传感器技术 第8讲 生物传感器.ppt

第8章 生物传感器v8.1 生物传感器v一、 概述v1. 生物传感器及其分类v 生物传感器是利用各种生物或生物物质做 成的，用以检测与识别生物体内的化学成份 的传感器v 生物或生物物质是指酶、微生物、抗体等 ，它们的高分子具有特殊的性能，能精确地 识别特定的原子和分子 v 生物传感器一般是在基础传感器上再耦合 一个生物敏感膜，也就是说生物传感器是半 导体技术与生物工程技术的结合，是一种新 型的器件v 溶液中被测定的物质，经扩散作用进入生 物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应 v 其所产生的信息可通过相应的化学或物理 换能器转变成可定量和可显示的电信号，就 可知道被测物质的浓度 v2. 分子识别功能及信号转换v 表1列出了具有分子识别能力的主要生物 物质v 生物传感器的信号转换方式主要有以下几 种：v（１）化学变化转换为电信号方式；v（２）热变化转换为电信号方式；v（３）光变化转换为电信号方式； v（４）直接诱导电信号方式 表1 具有分子识别功能的生物物质生物物质被识别的分子酶底物，底物类似物 抑制剂 辅酶抗体抗原，抗原类似物结合蛋白质维生素H ,维生素A等植物凝血素糖链，具有糖链的分子或 细胞 激素受体激素v3. 生物物质的固定化技术v 生物传感器的关键技术之一是如何使生物敏感 物质附着于膜上或包含于膜之中,在技术上称为固定 化。

v（1）化学固定法v 化学固定法是在感受体与载体之间、或感受体 相互之间至少形成一个共价键，能将感受体的活性 高度稳定地固定v（2）物理固定法v 物理固定法是感受体与载体之间、或感受体相 互之间，根据物理作用即吸附或包裹进行固定 v二、 生物传感器的工作原理及结构v1. 酶传感器 v 酶传感器的基本原理是用电化学装置检测 酶在催化反应中生成或消耗的物质（电极活 性物质），将其变换成电信号输出v 固定化酶传感器是由Pt阳极和Ag阴极组 成的极谱记录式H2O2电极与固定化酶膜构成 的v 它是通过电化学装置测定由酶反应生成或 消耗的离子，通过电化学方法测定电极活性 物质的数量，以测定被测成分的浓度 v2. 葡萄糖传感器 v 测定血液和尿中葡萄糖浓度对糖尿病患者 做临床检查是很必要的v 现已研究出对葡萄糖氧化反应起一种特异 催化作用的酶—葡萄糖氧化酶（GOD），并 研究出用它来测定葡萄糖浓度的葡萄糖传感 器，如图1所示 图1 葡萄糖酶传感器 v3. 微生物传感器 v 酶传感器是利用单一的酶，而微生物传感 器是利用多种酶有关的高度机能的综合即复 合酶。

v 也就是说，微生物的种类是非常多的，菌 体中的复合酶、能量再生系统、辅助酶再生 系统、微生物的呼吸及新陈代谢为代表的全 部生理机能都可以加以利用v 因此，用微生物代替酶，有可能获得具有 复杂及高功能的生物传感器v 微生物传感器是由固定化微生物膜及电化 学装置组成，如图2所示微生物膜的固定化 法与酶的固定方式相同v 由于微生物有好气（O2）性与厌气（O2 ）性之分（也称好氧反应与厌氧反应），所 以传感器也根据这一物性而有所区别v 好气性微生物传感器将微生物呼吸量转化 为电流值来测定v 厌气性微生物传感器，利用CO2电极或离 子选择电极测定代谢产物 微生物 固定化 膜封闭式 氧电极 或CO2 电极被 测 物 质氧消耗 变化( 呼吸机 能)电 信 号图2 微生物传感器基本结构(a)图微生物 固定化 膜电化学 敏感电极被 测 物 质新陈代 谢变化 (代谢 机能)电 信 号图2 微生物传感器基本结构(b)图v4. 免疫传感器 v 抗原是能够刺激动物机体产生免疫反应的 物质抗体是由抗原刺激机体产生的具有特 异免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。

