傳感器設(shè)計(jì)及制作第一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體氣體傳感器工作原理半導(dǎo)體氣體傳感器是采用金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料做成的元件，與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起以載流子運(yùn)動(dòng)為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化。這些都是由材料的半導(dǎo)體性質(zhì)決定的。自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問(wèn)世以來(lái)，半導(dǎo)體氣體傳感器已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用最普遍、最具有實(shí)用價(jià)值的一類(lèi)氣體傳感器，根據(jù)其氣敏機(jī)制可以分為電阻式和非電阻式兩種。第二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體氣敏傳感器圖中EH為加熱電源，EC為測(cè)量電源，電阻中氣敏電阻值的變化引起電路中電流的變化，輸出電壓（信號(hào)電壓）由電阻Ro上取出。圖10-1輸出電壓與溫度關(guān)系第三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體氣體傳感器分類(lèi)電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器主要是指半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，是一種用金屬氧化物薄膜(例如：Sn02，ZnO，F(xiàn)e203，Ti02等)制成的阻抗器件，其電阻隨著氣體含量不同而變化。氣味分子在薄膜表面進(jìn)行還原反應(yīng)以引起傳感器傳導(dǎo)率的變化。為了消除氣味分子還必須發(fā)生一次氧化反應(yīng)。傳感器內(nèi)的加熱器有助于氧化反應(yīng)進(jìn)程。它具有成本低廉、制造簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、對(duì)濕度敏感低和電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是MOS二極管式和結(jié)型二極管式以及場(chǎng)效應(yīng)管式(MOSFET)半導(dǎo)體氣體傳感器。其電流或電壓隨著氣體含量而變化，主要檢測(cè)氫和硅燒氣等可燃性氣體。其中，MOSFET氣體傳感器工作原理是揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)與催化金屬(如鈕)接觸發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散到MOSFET的柵極，改變了器件的性能。通過(guò)分析器件性能的變化而識(shí)別VOC。通過(guò)改變催化金屬的種類(lèi)和膜厚可優(yōu)化靈敏度和選擇性，并可改變工作溫度。MOSFET氣體傳感器靈敏度高，但制作工藝比較復(fù)雜，成本高。第四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日近紅外光近紅外光（NearInfrared，NIR）是介于可見(jiàn)光（VIS）和中紅外光（MIR）之間的電磁波，ASTM定義的近紅外光譜區(qū)的波長(zhǎng)范圍為780~2526nm，習(xí)慣上又將近紅外區(qū)分為近紅外短波（780~1100nm）和近紅外長(zhǎng)波（1100~2526nm）兩個(gè)區(qū)域。第五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日近紅外光譜分析原理近紅外光譜主要是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，記錄的主要是含氫基團(tuán)X-H（X=C、N、O）振動(dòng)的倍頻和合頻吸收。不同基團(tuán)（如甲基、亞甲基、苯環(huán)等）或同一基團(tuán)在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長(zhǎng)與強(qiáng)度都有明顯差別，NIR光譜具有豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，非常適合用于碳?xì)溆袡C(jī)物質(zhì)的組成與性質(zhì)的測(cè)量。第六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日近紅外傳感器檢測(cè)原理利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。紅外線又稱(chēng)紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。第七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日近紅外傳感器檢測(cè)原理紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路。光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分為透射式和反射式兩類(lèi)。檢測(cè)元件按工作原理可分為熱敏檢測(cè)元件和光電檢測(cè)元件。熱敏元件應(yīng)用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。光電檢測(cè)元件常用的是光敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料制成。第八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日近紅外傳感器檢測(cè)原理紅外線傳感器常用于無(wú)接觸溫度測(cè)量，氣體成分分析和無(wú)損探傷，在醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用紅外線傳感器遠(yuǎn)距離測(cè)量人體表面溫度的熱像圖，可以發(fā)現(xiàn)溫度異常的部位，及時(shí)對(duì)疾病進(jìn)行診斷治療（見(jiàn)熱像儀）；利用人造衛(wèi)星上的紅外線傳感器對(duì)地球云層進(jìn)行監(jiān)視，可實(shí)現(xiàn)大范圍的天氣預(yù)報(bào)；采用紅外線傳感器可檢測(cè)飛機(jī)上正在運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)熱情況等。第九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日透射光譜法

反射光譜法近紅外光譜的常規(guī)分析方法第十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日定性分析定量分析近紅外光譜分析技術(shù)第十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日按分光系統(tǒng)分類(lèi)固定波長(zhǎng)濾光片型光柵色散型快速傅立葉變換型聲光可調(diào)濾光器陣列檢測(cè)型近紅外光譜分析儀器第十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日食品酒制品、飲料、調(diào)味品、乳制品、食用油、烘焙食品、肉類(lèi)等成分鑒別、產(chǎn)地鑒別、真?zhèn)舞b別農(nóng)牧谷類(lèi)作物、煙草、咖啡、水果、蔬菜、茶葉等成分鑒別、成熟度、品質(zhì)分級(jí)、品種鑒定、產(chǎn)地鑒別、真?zhèn)舞b別石油煉制原油、天然氣、汽油等成分鑒別、重整近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用第十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日優(yōu)點(diǎn)：（1）快速，通常30秒內(nèi)就可給出分析結(jié)果，可進(jìn)行在線分析；（2）制樣簡(jiǎn)單；（3）信息量大，可同時(shí)測(cè)定多組分；（4）經(jīng)定標(biāo)建模后，無(wú)須用其他常規(guī)化學(xué)分析手段，不使用有毒有機(jī)試劑，無(wú)污染；（5）非破壞性分析，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的無(wú)損質(zhì)量檢測(cè)；（6）可使用光纖，從而可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分析檢測(cè)。缺點(diǎn)：（1）建立模型需要大量有代表性且化學(xué)值已知的樣品；（2）模型需要不斷的維護(hù)改進(jìn)；（3）近紅外測(cè)定精度與參比分析精度直接相關(guān)，在參比方法精度不夠的情況下，無(wú)法得到滿意結(jié)果。

