电流传感器范文

电流传感器篇1

关键词 电流传感器 工作原理 电流计量 研究方法

电能是一种重要的资源，我们日常生活的方方面面都离不开电能的运用。合理有效地运用电能，对国家的经济发展起着重要的作用，通过科学的计算点电能，减少对电能的浪费，可以有效提高资源的利用率。在实际使用中，有很多因素影响着电能的使用，电流传感器就是其中的一种，电流传感器由于结构复杂，难以计算，往往很难对其进行准备预测与估算，在出现问题的时候更难以对其进行维修，为了尽量避免这种情况的发生，必须找到有效的解决方法。本文主要研究电流传感器对电能计量的影响。

一、电流传感器的作用及工作原理

电流传感器是介于一次系统与二次系统之间的装置，它的主要作用就是转化电流。可以将较大的电流转化为二次系统的小电流，再将这些小电流供给测量仪和继电器等各种电力设备，这些设备通电后，再结合专业机器进行检测，来判断它们是否正常运行。电流传感器的另一个作用，就是将测量仪表与继电器分隔开来，避免测量仪表与继电器之间相互影响，从而发生电力事故，避免危险情况发生。这也是电流传感器的一个重要的工作原理。

电流传感器的工作原理也较为简单，其结构主要是由铁心和绕组组成。为了保证安全，铁心必须是闭合的，而且第二次绕组的匝数必须比第一次多，这样做是为了将多出的匝数串联在测量仪表和回路之间。电流传感器在工作的时候，要保证它的两次回路从始至终都是闭合的，从而保证其安全工作。

二、影响电能计量的因素

正如上文提到的，影响电能计量的因素有很多，这些因素来源庞杂，都会对电能计量有所影响。通过梳理，主要有两种影响最大，一种是电能表，另一种是电流互感器，其中电流传感器的影响最大、最复杂。

（一）电能表

电能表影响电能计量问题主要归结于两个方面。首先，由于电力相关人员专业素质参差不齐，对于电能表的选择出现了错误。在电力传输的过程中，不同区域由于人口密度不同，地区经济发展具有差异性，那么每个地区的供电情况也会出现差别，所以要合理估算各个地区的用电量，然后根据用电量对每个地区的电能表进行区分。但很多时候电力人员并没有进行相关的估算，导致电能表安置不当，引发后续问题。

其次是由于电能表本身的质量出现了问题，在电能表的制造过程中，一些电能表的厂家为了节约成本，往往会在制作过程中偷工减料，材质质量不过关。更有一些电能表的用户为了自己的一点私利对电能表进行私自改装，导致电能表转速或快或慢，使得电能表的计量出现了很大的问题，并且存在一定的安全隐患。

（二）电流传感器

电流传感器对于电能计量的影响主要有两个方面，包括电压互感器的二次导线和电流传感器的选择错误。在电压互感器的二次导线方面，二次导线往往会将电压互感器的电压降低，导致初始电压与电流传感器电压不等同，产生了较多的计量误差。

同时，在电流传感器的选择方面也会出现选择性的错误。电流传感器绕组时，一般要经过二次绕组，通过消耗磁的方式产生电动势，最后使得铁芯产生磁通。严格来讲，铁芯在消耗磁的方式产生电动势的时候也会产生误差，而这个误差的大小与电流传感器的不同有很大的关系，所以，要根据合适的数值选择适合的电流传感器。

三、提高电能计量准确度的方法

根据电流传感器的工作原理和影响电能计算的因素，具体可以从复合变比电流传感器、电流传感器二次容量和检测电流传感器三个方面来具体提高电能计量准确度。

（一）复合变比电流传感器

电能表规定，负荷电流一般是在20%的负荷重运行，负荷电流要满足这个条件才能正常运行。在电流流经电流传感器的时候，可以安装一种自动测量电流的装置，这种装置与电流传感器结合使用，可以大幅度的提高计算电能的精度，通过技术人员的联网监测，对通过线路的电流量进行测定，从而在两次测定的基础上取权衡值，最大程度上的减少误差。这种方式就是复合变比电流传感器的具体体现。

