测定物质。OPH水解有机磷农药释放出H+,用p H电极检测反应溶液中H+浓度变化的差异,由于其与有机磷农药的浓度成比例关系,进而可以确定待测溶液中有机磷农药的含量。

Mulchandani等人[3]将OPH与牛血清白蛋白和戊二醛交联固定化形成酶层,直接固定在pH电极上,制得最简单的电位型OPH传感器。电极的最佳

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 2004年第23卷第4期 传感器技术(Journal of Transducer Technology)

工作状态与缓冲液的p H 、离子浓度、温度以及固定化水解酶的剂量有关。在最佳的灵敏度(因检测对象不同而异)及响应时间(约2min )内,可以十分精确地测量出低达2×10-6mol/L 的对氧磷、对硫磷、甲基对硫磷和5×10-6mol/L 的二嗪农等有机磷农药,而且检测过程不会受到其它非有机磷农药如西玛津(simazine )的干扰。在4℃的缓冲液中保存该电极,

可使其在至少1个月的时间内仍保持100%的活性。但这种直接固定化酶的方法对酶的损伤很大,失活率高。因此,人们尝试着是否可以固定化产酶微生物作为传感器的敏感元件来检测有机磷农药,在充分利用重组微生物表达出的酶的同时,又不损伤酶的活性,因此,此种传感器受到了极大的关注。

Rainina 等人[2]首次用插入有OPH 基因片断的

质粒转化入大肠杆菌进行胞内表达,将重组大肠杆菌制成一种新型的电位型传感器的敏感元件用于检测有机磷农药,能广泛地检测包括对氧磷、对硫磷和香豆磷在内的各种有机磷农药。用冷冻法使聚乙烯醇(PVA )包埋的重组大肠杆菌形成0.8+0.1mm 的凝胶小球,分别装载在间歇式搅拌反应器和流动式柱反应器中,以p H 电极作为检测器件。由于OPH 被包埋在大孔的膜中,因此,其水解产生的氢

离子能自由进出,产生了溶液体系p H 的变化,从而得以检测。这两种间歇式和流动式的反应装置都能线性地检测出1×10-6~1×10-3mol/L 范围内的

对氧磷,但两者反应时间不同,前者为10min ,后者相对长些为20min 。这种用冷冻法固定化重组大肠杆菌提高了在使用和储藏中水解酶的稳定性,同时,降低了纯化成本。

为了克服胞内表达传质速率慢且易被宿主菌降解的缺点,Mulchandani 等人[4]将分泌型质粒转化入大肠杆菌中实现胞外表达,将重组大肠杆菌直接固定在p H 电极上制成电位型OPH 传感器。由于这种重组大肠杆菌能将产物———OPH 直接分泌到胞外,加快了水解有机磷农药的速度,因此,以此为分子识别元件制成的传感器能灵敏地检测出低达2×10-6

mol/L 的对氧磷、甲基对硫磷和

5×10-6mol/L 二嗪农等有机磷农药。它具有直接、

灵敏和快速检测有机磷农药的优点,且保存期长,因此,为开发性能稳定的OPH 传感器检测有机磷农药提供了更大的选择空间。1.2 安培型有机磷水解酶传感器

安培型传感器是根据检测元件表面或其修饰层内发生氧化还原反应所产生的电流来检测物质。OPH 可以水解对氧磷、对硫磷等农药生成对硝基酚(PN P )。它是一种电活性物质,可在阳极发生氧化

反应,形成电流,大小正比于PN P 的浓度[1],而它又与有机磷农药的浓度相关联,故可确定待测溶液中有机磷农药的含量(图1)。

R

P

X R ’

O

NO 2+H 2O

OPH

HO NO 2+R P X

OH

R ’

HO

NO 2

2e -OH 2

O 2N

OH

H

O

图1 待测溶液中有机磷农药的含量组成示意图(R 和R ′代表乙氧基或甲氧基,X 代表硫或氧基)

Fig 1 Schem atic diagram of organophosphorus pesticides constitution in measured solution

(R and R ′are ethoxy or methoxy groups;X is S or O)

Mulchandani 等人[5]首次尝试开发了基于OPH 的安培型生物传感器用于检测有机磷农药,收到了极好的效果,其检测限远低于电位型传感器。它是将高活力的OPH 固定化在丝网印刷碳电极表面,不仅克服了传质阻力,而且充分发挥其高的生物催化活力,对氧磷、甲基对硫磷这两种农药的线性检测范围为5×10-6~4×10-5mol/L ,最低检测限分别低达9×10-8,7×10-8mol/L 。

将OPH 和牛血清白蛋白共价交联在尼龙网上,

暴露在戊二醛蒸汽中制成酶膜固定在碳电极上,这种简单的安培型电极传感器[6]能灵敏地检测出OPH 水解有机磷农药的产物PNP 的量。研究表明:在固定化酶的表面涂上矿物油或硅油,不仅能提高固定化酶的稳定性和传感器的响应信号,而且还能改变酶电极的选择性。使用硅油能同时提高对对硫磷和对氧磷的响应信号,而矿物油仅能提高对对硫磷的响应信号。最优条件下检测到的对硫磷和对氧磷的最低限分别为1.5×10-8,2×10-8mol/L 。此种传感器的检

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传 感 器 技 术 第23卷

测限不仅低于下面将要涉及到的光学OPH传感器,而且也低于其它类型的OPH电极传感器。由于其简单、稳定和相对较低的酶用量,使得其作为一种现场快速检测方法拥有极大的发展潜力。

应用基因工程,Mulchandani等人[7]将携带OPH 基因片断的质粒转入一种摩拉氏菌(Moraxella s p)的菌体内,筛选得到了可在胞外表达OPH的基因工程改良菌。将适量的菌体与3:1的石墨粉和矿物油混合在一起制成工作电极的敏感元件。最优条件下,此传感器对对氧磷和甲基对硫磷的检测限可低达2×10-7mol/L和1×10-6mol/L,而且选择性、贮藏稳定性均很好。不仅如此,由于OPH锚合在菌体表面,因此,在削减扩散传质阻力方面表现出优势。此种类型的传感器在制备、检测灵敏度和响应时间等方面均显示出较乙酰胆碱酯酶(AChE)传感器的优越之处,因此,有着广阔的应用前景。现如今,再加上基因工程的进步,使得OPH传感器有着更为广阔的发展空间。

1.3 电位-安培型有机磷水解酶传感器

电位型传感器能检测大多数的有机磷农药[2~4],而安培型传感器只能检测能产生PN P的部分有机磷农药[5~7],但安培型传感器的检测限低于电位型传感器的检测限,因此,结合两者的优势,一种双重的安培-电位型传感器[8]应运而生。