v 免疫传感器是利用抗体对抗原结合功能研 制成功的，如图3所示v 抗原与抗体一经固定于膜上，就形成具有 识别免疫反应强烈的分子功能性膜v 根据抗体膜的膜电位的变化，就可测定抗 原的吸附量 图3 免疫传感器结构原理 v5. 半导体生物传感器v 半导体生物传感器是由半导体传感器与生 物分子功能膜、识别器件所组成v 通常用的半导体器件是酶光电二极管和酶 场效应管（FET），如图4和图5所示因此 ，半导体生物传感器又称生物场效应晶体管 （BiFET）v 最初是将酶和抗体物质（抗原或抗体）加 以固定制成功能膜，并把它紧贴于FET的栅 极绝缘膜上，构成BiFET ，现已研制出酶 FET、尿素FET、抗体FET及青霉素FET等图4 酶光电二极管 图5 酶场效应管 v6. 多功能生物传感器 v 要求传感器能象细胞检测味道一样能分辨 任何形式的多种成分的物质，同时测量多种 化学物质，具有这样功能的传感器称为多功 能传感器v 实现这种技术的前提是各亲和物质的固定 化方法 v 目前按电子学方法论进行生物电子学的种 种尝试，这种新进展称为第三代产品。

8.2 机器人传感器v8.2 机器人传感器v一、 机器人与传感器v 机器人可以被定义为计算机控制的能模拟 人的感觉、手工操纵，具有自动行走能力而 又足以完成有效工作的装置v 按照其功能，机器人已经发展到了第三代 ，而传感器在机器人的发展过程中起着举足 轻重的作用v 机器人传感器可以定义为一种能将机器人 目标物特性（或参量）变换为电量输出的装 置被称为机器人的电五官 v二、 机器人传感器的分类v 内部检测传感器是以机器人本身的坐标轴 来确定其位置，它通常由位置、加速度、速 度及压力传感器组成v 外界检测传感器用于机器人对周围环境、 目标物的状态特征获取信息，从而使机器人 对环境有自校正和自适应能力v 外界检测传感器通常包括触觉、接近觉、 视觉、听觉、嗅觉、味觉等传感器v三、 触觉传感器v1. 人的皮肤的感觉v 皮肤内分布着多种感受器，能产生多种感 觉一般认为皮肤感觉主要有四种，即触觉 、冷觉、温觉和痛觉v２. 机器人的触觉v 机器人触觉，实际上是人的触觉的某些模 仿它是有关机器人和对象物之间直接接触 的感觉，包括的内容较多，通常指以下几种 ： v（1）触觉。

手指与被测物是否接触，接触图 形的检测v（2）压觉垂直于机器人和对象物接触面上 的力传感器v（3）力觉机器人动作时各自由度的力感觉 v（4）滑觉物体向着垂直于手指把握面的方 向移动或变形 v 机器人的触觉主要有两方面的功能：v（1）检测功能v 对操作物进行物理性质检测，如光滑性、 硬度等，其目的是：v 感知危险状态，实施自我保护；v 灵活地控制手爪及关节以操作对象物；v 使操作具有适应性和顺从性v（2）识别功能v 识别对象物的形状（如识别接触到的表面 形状） v 人们进行了所谓“人工皮肤”的研究这种“ 皮肤”实际上也是一种由单个触觉传感器按一 定形状（如矩阵）组合在一起的阵列式触觉 传感器，如图所示其密度较大、体积较小 、精度较高v “人工皮肤”传感器可用于表面形状和表面 特性的检测 图 阵列式触觉传感器 v 压觉指的是对于手指给予被测物的力，或 者加在手指上的外力的感觉v 目前，压觉传感器主要是分布型压觉传感 器，即通过把分散敏感元件阵列排列成矩阵 式格子来设计成的v 导电橡胶、感应高分子、应变计、光电器 件和霍尔元件常被用作敏感元件单元。