（二）电流传感器二次容量

电流传感器的最大特征就是它具有二次负荷，在匝数绕线方面也有两组，而它的二次负荷主要是指电能表的电流线圈阻抗，以及接触阻和外接导线电阻。所以，电流传感器的二次容量也是选择合适电流传感器的一个重要因素，必须考虑电流传感器的二次容量。选择电流回路负荷阻抗较小的电表，如电子式的电能表，用来达到二次容量的标准。此外，在必要的时候可以采取减小外接导线电阻的方式来达到必要的标准。虽然这些特殊情况不会经常发生，但也要做好准备。

（三）检测电流传感器

电流传感器在使用一段时间后往往会出现各种问题，所以技术人员要定期对电流传感器进行检查，检查电流传感器的实际倍率是否与标牌上的相同。在电流传感器出现问题的时候，要认真分析电流传感器是否会出现短路的情况，二次端子的极性或者是换相是否错接，以及电流传感器的二次回路是否出现开路和并联的情况，这些都会对电流传感器带来影响，从而产生误差。这些都是电流传感器经常出F的问题，所以在检测电流传感器时要格外严谨，并根据实际情况给予适当的调整。

四、结语

从全文叙述来看，电流传感器对电能计量有着极大的影响，为了保证电能计量必要的精度，可以从仪器自身的角度出发，摸清电流传感器的工作原理，在保证电能计量准确度的情况下，因地制宜地选择最适合的电流传感器，一次绕组和二次绕组都要检查与测电仪器和电仪表的联系，这样才能最大程度减小电能计算的误差。希望上述问题在实际的操作中能给予充分的考虑，也希望本文提出的建议能够切实提高电能计量的精度。

（作者单位为陕西省电力公司安康供电公司）

[作者简介：昝黎宁，女，山西临猗人，本科，助理工程师，主要研究方向：营销计量。]

参考文献

[1] 杨均成.浅析电流互感器对电能计量影响探讨[J].城市建设理论研究，2012

（18）：12-15.

[2] 游燕.浅析电流互感器对电能计量影响作用[J].科技致富向导，2012（5）：17-18.

电流传感器篇2

关键词：电涡流传感器工厂防盗

一、引言

随着改革开放的进行，国内经济蓬勃发展，老工厂不断扩建，新工厂如雨后春笋般成立。在高房价高地价的背景下，越来越多的工厂选择建在人烟稀少的郊区以降低成本。因此无论是白天还是黑夜厂房周边的活动人员都会很少，这边给一些不法分子以可乘之机。过去常用的红外线和微波墙虽有其优势，但往往受地形、天气的影响；防盗网有碍美观且易被发现而形同虚设甚至被损坏，那是否有更好的解决方法呢？

涡流检测技术基本原理的建立和发展起源于早期电磁学的发现。随着法拉第、麦克斯韦等人对电磁现象的实验研究和对电磁基本理论问题的数学分析都获得了巨大的进展为分析涡流实验方法提供了理论基础。人们普遍将视线集中在电涡流传感器在检测中的扩展应用中，但却很少有人考虑到电涡流与金属存在着一种必然联系，并将其用于实现大型厂区的安全防盗。

二、解决方案

在厂区围墙外利用电涡流传感器可以很好地解决上述问题，具体操作如下：在厂区围墙外侧据墙根3~4m处沿围墙一周（厂房门口附近除外）挖0.3m宽的沟，沟底及内侧用水泥打实，将传感线圈填入沟内构成闭合回路，并外接1MHZ以上的交流电源，同时利用导线将线圈与检测转换电路相连，输出端接报警装置。然后将沟填平，并使其上方环境与周围环境一致。当犯罪分子携带犯罪工具如赃物、运输工具、翻墙工具、撬锁工具等接近线圈时，线圈的等效电感发生变化，回路的等效阻抗和谐振频率都随之变化，再通过调幅或测量电路将阻抗的变化转化为传感器输出电压的变化，进而驱动报警装置。

三、传感器的工作原理

利用电涡流效应将位移等非电被测参量转换为线圈的电感或阻抗变化的变磁阻式传感器。电涡流效应是指金属导体置于交变磁场中会产生电涡流，且该电涡流所产生磁场的方向与原磁场方向相反的一种物理现象。电涡流传感器的敏感元件是线圈，当给线圈通以交变电流并使它接近金属导体时，线圈产生的磁场就会被导体电涡流产生的磁场部分抵消，使线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这种变化与导体的几何尺寸、导电率、导磁率有关，也与线圈的几何参量、电流的频率和线圈到被测导体间的距离有关。如果使上述参量中的某一个变动,其余皆不变，就可制成各种用途的传感器,能对表面为金属导体的物体进行多种物理量的非接触测量。这种传感器的优点是结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强、体积小等。