它是由电位型OPH传感器和安培型OPH传感器通过聚四氟乙烯管相连,与整个流动-注射系统[11]组成一个完整的检测体系。此种传感器不仅能提高信息的容量,而且能够区别某些有机磷农药。在整个体系中分别注入对氧磷、敌敌畏、对硫磷和二嗪农这四种有机磷农药,电位型传感器依据OPH水解农药引起的p H值变化顺利地检测到这四种农药,而安培型传感器由于是依据氧化释放出的PN P 的量,因此,只能检测出对氧磷和对硫磷这两种。此类传感器具有反应快、没有表面交叉反应、通过对比校验可减小错误信息的影响等优点,因此,发展潜力很大。它不仅可以使用不同的酶(OPH,AChE等),而且还可以使用不同含量或比活力的同一种酶作为敏感元件,与各种转换元件相结合,制成各种新的多用途的生物传感器,可用于环境和食品的现场检测。2 光学有机磷水解酶传感器

光学传感器是基于水解生成有色物质或水解产物后续反应产生的有色物质,当外界环境因水解发生变化时,引起有色物质的强度发生相应变化。这样通过检测有色物质的光强,便可确定有机磷农药的含量。

Rogers等人[9]将异硫氰酸荧光素(FITC)共价标记在OPH上,用聚甲基丙烯酸甲酯吸附酶,置于毛细管中,一端用透镜封住,使得FITC发出的荧光可通过被检测。水解发生时,酶的活性位点附近的p H发生变化,可被FITC感知引起发光能力的变化,而微珠型荧光分析仪可检测这种变化。该传感器能线性检测出2.5×10-5~4×10-4mol/L的范围内的对氧磷,最低检测限可达8×10-6mol/L。还可检测乐斯本(dursban),杀螟硫磷(fenitrothion),丁烯磷(crotoxyphos)等大多数有机磷农药。在检测香豆磷时,此方法所得结果显示出与高效液相色谱的高度相关性(r2=0.998)。

将半萘基荧光素与OPH共价结合固定化在聚乙烯乙二醇水凝胶(PEG)[10]上制成光学敏感元件,通过OPH水解有机磷农药释放出质子,相应地导致溶液中p H值的变化,从而引起荧光素强度发生变化。采用荧光光谱测定法可以检测有机磷农药的含量。对氧磷的最低检测限可达8×10-7mol/L。此种传感器的最大优点是PEG凝胶不仅能保护酶不受外界环境的抑制降解和污染,还能提高荧光染料和酶共价结合的稳定性,提高酶的活性。

将胞外分泌型重组大肠杆菌与熔融状态的琼脂糖凝胶混合固定在尼龙膜上,贴近光导纤维束的末端与单色仪、光源、图表记录器等共同构成光导纤维微生物传感器(FOMB)[11]。OPH水解有机磷农药生成相应化学计量的发色基团能吸收由反相色散辐射出来的一定波长的光,微弱的光电信号可由光电倍增器检测到,由此可测出相应的有机磷农药的含量。此传感器在20℃下,在含有100mmol/L氯化钠、0.05mmol/L氯化钴、pH值为9的50mmol/ L HEPES缓冲液中操作,可检测对氧磷、对硫磷和香豆磷等农药而不受三嗪(triazine)和氨基甲酸酯类农药的干扰,对氧磷和对硫磷的最低检测限为3×10-6 mol/L,香豆磷为5×10-6mol/L。此传感器在22℃的缓冲液中可稳定地保存1个月左右,可重复使用75次以上而不降低酶的活性。而一种类似于

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第4期 陈 帆等:有机磷水解酶传感器及其应用研究进展

FOMB的光导纤维酶传感器(FOEB)[12]则是直接将OPH固定在尼龙膜上。此传感器如果与波长扫描装置连用,可用于检测含有不同有机磷农药的混合物,且极适用于长时间的在线监测化学或生物的降解过程。在灵敏度为2.2×10-9/mol?L-1的稳态下,在大约2min内,可检测出1×10-5~4.8×10-4mol/L范围内的对氧磷,最低检测限可达2×10-6mol/L。在4℃的缓冲液中可保持长时间的稳定性。

Wu等人[13]研制的传感器则是将绿色荧光蛋白(GFP)融合在OPH基因的5’端上,转入大肠杆菌中进行表达,得到融合蛋白。该蛋白不仅具有水解有机磷农药的能力,而且由于采用了多基因融合技术,大大提高了OPH的产量,同时,由于引入GFP,还具有发光能力。GFP在395nm的紫外光激发下能发出509nm的明亮的绿色荧光。由于GFP的荧光强度与OPH水解有机磷农药的能力成一定比例,因此,通过二者之间的关系,可以检测出待测溶液中有机磷农药的含量。改进GFP与OPH 融合的方法可以提高酶的工作效率以及传感器的灵敏度。如果同时配合使用GFP荧光检测仪可提高其现场检测的能力。

光学OPH传感器具有灵敏度高、响应快,在高离子强度的环境下具有高酶的活性等优点。但由于其在检测过程中易受背景光的干扰、固定生物材料难度大、稳定性较差等因素也限制了它的应用。

3 敏感场效应管有机磷水解酶传感器

近年来,以酶为分子识别材料的,以场效应晶体管为信号转换器的生物传感器发展迅速。在用于农药检测的酶场效应管中,基于胆碱酯酶的传感器技术较为成熟。

Flounders等人[14]创造性地将OPH和氨丙基三乙氧基硅烷通过戊二醛共价交联在溶胶-凝胶修饰的以Si3N4为敏感层的场效应管门极上,制成敏感场效应管OPH传感器,采用差分电路来实现整个检测过程。在小于10s的响应时间内,能检测到低达1×10-6mol/L的对氧磷的含量。

由于溶液中影响酶活力的因素很多,因此,采用差分法可以有效地减少p H值、温度、离子强度等环境因素的影响。理想情况下2只电极的工作环境一样,影响因素一样,但在实际情况中两者不可能完全一致,因此,会产生一个差值E0,这是2只电极本身的误差,亦称本底误差。当固定化有OPH的那支电极水解溶液中的有机磷农药,生成质子,引起周围环境中p H值变化,此时,在两电极间会产生一个新的差值E1,它既包括原来的本底误差,又包括酶水解底物产生的净信号,即E1-E0=ΔE,它的大小反应了水解程度的强弱,在一定范围内与有机磷农药的浓度成正比。

由于此种传感器采用溶胶-凝胶包埋不仅能使酶免受外界环境的影响,大大提高酶的稳定性,而且又不影响p H电极的灵敏性,因此,响应时间快,能重复多次使用;由于分析中采用了差分法,极大减小了外界环境的不利影响,因此,提高了此种传感器的准确度。

4 结束语

虽然开发研究OPH传感器检测有机磷农药的起步时间晚,但还是取得了长足的进步,检测形式趋于多样化,响应时间逐渐缩短,灵敏度越来越高,仪器自动化程度也显著提高,现场检测能力不断增强,展现出美好的应用前景。然而,由于此技术还处在一个不断完善和发展的过程中,因此,存在或多或少的不足,还有许多理论和实际问题亟待解决。

如要充分利用基因工程技术构建出具有选择特异性的OPH,专一性地水解特定的有机磷农药,为传感器提供专一性的酶源,直接提高传感器对待测底物的选择性。寻找更合适的酶固定化载体,这方面的工作国外正在进行,采用功能型中孔硅(FMS)作为载体已有报道[15]。开发新形式的传感器,如双重的安培-电位型传感器[8],双酶(AChE和OPH)传感器[16]等用于检测多组分农药样品。研究OPH 的动力学,建立相关的理论模型[17],更有利于OPH 传感器的设计和应用,在建模的过程中,要充分利用计算机解决模型中涉及数学方面的问题。同时,实现检测过程的自动化仍将是未来OPH传感器继续完善化,走向市场化的一个发展方向。

参考文献:

[1] Mulchandani A,Chen W,Mulchandani P,et al.Biosenors for di2

rect determination of organophosphate pesticides[J].Biosensors& Bioelectronics,2001,16:225-230.