v 力觉传感器的作用有：感知是否夹起了工 件或是否夹持在正确部位；控制装配、打磨 、研磨抛光的质量；装配中提供信息，以产 生后续的修正补偿运动来保证装配的质量和 速度；防止碰撞、卡死和损坏机件v 用于力觉传感器的主要有应变式、压电式 、电容式、光电式和电磁式等 v 机器人要抓住属性未知的物体时，必须确 定自己最适当的握力目标值，因此需检测出 握力不够时所产生的物体滑动v 利用这一信号，在不损坏物体的情况下， 牢牢抓住物体，为此目的设计的滑动检测器 ，叫做滑觉传感器v 如图所示为一种球形滑觉传感器v 球与被握物体相接触，无论滑动方向如何 ，只要球一转动，传感器就会产生脉冲输出 球 形 滑 觉 传 感 器 图v四、 接近觉传感器v 接近觉是机器人能感知相距几毫米至几十厘米 内对象物或障碍物的距离、对象物的表面性质等的 传感器v 其目的是在接触对象前得到必要的信息，以便 后续动作v1. 电磁式v 如图所示，加有高频信号is的励磁线圈 L产生的 高频电磁场作用于金属板，在其中产生涡流，该涡 流反作用于线圈。

v 通过检测线圈的输出可反映出传感器与被接近 金属间的距离 检测线圈~励磁线圈L金属面涡流磁束图 电磁式接近传感器 isv2. 电容式v 利用电容量的变化产生接近觉v 电容接近觉传感器如图所示v 其本身作为一个极板，被接近物作为另一 个极板v 将该电容接入电桥电路或RC振荡电路， 利用电容极板距离的变化产生电容的变化， 可检测出与被接近物的距离v 电容式接近觉传感器具有对物体的颜色、 构造和表面都不敏感且实时性好的优点 图 电容接近觉传感器 v3. 超声波式、红外线式、光电式v 超声波式接近传感器适于较长距离和较大 物体的探测，一般把它用于机器人的路径探 测和躲避障碍物v 红外线式接近传感器可以探测到机器人是 否靠近人或其他热源，用于保护和改变机器 人行走路径v 光电式接近传感器的应答性好，维修方便 ，目前应用较广，但使用环境受到一定的限 制（如对象物体颜色、粗糙度、环境亮度等 ） v五、 视觉传感器v1. 人的视觉v 人的眼睛是由含有感光细胞的视网膜和作 为附属结构的折光系统等部分组成。

v 人眼的适宜刺激波长是370~740nm的电 磁波v 在这个可见光谱的范围内，人脑通过接收 来自视网膜的传入信息，可以分辨出视网膜 像的不同亮度和色泽，因而可以看清视野内 发光物体或反光物体的轮廓、形状、颜色、 大小、远近和表面细节等情况 v 人眼视网膜上有两种感光细胞，视锥细胞 主要感受白天的景象，视杆细胞感受夜间景 象v 人的视锥细胞大约有700多万个，是听觉 细胞的3000多万倍 v2. 机器人视觉v 机器人的视觉系统通常是利用光电传感器 构成的v 机器人的视觉作用的过程如图所示 三维 实物 （立体）二维 图像 （平面）景象 描述传感器图像 处理图 视觉作用过程 v 机器人视觉系统要能达到实用，至少要满 足以下几方面的要求v 首先是实时性，v 其次是可靠性，v 再次是要求有柔性，v 最后是价格适中 v 在空间中判断物体的位置和形状一般需要 两类信息：距离信息和明暗信息v 获得距离信息的方法可以有超声波、激光 反射法、立体摄像法等v 而明暗信息主要靠电视摄像机、CCD固 态摄像机来获得。

v3. 视觉传感器v（1）人工网膜v 人工网膜是用光电管阵列代替网膜感受光 信号其最简单的形式是3×3的光电管矩阵， 多的可达256×256个像素的阵列甚至更高v 以3×3阵列为例数字字符1，得到的正 、负像如图9-23所示，大写字母字符I ，所得 正、负像如图。