传感器线圈中通上交变电流，其周围便会产生交变磁场，当金属导体靠近线圈时在磁场作用范围内的导体表层就会产生涡流，而此涡流又将产生一交变磁场阻碍外磁场的变化。从而导致传感器线圈的电感L发生变化。利用调幅式测量电路吧传感器线圈与电容并联组成LC谐振回路。

当导体接近传感器线圈时，线圈的等效电感发生变化，回路的等效阻抗和谐振频率都将随之改变，LC检测回路的谐振峰将左右移动，传感器输出电压必定降低。通过实时地将输出电压与某一给定电压比较，进而决定报警电路能否被驱动，即可及时的判断是否有犯罪分子携带工具接近围墙。

四、系统结构框图

系统结构框图如图1所示，由电涡流传感器（线圈回路）、检测电路及报警电路三部分组成。

图1系统结构框图

Fig1 System block diagram

五、优缺点分析

电涡流传感器作为检测系统中的信息采集元件，具有测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强及可非接触测量等优点。利用涡流传感器进行厂区防盗报警，一方面施工方便，无论是建厂初期还是后期改造均可实现，同时对厂区的天气及周边地形没有过多要求，适应于各种复杂地形；另一方面该防盗报警系统隐蔽，较难被发现，犯罪分子不易进行破坏，确保了防盗报警系统的稳定性与可靠性；再者本系统维护了企业工厂的形象，与周围环境和谐相处，彻底解决了以往安装防盗网有碍美观的问题，且不会对盗窃者或者意外闯入人员造成人身伤害，又达到了给入侵者一种威慑和阻挡的作用。

该系统的缺点是厂房门口附近为防盗的死区，但对于绝大多数工厂来说门口应设有监控设备，同时有门卫24小时看守，很少会出现问题。

六、结束语

在利用电涡流传感器解决厂区防盗报警的过程中，我们可以深切的体会到高科技技术为人类的生活带来的便利于安全，足不出户就可以实现几十米甚至几十公里范围内的防盗，但是无论哪种防盗系统都是治标不治本的办法，提供公民素质，建立良好的治安环境才能从根本上杜绝盗窃犯罪，维护公民权益。

参考文献：

[1]王媛媛．耐高压电涡流位移传感器的研究[D]．中国优秀硕士学位论文全文数据库．浙江大学，2006.10-15

[2]程德福、王君、凌振宝、王言章编．传感器原理及应用[M]．机械工业出版社，2008.64-65

[3]戴焯主编．传感器原理与应用[M]．北京理工大学出版社，2010.53-57

[4]童敏明，唐守峰．检测与转换技术[M]．中国矿业大学出版社，2008.138-142

电流传感器篇3

【关键词】巨磁阻抗效应；弱电流传感器；新型非晶磁芯；非接触式

中图分类号：C93文献标识码： A

弱电流传感器在很多领域中有比较普遍的运用，随着这些行业的不断进步，对传感器的准确度的要求也越来越高，比如在电机调速，绝缘在线检测等仪器中，对传感器的灵敏度，抗干扰能力，分辨力有了更高的要求。为了迎合需求，人们对某些新材料，常规能源又有了更多的探索。近年来，迎合市场的需求磁电方面的研究也逐渐火热起来，经过许多仁人志士的探索研究，在非晶，纳米晶材料等的基础上，人们发现了巨磁阻抗效应，这就为新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器的研制奠定了基础。

1.巨磁阻抗效应原理的相关知识及其优点

外加磁场的改变可以显著影响软磁合金材料的交流阻抗的现象成为巨磁阻抗效应(giant magneto-impedance, GMI)。具体点说，巨磁阻抗效应就是高频电流引发的趋肤效应。这种现象是kmh等人在一次偶然的实验中发现的。经过多次的实验，发现巨磁阻抗效应在室温的条件下对弱磁场非常的灵敏，具有灵敏度高，线性高，无磁滞现象等优点。具备这样的优势，巨磁阻抗效应的应用有远大的前景，所以引起了各国的学者广泛关注，并积极做了诸多研究。