[2] Rainina E I,Efremenco E N,Varfolomeyev S D.The develop2

ment of a new biosensor based on recombinant E coli for the direct

8

传 感 器 技 术 第23卷

detection of organophosphorus neurotoxins[J].Biosensors&Bio2 electronics,1996,11(10):991-1000.

[3] Mulchandani P,Mulchandani A,K aneva I,et al.Biosens or for direct

determination of organophosphate nerve agents1potentiometric en2 zyme electrode[J].Biosens ors&Bioelectronics,1999,14:77-85. [4] Mulchandani A,Mulchandani P,K aneva I,et al.Biosensor for di2

rect determination of organophosphate nerve agents using recombi2 nant E coli with surface2expressed organophosphorus hydrolase1 potentiometric microbial electrode[J].Anal Chem,1998,70: 4140-4145.

[5] Mulchandani A,Mulchandani P,Chen W.Amperometric thick2

film strip electrodes for monitoring organophosphate nerve agents based on immobilized organophosphorus hydrolase[J].Anal Chem,1999,71:2246-2249.

[6] Chough S H,Mulchandani A,Mulchandani P,et https://www.wendangku.net/doc/a114267156.html,anophos2

phorus hydrolase2based amperometric sensor:modulation of sensi2 tivity and substrate selectivity[J].Electroanalysis,2002,14(4): 273-276.

[7] Mulchandani P,Chen W,Mulchandani A,et al.Amperometric

microbial biosensor for direct determination of organophosphate pesticides using recombinant microorganism with surface expressed organophosphorus hydrolase[J].Biosensors&Bioelectronics, 2001,16:433-437.

[8] Wang J,Krause R,Block K,et al.Dual amperometric2potentio2

metric biosensor detection system for monitoring organophos2 phorus neurotoxins[J].Analytica Chimica Acta,2002,469:197-

203.

[9] Rogers K R,Wang Y,Mulchandani A,et https://www.wendangku.net/doc/a114267156.html,anophosphorus

hydrolase2based assay for organophosphate pesticides[J].Biotech2 nol Prog,1999,15:517-521.

[10]Russell J R,Pishko V M,Simonian L A,et al.Poly(ethylene glycol)hydrogel2encapsulated fluorophore2enzyme conjugates for direct detection of organophosphorus neurotoxins[J].Anal Chem,1999,71: 4909-4912.

[11]Mulchandani A,K aneva I,Chen W.Biosensor for direct determi2 nation of organophosphate never agents using recombinant E coli with surface2expressed organophosphorus hydrolase2fiberoptic microbial biosensor[J].Anal Chen,1998,70:5042-5046.

[12]Mulchandani A,Pan S,Chen W.Fiber2optic enzyme biosensor for direct determination of organophosphate nerve agents[J].Biotechnol Prog,1999,15:130-134.

[13]Wu C F,Cha H J,Rao G,et al.A green fluorescent protein fusion strategy for monitoring the expression,cellular location,and separation of biologically active organophosphorus hydrolase[J].Appl Microbiol Biotechnol,2000,54:78-83.

[14]Flounders A W,Singh A K,Volponi J V,et al.Development of sensors for direct detection of organophosphates(partⅡ:sol2gel modified field effect transistor with immobilized organophosphate hydrolase)[J]. Biosensors&Bioelectronics,1999,14:715-722.

[15]Lei C H,Shin Y S,Liu J,et al.Entrapping enzyme in a function2 alized nonporous support[J].J AM CHEM SOC,2002,124: 11242-11243.

[16]Simonian A L,Efremenko E N,Wild J R.Discriminative detection of neurotoxins in multi2component samples[J].Analytica Chimica Acta, 2001,444:179-186.

[17]Sweeney R E,Maxwell D M.A theoretical model of competition between hydrolase and carboxylesterase in protection against organophosphorus poisoning[J].Mathematical Biosciences,1999,160: 175-190.

作者简介:

陈 帆(1978-),女,福建省福清市人,浙江大学在读硕士研究生,主要从事生化分离及检测技术研究。

(上接第4页)

[9] Sattin M,Milne R,Deans J D,et al.Radiation interception

measurement in poplar:sample size and comparison between

tube solarimeters and quantum sensors[J].Agricultural and For2

est Meteorology,1997,85:209-216.

[10]Morisawa J,Otaka M,K ato T,et al.Detection of intergranular

cracking susceptibility due to hydrogen in irradiated austenitic

stainless steel with a superconducting quantum interference de2

vice(SQU ID)sensor[J].Journal of Nuclear Materials,2002,

302:66-71.

[11]Zarembi ski S.Sensitivity limitation of a superconducting quantum

iInterferometer sensor2based gravity gradiometer[J].IEEE

Tran2sactions on Applied Superconductivity,2001,11(2):4041

-4047.

[12]Behet M,Bekaert J,De Boeck J,et al.InAs/Al0.2G a0.8Sb quantum

well Hall effect sensors[J].Sensors and Actuators,2000,81:

13-17.

[13]Behet M,De Boeck J,Borghs G,et https://www.wendangku.net/doc/a114267156.html,parative study on the

performance of InAs/Al0.2G a0.8Sb quantum well Hall sensors on

germanium and G aAs substrates[J].Sensors and Actuators,

2000,79:175-178.

[14]Behet M,De Boeck J,Borghs G,et al.High-performance InAs

quantum well Hall sensors on germanium substrates[J].

Electronics Letters,1998,34(23):2273-2274.

[15]Behet M,Das J,De Boeck J,et al.InAs/(Al,G a)Sb quantum

well Hall structure for sensors[J].IEEE Transactions on

Magnetics,1998,34(4):1300-1302.