近紅外光譜分析技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)第十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日透射光譜法透射光譜法就是把待測(cè)樣品置于作用光與檢測(cè)器之間，檢測(cè)器所檢測(cè)到的分析光是作用光通過(guò)樣品體與樣品分子相互作用后的光，若樣品是透明的真溶液，則分析光在樣品中經(jīng)過(guò)的路程一定，透射光的強(qiáng)度與樣品組分濃度由比耳定律決定。第十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日反射光譜法反射光譜分析時(shí)，檢測(cè)器與光源置于待測(cè)樣品的同一側(cè)，檢測(cè)器檢測(cè)到的分析光是光源發(fā)出的作用光投射到物體后，以各種方式反射回來(lái)的光。物體對(duì)光的反射分為規(guī)則反射光（鏡面反射）與漫反射。規(guī)則反射光指在物體表面按入射角等于反射角的反射定律發(fā)生的反射。漫反射是光投向漫反射體（顆?；蚍勰┖螅谖矬w表面或內(nèi)部發(fā)生的方向不定的反射。第十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日定性分析近紅外光譜定性分析利用模式識(shí)別與聚類(lèi)的一些算法，主要用于鑒定。在模式識(shí)別運(yùn)算時(shí)需要有一組用于計(jì)算機(jī)“學(xué)習(xí)”的樣品集，通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，得出學(xué)習(xí)樣品在數(shù)學(xué)空間的范圍，對(duì)未知樣品運(yùn)算后，若也在此范圍內(nèi)，則該樣品屬于學(xué)習(xí)樣品集類(lèi)型，反之則否定。聚類(lèi)運(yùn)算時(shí)不需學(xué)習(xí)樣品集，它通過(guò)待分析樣品的光譜特征，根據(jù)光譜近似程度進(jìn)行分類(lèi)。

第十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日定量分析近紅外光譜分析與其它吸收光譜按照比耳定律作定量分析類(lèi)似。作常規(guī)光譜定量分析時(shí)，需要建立光譜參數(shù)與樣品含量間的關(guān)系（標(biāo)準(zhǔn)曲線）。但對(duì)復(fù)雜樣品作近紅外光譜定量分析時(shí)，為了解決近紅外譜區(qū)重疊與譜圖測(cè)定不穩(wěn)定的問(wèn)題，必須充分應(yīng)用全光譜的信息。第十八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日傅立葉近紅外分析儀器德國(guó)布魯克公司在2001年推出的真正非接觸式在線傅立葉近紅外分析儀器：MATRIX-E第十九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日PARTIV味覺(jué)細(xì)胞生物傳感器第二十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日主要內(nèi)容研究背景、研究?jī)?nèi)容、技術(shù)路線味覺(jué)細(xì)胞傳感器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)細(xì)胞的培養(yǎng)、鑒定與表征味覺(jué)細(xì)胞傳感器對(duì)四種基本味質(zhì)的辨識(shí)區(qū)分實(shí)驗(yàn)研究味覺(jué)細(xì)胞傳感器對(duì)天然/人工甜味劑的評(píng)估結(jié)論與展望第二十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日一、研究目的、背景和意義第二十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日4.信號(hào)處理中的隨機(jī)共振（一）在前面的隨機(jī)共振系統(tǒng)中，如果將輸入外力看作是我們要傳輸?shù)男盘?hào)，噪聲可以看作是信號(hào)傳輸引入的信道噪聲，系統(tǒng)輸入（信號(hào)+噪聲）作為我們接收到的信號(hào)，則將此接收到的信號(hào)通過(guò)如前面說(shuō)述的一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，粒子的狀態(tài)看作輸出，則可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。第二十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日4.信號(hào)處理中的隨機(jī)共振(二)原始周期信號(hào)(b)噪聲(c)噪聲污染的信號(hào)(d)檢測(cè)到的周期信號(hào)(e)幅值譜(f)局部放大的幅值譜

第二十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日4.信號(hào)處理中的隨機(jī)共振(三)輸入信號(hào)幅度＝0.001，頻率＝0.0001隨機(jī)共振系統(tǒng)參數(shù)＝0.01，＝0.01

(a)輸出信噪比

(b)系統(tǒng)增益

第二十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日4.信號(hào)處理中的隨機(jī)共振（四）由于輸出信號(hào)幅值大于輸入信號(hào)幅值，從而起到了有效的放大作用；同時(shí)因系統(tǒng)輸出狀態(tài)有規(guī)則的變化，有效地抑制了系統(tǒng)輸出狀態(tài)中的噪聲量，將部分噪聲能量轉(zhuǎn)換到信號(hào)中去，這樣就使整個(gè)系統(tǒng)的輸出信噪比得到很大的提高。這時(shí)，弱信號(hào)，噪聲及雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)就組成了一個(gè)隨機(jī)共振信號(hào)處理器！第二十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日4.信號(hào)處理中的隨機(jī)共振（五）在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，我們總是設(shè)法減少噪聲的干擾，但從以上分析可知，噪聲有時(shí)候反而有利于信號(hào)的傳輸、檢測(cè)。因此，隨機(jī)共振的出現(xiàn)為弱信號(hào)的檢測(cè)提供了一種新的思路，對(duì)信息科學(xué)的發(fā)展有著重要意義。第二十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日目錄：1.