作者简介:

董道毅(1978-),男,湖北利川人,土家族,中国科学技术大学博士生,主要研究方向为:量子信息控制、系统建模与仿真、智能系统。

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第4期 陈 帆等:有机磷水解酶传感器及其应用研究进展

传感器原理及应用

温度传感器的应用及原理 温度测量应用非常广泛,不仅生产工艺需要温度控制,有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量,如计算机要监控CPU的温度,马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等,下面介绍几种常用的温度传感器。 温度是实际应用中经常需要测试的参数,从钢铁制造到半导体生产,很多工艺都要依靠温度来实现,温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。本文对不同的温度传感器进行简要概述,并介绍与电路系统之间的接口。 热敏电阻器 用来测量温度的传感器种类很多,热敏电阻器就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数(NTC),也就是说温度下降时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中,热敏电阻的灵敏度(即温度每变化一度时电阻的变化)最高,但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。表1是一个典型的NTC热敏电阻器性能参数。 这些数据是对Vishay-Dale热敏电阻进行量测得到的,但它也代表了NTC热敏电阻的总体情况。其中电阻值以一个比率形式给出(R/R25),该比率表示当前温度下的阻值与25℃时的阻值之比,通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻/温度曲线。以表1中的热敏电阻系列为例,25℃时阻值为10KΩ的电阻,在0℃时电阻为28.1KΩ,60℃时电阻为4.086KΩ;与此类似,25℃时电阻为5KΩ的热敏电阻在0℃时电阻则为 14.050KΩ。 图1是热敏电阻的温度曲线,可以看到电阻/温度曲线是非线性的。

虽然这里的热敏电阻数据以10℃为增量,但有些热敏电阻可以以5℃甚至1℃为增量。如果想要知道两点之间某一温度下的阻值,可以用这个曲线来估计,也可以直接计算出电阻值,计算公式如下: 这里T指开氏绝对温度,A、B、C、D是常数,根据热敏电阻的特性而各有不同,这些参数由热敏电阻的制造商提供。 热敏电阻一般有一个误差范围,用来规定样品之间的一致性。根据使用的材料不同,误差值通常在1%至10%之间。有些热敏电阻设计成应用时可以互换,用于不能进行现场调节的场合,例如一台仪器,用户或现场工程师只能更换热敏电阻而无法进行校准,这种热敏电阻比普通的精度要高很多,也要贵得多。 图2是利用热敏电阻测量温度的典型电路。电阻R1将热敏电阻的电压拉升到参考电压,一般它与ADC的参考电压一致,因此如果ADC的参考电压是5V,Vref 也将是5V。热敏电阻和电阻串联产生分压,其阻值变化使得节点处的电压也产生变化,该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。

热电阻常用的接线方式及原理

热电阻温度测量原理及常用接线方式 热电阻(如PtIOO )是利用其电阻值随温度的变化而变化这一原理制成的将温度量转换 成电阻量的温度传感器。 温度变送器通过给热电阻施加一已知激励电流测量其两端电压的方 法得到电阻值(电压/电流),再将电阻值转换成温度值,从而实现温度测量。 热电阻和温度变送器之间有三种接线方式:二线制、三线制、四线制。 由于热电阻本身的阻值较小, 随温度变化而引起的电阻变化值更小, 例如,铂电阻在零 度时的阻值R0=100 Q,铜电阻在零度时 R0=100 Qo 因此,在传感器与测量仪器之间的引线 过长会引起较大的测量误差。在实际应用时,通常采用所谓的两线、三线或四线制的方式, 如图所示。 图热电阻的接入方式 在图(a )所示的电路中,电桥输出电压 Vo 为 R r ) 当 R?Rt 、Rr 时, V o [(R t -R r ) 2 式中:Rt 为铂电阻, Rr 为可调电阻,R 为固定电阻,I 为恒流源输出电流值。 1. 二线制 (c )三线制 (d )四线制

二线制的电路如图(b)所示。这是热电阻最简单的接入电路,也是最容易产生较大误差的电路。 图中的两个R是固定电阻。R r是为保持电桥平衡的电位器。二线制的接入电路由于没有 考虑引线电阻和接触电阻,有可能产生较大的误差。如果采用这种电路进行精密温度测量,整个电路必须在使用温度范围内校准。 2.三线制 三线制的电路如图(C)所示。这是热电阻最实用的接入电路,可得到较高的测量精度。 图中的两个R是固定电阻。R是为保持电桥平衡的电位器。三线制的接入电路由于考虑 了引线电阻和接触电阻带来的影响。R11、R12和R l3分别是传感器和驱动电源的引线电阻, 一般说来,R11和R12基本上相等,而R13不引入误差。所以这种接线方式可取得较高的精度。 3.四线制 四线制的电路如图(d)所示。这是热电阻最高精度的接入电路。 图中R ii、R i2、R13和R14都是引线电阻和接触电阻。R ii和R12在恒流源回路,不会引 入误差。R13和R14则在高输入阻抗的仪器放大器的回路中,也不会带来误差。上述三种热电阻传感器的引入电路的输出,都需要后接高输入阻抗、高共模抑制比的仪器放

常用传感器的工作原理及应用

常用传感器的工作原理及应用

3.1.1电阻式传感器的工作原理 应变:物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变:当外力去除后,物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件:具有弹性应变特性的物体 3.1.3电阻应变式传感器 电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。 工作原理:当被测物理量作用于弹性元件上,弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形,产生相应的应变或位移,然后传递给与之相连的应变片,引起应变片的电阻值变化,通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构:应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。 应用:广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。 1.电阻应变效应 ○

电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值相应发生变化,这种现象称为“应变效应”。 2.电阻应变片的结构 基片 b l 电阻丝式敏感栅 金属电阻应变片的结构 4.电阻应变式传感器的应用 (1)应变式力传感器 被测物理量:荷重或力 一

二 主要用途:作为各种电子称与材料试验机的 测力元件、 发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件:柱式、筒式、环式、悬臂式等 (2)应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式 弹性元件。 (3)应变式容器内液体重量传感器 感压膜感受上面液体的压力。 (4)应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。 依据:a =F/m 。 3.2电容式传感器 3.2.1电容式传感器的工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的 平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为 当被测参数变化使得S 、d 或ε发生变化时, 电容量C 也随之变化。 d S C ε=

传感器原理与应用习题_第7章热电式传感器

《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案 教材:传感器技术(第3版)贾伯年主编,及其他参考书 第7章热电式传感器 7-1 热电式传感器有哪几类?它们各有什么特点? 答:热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它可分为两大类:热电阻传感器和热电偶传感器。 热电阻传感器的特点:(1)高温度系数、高电阻率。(2)化学、物理性能稳定。(3)良好的输出特性。(4).良好的工艺性,以便于批量生产、降低成本。 热电偶传感器的特点:(1)结构简单(2)制造方便(3)测温范围宽(4)热惯性小(5)准确度高(6)输出信号便于远传 7-2 常用的热电阻有哪几种?适用范围如何? 答:铂、铜为应用最广的热电阻材料。铂容易提纯,在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定,制成的铂电阻输出-输入特性接近线性,测量精度高。铜在-50~150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定,输出-输入特性接近线性,价格低廉。当温度高于100℃时易被氧化,因此适用于温度较低和没有侵蚀性的介质中工作。 7-3 热敏电阻与热电阻相比较有什么优缺点?用热敏电阻进行线性温度测量时必须注意什么问题? 7-4 利用热电偶测温必须具备哪两个条件? 答:(1)用两种不同材料作热电极(2)热电偶两端的温度不能相同 7-5 什么是中间导体定律和连接导体定律?它们在利用热电偶测温时有什么实际意义? 答:中间导体定律:导体A、B组成的热电偶,当引入第三导体时,只要保持第三导体两端温度相同,则第三导体对回路总热电势无影响。利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表,只要保证两个接点温度一致,就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。 连接导体定律:回路的总电势等于热电偶电势E AB(T,T0)与连接导线电势E A’B’(Tn,T0)的代数和。连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。 7-6 什么是中间温度定律和参考电极定律?它们各有什么实际意义? 答:E AB(T,Tn,T0)=E AB(T,Tn)+E AB(Tn,T0) 这是中间温度定律表达式,即回路的总热电势等于E AB(T,Tn)与E AB(Tn,T0)的代数和。Tn为中间温度。中间温度定律为制定分度表奠定了理论基础。 7-7 镍络-镍硅热电偶测得介质温度800℃,若参考端温度为25℃,问介质的实际温度为多少? 答:t=介质温度+k*参考温度(800+1*25=825) 7-8 热电式传感器除了用来测量温度外,是否还能用来测量其他量?举例说明之。 7-9 实验室备有铂铑-铂热电偶、铂电阻器和半导体热敏电阻器,今欲测量某设备外壳的温度。已知其温度约为300~400℃,要求精度达±2℃,问应选用哪一种?为什么?

传感器分类及常见传感器的应用

机电一体化技术常用传感器及其原理 班级:机械设计制造及其自动化姓名: 学号:

一、传感器的分类 传感器有许多分类方法,但常用的分类方法有两种,一种是按被测物理量来分;另一种是按传感器的工作原理来分。按被测物理量划分的传感器,常见的有:温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。 按工作原理可划分为: 1.电学式传感器 电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器,常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。 电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。 电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量,从而使电容量发生变化的原理制成。主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。 电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。 磁电式传感器是利用电磁感应原理,把被测非电量转换成电量制成。主要用于流量、转速和位移等参数的测量。 电涡流式传感器是利用金屑在磁场中运动切割磁力线,在金属内形成涡流的原理制成。主要用于位移及厚度等参数的测量。 2.磁学式传感器 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的,主要用于位移、转矩等参

数的测量。

3.光电式传感器 光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的,主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。 4.电势型传感器 电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成,主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。 5.电荷传感器 电荷传感器是利用压电效应原理制成的,主要用于力及加速度的测量。 6.半导体传感器 半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成,主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。 7.谐振式传感器 谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成,主要用来测量压力。 8.电化学式传感器 电化学式传感器是以离子导电为基础制成,根据其电特性的形成不同,电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。 另外,根据传感器对信号的检测转换过程,传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出,如光

《传感器原理及应用》课后答案

第1章传感器基础理论思考题与习题答案 什么是传感器(传感器定义) 解: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,通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路组成。 传感器特性在检测系统中起到什么作用 解:传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系,所以它在检测系统中的作用非常重要。通常把传感器的特性分为两种:静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性,它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性,它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 传感器由哪几部分组成说明各部分的作用。 解:传感器通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分组成。其中,敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分,转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分,调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分,如书中图所示。 传感器的性能参数反映了传感器的什么关系静态参数有哪些各种参数代表什么意义动态参数有那些应如何选择 解:在生产过程和科学实验中,要对各种各样的参数进行检测和控制,就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量,这取决于传感器的基本特性,即输出—输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度,迟滞和重复性等。意义略(见书中)。动态参数有最大超调量、延迟时间、上升时间、响应时间等,应根据被测非电量的测量要求进行选择。 某位移传感器,在输入量变化5mm时,输出电压变化为300mV,求其灵敏度。 解:其灵敏度 3 3 30010 60 510 U k X - - ?? === ?? 某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成,各环节的灵敏度为:S1=℃、S2=mV、S3=V,求系统的总的灵敏度。 某线性位移测量仪,当被测位移由变到时,位移测量仪的输出电压由减至,求该仪器的灵敏度。

各种温度传感器分类及其原理.

各种温度传感器分类及其原理 温度传感器是检测温度的器件,其种类最多,应用最广,发展最快。众所周知,日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化, 在此我们暂时介绍最常用的热电阻和热电偶两类产品。 1. 热电偶的工作原理 当有两种不同的导体和半导体 A 和 B 组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为 T ,称为工作端或热端,另一端温度为 TO ,称为自由端 (也称参考端或冷端,则回路中就有电流产生,如图 2-1(a所示,即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个:其一, 当有电流流过两个不同导体的连接处时, 此处便吸收或放出热量 (取决于电流的方向 , 称为珀尔帖效应;其二,当有电流流过存在温度梯度的导体时,导体吸收或放出热量 (取决于电流相对于温度梯度的方向 ,称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势 EAB(T, T0 是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势, 此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势, 此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关, 而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势, 热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时,在断开处 a , b 之间便有一电动势差△ V ,其极性和大小与回路中的热电势一致,如图 2-1(b所示。并规定在冷端,当电流由 A 流向 B 时, 称 A 为正极, B 为负极。实验表明,当△ V 很小时,△ V 与△ T 成正比关系。定义△ V 对△ T 的微分热电势为热电势率, 又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。 2. 热电偶的种类

热电偶传感器习题及答案

第九章热电偶传感器 一、单项选择题 1)正常人的体温为37C,则此时的华氏温度约为______,热力学温度约为______。 A. 32F,100K B. 99F,236K C .99F,310K D. 37F,310K 2)_____的数值越大,热电偶的输出热电势就越大。 A. 热端直径 B. 热端和冷端的温度 C. 热端和冷端的温差 D. 热电极的电导率 3)测量钢水的温度,最好选择______热电偶;测量钢退火炉的温度,最好选择_____热电偶;测量汽轮机高压蒸气(200C左右)的温度,且希望灵敏度高一些,选择______热电偶为宜。 A. R B. B C. S D. K E .E 4)测量CPU散热片的温度应选用______型的热电偶;测量锅炉烟道中的烟气温度,应选用______型的热电偶;测量100m深的岩石钻孔中的温度,应选用______型的热电偶。 A. 普通 B.铠装 C. 薄膜 D. 热电堆 5)在热电偶测温回路中经常使用补偿导线的最主要的目的是______。 A. 补偿热电偶冷端热电势的损失 B. 起冷端温度补偿作用 C. 将热电偶冷端延长到远离高温区的地方 D. 提高灵敏度 二、分析与问答 1、简述热电偶与热电阻的测量原理的异同。 2、设一热电偶工作时产生的热电动势可表示为E AB (t , t ),其中A、B、t、t 各代表什么意义? t 在实际应用时常应为多少? 3、用热电偶测温时,为什么要进行冷端补偿?冷端补偿的方法有哪几种? 三、计算题 1、用一K型热电偶测量温度,已知冷端温度为40℃,用高精度毫伏表测得此时 的热电动势为,求被测的温度大小? 2、用一K型热电偶测钢水温度,形式如图示。已知A、B分别为镍铬、镍硅材料 制成,A`、B`为延长导线。问: 1)满足哪些条件时,此热电偶才能正常工作? 2)A、B开路是否影响装置正常工作?原因? 3)采用A`、B`的好处? 4)若已知t 01=t 02 =40℃,电压表示数为,则钢水温度为多少? 5)此种测温方法的理论依据是什么? 3、试说明下面各图中分别是测量哪些被测温度量? 习题答案:

知识讲解 传感器(原理及典型应用)

传感器(原理及典型应用) 编稿:张金虎审稿:代洪 【学习目标】 1.知道什么是传感器,常见的传感器有哪些。 2.了解一些传感器的工作原理和实际应用。 3.了解传感器的应用模式,能够运用这一模式去理解传感器的实际运用。 4.了解传感器在生活、科技中的运用和发挥的巨大作用。 【要点梳理】 要点一、传感器 1.现代技术中,传感器是指这样一类元件:它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,或转化为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后,就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。 2.传感器原理 传感器感受的通常是非电学量,如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而它输出的通常是电学量,如电压值、电流值、电荷量等,这些输出信号是非常微弱的,通常要经过放大后,再送给控制系统产生各种控制动作。传感器原理如下图所示。 3.传感器的分类 常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的。根据测量目的不同,可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类。 物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质(如电阻、电压、电容、磁场等)发生明显变化的特性制成的,如光电传感器、力学传感器等。 化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成为电学量的敏感元件制成的。 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,生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等,分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等。 要点二、光敏电阻 光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量,一般随光照的增强电阻值减小。 要点诠释:光敏电阻是用半导体材料制成的,硫化镉在无光时,载流子(导电电荷)极少,导电性能不好,随着光照的增强,载流子增多,导电性能变好。 要点三、热敏电阻和金属热电阻 1.热敏电阻 热敏电阻用半导体材料制成,其电阻值随温度变化明显。如图为某一热敏电阻的电阻—温度特性曲线。

pt100温度传感器原理

pt100温度传感器原理 PT100是一个温度传感器,是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在-200℃至650℃的范围. 电阻式温度检测器(RTD,Resistance Temperature Detector)是一种物质材料作成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟著上升就称为正电阻係数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大部分电阻式温度检测器是以金属作成的,其中以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,最为稳定-耐酸碱、不会变质、相当线性...,最受工业界采用。 PT100温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下:R=Ro(1+αT)其中α=0.00392,Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为摄氏温度
因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。 1:V o=2.55mA ×100(1+0.00392T)=0.255+T/1000 。 2:量测V o时,不可分出任何电流,否则量测值会不準。电路分析由于一般电源供应较多零件之后,电源是带杂讯的,因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件,由于7.2V齐纳二极体的作用,使得1K电阻和5K可变电阻之电压和为6.5V,靠5K可变电阻的调整可决定电晶体的射(集极)极电流,而我们须将集极电流调为 2.55mA,使得量测电压V如箭头所示为0.255+T/1000。其后的非反向放大器,输入电阻几乎无限大,同时又放大10倍,使得运算放大器输出为2.55+T/100。6V齐纳二极体的作用如7.2V 齐纳二极体的作用,我们利用它调出 2.55V,因此电压追随器的输出电压V1亦为 2.55V。其后差动放大器之输出为

热电阻传感器

热电传感器 热电阻传感器的介绍 专业:生物医学工程 班级:生物1201 组员:刘少杰刘小斌日期:2015.9.18

新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外,现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。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。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。用于测量-200℃~+500℃范围内的温度。 温度测量系统应用广泛,涉及到各行各业的各个方面,在各种不同的领域中都占有重要的位置。从降低开放成本扩大适用范围、系统运行的稳定性、可靠性出发,设计一种以Pt100铂热电阻为温度信号采集元件的传感器温度测量系统。才测量系统不但可以测量室内的温度,还可以测量液体等的温度,在实际应用中,该系统运行稳定、可靠,电路设计简单实用。热电阻传感器工作原理 在金属中,载流子为自由电子,当温度升高时,虽然自由电子数目基本不变(当温度变化范围不是很大时),但每个自由电子的动能将增加,因而在一定的电场作用下,要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力,导致金属电阻值随温度的升高而增加。热电阻就要是利用电阻随温度升高而增大这一特性来测量温度的。 热敏电阻是一种新型的半导体测温元件。半导体中参加导电的是载流子,由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子数目少得多,所以它的电阻率大。随温度的升高,半导体中更多的价电子受热激发跃迁到较高能级而产生新的电子—空穴对,因而参加到电的载流子数目增加了,半导体的电阻率也就降低了(电导率增加)。因为载流子数目随温度上升按指数规律增加,所以半导体的电阻率也就随温度上升按指数规律下降。热敏电阻正是利用半导体这种载流子数随温度变化而变化的特性制成的一种温度敏感元件。当温度变化1℃时,某些半导体热敏电阻的阻值变化将达到

最新传感器原理及应用试题库

一:填空题(每空1分) 1 1.依据传感器的工作原理,传感器分敏感元件,转换元2 件,测量电路三个部分组成。 3 2.半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。4 3.光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件,根据光电效应5 可以分为外光电效应,内光电效应,热释电效应三种。 6 4.光电流与暗电流之差称为光电流。 7 5.光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区域内。 8 6.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应,可采用直线栅式9 应变计和箔式应变计结构。 10 7.反射式光纤位移传感器在位移-输出曲线的前坡区呈线性关系,在11 后坡区与距离的平方成反比关系。 12 8.根据热敏电阻的三种类型,其中临界温度系数型最适合开关型温13 度传感器。 14 9.画出达林顿光电三极管内部接线方式: U C E 15 10.灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。其定16 义为:传感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比,用公17 式表示 k(x)=Δy/Δx 。 18 11.线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特19

性的一种度量。按照所依据的基准之线的不同,线性度分为理论线性度、20 端基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。最常用的是最21 小二乘法线性度。 22 12.根据敏感元件材料的不同,将应变计分为金属式和半导体23 式两大类。 24 13.利用热效应的光电传感器包含光---热、热---电两个阶段的信25 息变换过程。 26 14.应变传感器设计过程中,通常需要考虑温度补偿,温度补偿的方法27 电桥补偿法、计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。 28 15.应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。 29 16.传感器的静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度界限、迟滞差和稳30 定性。 31 17.在光照射下,电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效32 应,入射光强改变物质导电率的物理现象称为内光电效应。 33 18.光电管是一个装有光电阴极和阳极的真空玻璃管。 34 19.光电管的频率响应是指一定频率的调制光照射时光电输出的电流随35 频率变化的关系,与其物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有36 关。多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为Sr(f)=Sr。/(1+4π2f2τ2) 37 20.内光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。 38 21.国家标准GB 7665--87对传感器下的定义是:能够感受规定的被测39 量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和40 转换元件组成。 41

温度传感器原理

一、温度传感器热电阻的应用原理 温度传感器热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高,性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的,它不仅广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪。 1.温度传感器热电阻测温原理及材料 温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外,现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。 2.温度传感器热电阻的结构 (1)精通型温度传感器热电阻工业常用温度传感器热电阻感温元件(电阻体)的结构及特点见表2-1-11。从温度传感器热电阻的测温原理可知,被测温度的变化是直接通过温度传感器热电阻阻值的变化来测量的,因此,温度传感器热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制,有关具体内容参见本篇第三章第一节. (2)铠装温度传感器热电阻铠装温度传感器热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体,如图2-1-7所示,它的外径一般为φ2~φ8m m,最小可达φmm。 与普通型温度传感器热电阻相比,它有下列优点:①体积小,内部无空气隙,热惯性上,测量滞后小;②机械性能好、耐振,抗冲击;③能弯曲,便于安装④使用寿命长。 (3)端面温度传感器热电阻端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制,紧贴在温度计端面,其结构如图2-1-8所示。它与一般

轴向温度传感器热电阻相比,能更正确和快速地反映被测端面的实际温度,适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。 (4)隔爆型温度传感器热电阻隔爆型温度传感器热电阻通过特殊结构的接线盒,把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内,生产现场不会引超爆炸。隔爆型温度传感器热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。 3.温度传感器热电阻测温系统的组成 温度传感器热电阻测温系统一般由温度传感器热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点: ①温度传感器热电阻和显示仪表的分度号必须一致 ②为了消除连接导线电阻变化的影响,必须采用三线制接法。具体内容参见本篇第三章。 (2)铠装温度传感器热电阻铠装温度传感器热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体,如图2-1-7所示,它的外径一般为φ2~φ8mm,最小可达φmm。与普通型温度传感器热电阻相比,它有下列优点:①体积小,内部无空气隙,热惯性上,测量滞后小;②机械性能好、耐振,抗冲击,③能弯曲,便于安装④使用寿命长。 (3)端面温度传感器热电阻端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制,紧贴在温度计端面,其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向温度传感器热电阻相比,能更正确和快速地反映被测端面的实际温度,适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。 (4)隔爆型温度传感器热电阻隔爆型温度传感器热电阻通过特殊结构的接线盒,把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影电阻体的

传感器的应用论文

传感器的应用 高二(11)陈远杰 指导老师: 【关键字】传感器原理应用 【摘要】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”。 1传感器及其工作原理 1.1什么是传感器 1.1.1传感器的定义 英文名称:transducer / sensor 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”。 1.2功能 常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟: 光敏传感器——视觉 声敏传感器——听觉 气敏传感器——嗅觉 化学传感器——味觉 压敏、温敏、流体传感器——触觉 1.2.1敏感元件的分类: ①物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。 ②化学类,基于化学反应的原理。 ③生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类(还有人曾将敏感元件分46类)。 1.2.2常见的元件 光敏电阻 光敏电阻又称光导管,常用的制作材料为硫化镉,另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下,其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电,在外加电场的作用下作漂移运动,电子奔向电源的正极,空穴奔向电源的负极,从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。 热敏电阻和金属热电阻 除了光照以外,温度也能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能。 金属的电阻率随温度的升高而增大。用金属丝可以制作温度传感器,称为热电阻。常用的一种热电阻是用铂制作的。与金属不同,有些半导体在温度上升时导电能力增强,因此可以用半导体材料制作热敏电阻。有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的,它的电阻随温度的变化非常明显。与热敏电阻相比,金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度较差。 霍尔元件 详见人教版高中物理选修3-2 2传感器的应用 传感器输出的电信号相当微弱,难以带动执行机构去控制动作,因此要把这个电信号放大。如果需要远距离传送,可能还要把它转换成其他电信号一抵御外界干扰。 从传感器获得信号后,可以用指针式电表或液晶板等显示测量的数据;也可以用来驱动继电器或其他元件,来执行诸如打开管道的阀门,开通或关闭电动机等动作;还可以由计算机对获得的数据进行处理,发出更复杂的指令。 2.1 常见传感器的应用 2.1.1 力传感器的应用——电子称 我们经常见到的电子称,小的用来称量食物的重量,大的可以称量汽车、火车的重量。它所使用的测力装置是力传感器。常用的一种力传感器是由金属梁

传感器原理及应用习题答案(完整版)

2-4、现有栅长为3mm 和5mm 两种丝式应变计,其横向效应系数分别为5%和3%,欲用来测量泊松比μ=的铝合金构件在单向应力状态下的应力分布(其应力分布梯度较大)。试问:应选用哪一种应变计为什么 答:应选用栅长为5mm 的应变计。由公式ρρ εμd R dR x + +=)21(和[]x m x K C R dR εεμμ=-++=)21()21(知应力大小是通过测量 应变片电阻的变化率来实现的。电阻的变化率主要由受力后金属丝几何尺寸变化所致部分(相对较大)加上电阻率随应变而变的部分(相对较小)。一般金属μ≈,因此(1+2μ)≈;后部分为电阻率随应变而变的部分。以康铜为例,C ≈1,C(1-2μ)≈,所以此时K0=Km ≈。显然,金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。从结构尺寸看,栅长为5mm 的丝式应变计比栅长为3mm 的应变计在相同力的作用下,引起的电阻变化大。 2-5、现选用丝栅长10mm 的应变计检测弹性模量E=2×1011N/m 2、密度ρ=cm 3的钢构件承受谐振力作用下的应变,要求测量精度不低于%。试确定构件的最大应变频率限。 答:机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过一定厚度的基底、胶层(两者都很薄,可忽略不计)和栅长l 而 为应变计所响应时,就会有时间的迟后。应变计的这种响应迟后对动态(高频)应变测量,尤会产生误差。由][]e l v f e l l 66max max ππλ<= <或式中v 为声波在钢 构件中传播的速度; 又知道声波在该钢构件中的传播速度为: kg m m N E 336211108.710/102--????= = ρ ν; s m kg s m Kg /10585.18.7/8.91024228?=???=; 可算得kHz m s m e l v f 112%5.061010/10585.1||63 4max =???= = -π 。 2-6、为什么常用等强度悬臂梁作为应变式传感器的力敏元件 现用一等强度梁:有效长l =150mm ,固支处宽b=18mm ,厚h=5mm ,弹性模量E=2×105N/mm 2,贴上4片等阻值、K=2的电阻应变计,并接入四等臂差动电桥构成称重传感器。试问: 1)悬臂梁上如何布片又如何接桥为什么 2)当输入电压为3V ,有输出电压为2mV 时的称重量为多少 答:当力F 作用在弹性臂梁自由端时,悬臂梁产生变形,在梁的上、下表面对称位置上应变大小相当,极性相反,若分别粘贴应变片R 1 、 R 4 和R 2 、R 3 ,并接成差动电桥,则电桥输出电压U o 与力F 成正比。等强度悬臂梁的应变E h b Fl x 206= ε不随应变片粘贴位置变化。 1)、悬臂梁上布片如图2-20a 所示。接桥方式如图2-20b 所示。这样当梁上受力时,R1、R4受拉伸力作用,阻值增大,R2、R3受压,阻值减小,使差动输出电压成倍变化。可提高灵敏度。 2)、当输入电压为3V ,有输出电压为2mV 时的称重量为: 计算如下: 由公式: o i i x i o U KlU E bh F E h b Fl K U K U U 66220=?==ε代入各参数算F =; 1牛顿=千克力;所以,F=。此处注意:F=m*g ;即力=质量*重力加速度;1N=1Kg*s 2.力的单位是牛顿(N )和质量的单位是Kg ;所以称得的重量应该是。 ; 2-7、何谓压阻效应扩散硅压阻式传感器与贴片型电阻应变式传感器相比有什么优点,有什么缺点如何克服 答:“压阻效应”是指半导体材料(锗和硅)的电阻率随作用应力的变化而变化的现象。 优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小,灵敏系数极大,因而输出也大,可以不需放大器直接与记录仪器连接,使得测量系统简化。 缺点是电阻值和灵敏系数随温度稳定性差,测量较大应变时非线性严重;灵敏系数随受拉或压而变,且分散度大,一般在(3-5)%之间,因而使得测量结果有(±3-5)%的误差。 压阻式传感器广泛采用全等臂差动桥路来提高输出灵敏度,又部分地消除阻值随温度而变化的影响。 2-8 、一应变片的电阻R=120Ω,k=,用作应变片为800μm/m 的传感元件。

第九章热电偶传感器习题及答案

1、简述热电偶与热电阻的测量原理的异同。 答:(1). 相同点:都能测温度且只能直接测温度量 (2). 不同点:热电阻传感器原理为阻值大小变化对应温度变化,而热电偶传感器为热电动势大小变化对应温度变化 2、设一热电偶工作时产生的热电动势可表示为E AB(t , t0),其中A、B、t、t0各代 表什么意义?t0在实际应用时常应为多少? 答:A、B——两热电极 T——热端温度,即被测温度 t0————冷端温度 t0常应为0℃ 3、用热电偶测温时,为什么要进行冷端补偿?冷端补偿的方法有哪几种? 答:因工作现场常常缺乏使热电偶传感器的冷端保持在0℃的条件 4、热电偶在使用时为什么要连接补偿导线? 答:因为在使用热电偶测温时,必须将热电偶的参考端温度保持恒定,但在现场使用时,热电偶参考端往往处于高温热源附近,必须将它远离热源,移动到温度较为稳定的场所,又因补偿导线在规定使用温度范围内具为与热电偶相同的温度—热电势关系,因而它可以起到延长热电偶的作用,所以热电偶在使用时要连接补偿导线 5、什么叫测温仪表的准确度等级? 答:测温仪表的准确度等级是指测温仪表准确度的数字部分,也就是仪表的准确度去掉百分号。 6、什么是热电偶? 答:热电偶是通过测量电势从而测量温度的一种感温元件,是由两种不同成分的导体焊接在一起构成的。当两端温度不同时,在回路中就会有热电势产生,将温度信号转变为电信号,再由显示仪表显示出来。 7、为什么要进行周期检定? 答:各种计量器具由于在频繁的使用中会发生变化和磨损,失去原有的精度,从而影响量值的准确性。为使测量的数据准确,必须对各种计量器具进行周期检定。

8、利用热电偶测温具有什么特点? 答:测量精度高;结构简单;动态响应快;可作远距离测量;测量范围广。 计算题 1、用一K型热电偶测量温度,已知冷端温度为40℃,用高精度毫伏表测得此时的热电动势为29.186mV,求被测的温度大小? 1、E AB(t0,t)= E AB(t0,t n)+ E AB(t n,t) 即E AB(0,t)= E AB(0,40℃)+ E AB(40℃,t)查表,得: E AB(0,40℃)=1.612 所以:E AB(0,t)=1.612+29.186=30.798(mV) 查表,得t=740℃ 2、用一K型热电偶测钢水温度,形式如图示。已知A、B分别为镍铬、镍硅材料制成,A`、B`为延长导线。问: 1)满足哪些条件时,此热电偶才能正常工作? t01=t02,t n1=t n2 2)A、B开路是否影响装置正常工作?原因? 不影响。因钢水导电且温度处处相同。 3)采用A`、B`的好处?为了使冷端远离高温区,降低测量成本 4)若已知t01=t02=40℃,电压表示数为37.702mV,则钢水温度为多少? 由E AB(t,t0)= E AB(t,t n)+ E AB(t n,t0)得: E AB(t,t0)=1.612+37.702=39.314(mV) 查表得t=950℃ 5)此种测温方法的理论依据是什么?中间温度定律

关于应变式传感器的应用

关于应变式传感器的应用 一、电阻应变片的结构及工作原理: 1、应变片基本结构:电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。其中,敏感栅是应变片的核心部分,它是用直径约为0.025mm的具有高电阻率的电阻丝制成的,为了获得高的电阻值,电阻丝排列成栅网状,故称为敏感栅。将敏感栅粘贴在绝缘的基片上,两端焊接引出导线,其上再粘贴上保护用的覆盖层,即可构成电阻丝应变片。 2、电阻应变片是能将被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。它是基于电阻应变效应而制成的。即导体、半导体材料在外力作用下发生机械形变,导致其电阻值发生变化的物理现象称为电阻应变效应。 3、应变片类型有:应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。金属丝式应变片,金属箔式应变片,金属薄膜应变片,半导体应变片。 二、应变式传感器应用: 1.应变式测力与荷重传感器;⑴柱式力传感器;⑵梁式力传感器。 2、电阻应变式侧力传感器在功率测定方面的应用就是这种例子2,测功机广泛应用于使用中的汽车、拖拉机、飞机、船舶、工程机械、矿山机械的实际抢出功率和工作效率的在线检测, 它为设备优化设计和质检提供可亦的数据。以前的测功机采用机械刻度盘式, 目前正逐渐被带徽机的数显式测功机所取代。功率测定对于确定新设计的动力机械的工作能力、能源消耗、效率、使用寿命及安全性能等都是一个极为重要的特性参数, 对老设备进行技术改造也需要进行功率测定。功率测定的首要问题是选择合适的测力传感器, 这种传感器既要满足一定的技术指标, 又要满足设备的结构尺寸要求。例如, SL型传感器就是为改造小功率柴油机测功设备而专门研制的。现在,电阻应变式测力传感器在柴油机生产等行业得到广泛应用, 为提高内燃机的品质、降低能耗起到重要的作用。 2、能源计量能源在贸易和使用中精确的计量是十分必要的。原来的计量器具都是机械式的, 存在称量慢、精度低、操作维修不方便等缺陷。目前由于传感器技术的飞速发展, 各种电子计量器具应用已十分普迫。如对煤等固体然料进行计量的器具有:电子皮带秤、电子汽车衡、电子轨道衡、电厂用的实物校验装置、抓斗秤等, 而液体状的油类燃料可用电子容器秤。这些电子秤的核心元件就是电阻应变式称重传感器。例如电子汽车衡就是由秤台、四只或六只传感器、传力机构、智能仪表及打印机等组成的。为了满足科学研究工作的需要,

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