比如有学者做过比较，在室温的条件下做实验，得出巨磁阻抗效应对弱磁场的灵敏度比巨磁电阻对弱磁场的灵敏度多了一个数量级以及磁通门传感器效率更好的结论。除此之外，可得知，巨磁阻抗效应结构比较简单，工作效率好，温度稳定性也较高，有这很多传感器都无法超越的优越性。当下，由于很多新型复合材料都可见巨磁阻抗效应，所以对其的深入研究也正在进行中。

2.巨磁阻抗效应的基本特征和敏感原件制备

2.1巨磁阻抗效应的显著优势

和其他事物一样，巨磁阻抗效应也有物极必反的道理。在弱磁场的条件下，软磁材料在高频电流作用下，与阻抗磁场呈正相关关系，非线性误差比较小，弱磁场灵敏度较高。然而在高磁场的前提下，阻抗与磁场有着负相关的关系，也就是阻抗会随着磁场的增大而逐渐减小。除此之外，热处理感生磁各向异性场有利于加强此种效应。除此之外，与其他磁效应相比较，利用巨磁阻抗效应制成的传感器其装置简单，但是对速度和频率不敏感。而且这种效应广泛应用于制造磁记录磁头，磁盘检测器，和磁膜储存器的读出器等等，应用十分广泛。

2.2非晶磁芯的相关知识

非晶磁芯是非晶材料加工而来的磁性元件，根据材料的形状可以分为带材型磁芯和粉末性磁芯，笔者主要论述的是经过卷曲后的环形磁芯。非晶磁芯饱和磁密比较高，但是会随着频率升高，磁导率会急速下降，一般用于普通的频带。在实验室当中，经常使用非晶薄带制成敏感原件，具有低耗能，高精度，好灵敏度的特点。其中电流，温度都比较低，电阻率也较小。在具体制备过程当中，非晶薄带要等厚约5cm，沿着规定的方向截取长宽。然后再卷成环形的磁芯，再用脉冲电流退火，这样，敏感原件基本制备完毕。

3新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器的结构和工作原理

3.1新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器的电路结构

此种传感器有由多谐振荡器，微分电路，非晶磁芯，峰值检波，以及低通滤波差分放大等部分组成的。是由MOS问电路构成的多谐振荡器产生高频方波信号，进过微分电路后产生脉冲电流信号，刺激非晶磁芯。让待测的电流穿过磁芯轴线，这样，环形磁场形成，同时也改变了磁芯阻抗，进而改变峰值电压。在通过峰值检波装置检测峰值的大小，在通过低通滤波与基准电压比较得出差值，输出电压。

3.2脉冲电流电路

脉冲电流通过刺激非晶磁芯，使得阻抗变化率有所改变。某种意义上说也就是提高传感器的灵敏度。原因是非晶磁芯的特性决定的。只有在高频电流的刺激下，非晶磁芯才可以出现巨磁阻抗效应，随着磁场增加，阻抗也急剧增加。通过傅立叶变换可以知道，非晶磁芯的频谱是周期脉冲序列，同时含有丰富的谐波信号，所以脉冲电流可以提高传感器的灵敏度。在具体使用过程中，使用非门芯片产生高频方波，经过微分电路又得到脉冲电流，脉冲电流中的负脉冲又通过飞门去除，仅剩下正向脉冲电流。为了使脉冲电流正常工作，应保证线路不同部位中的电阻的大小合理。比如反向器输入端的补偿电阻远远大于微分电路中的电阻，这样不仅仅可以避免振荡频率不稳定的缺点，还可以提高振荡频率的稳定性。

3.3新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器的信号处理电路

传感器信号处理电路大概有五个部分组成，磁芯两端的脉冲电流差值较大，容易使得二极管的阈值电压和临界导通的非线性关系放大，为了避免这种现象，在线路中又设置了峰值检波电路。阈值电压变得很小时可以忽略不计，这时，可以采取滤波措施，减少不需要的散在信号，使得传感器的信噪比增加。检波电路测到的是磁芯两端的峰值电压，有一定的误差，也就是说同一时间段内，两者的初始值不一样，针对这个问题，才装置了差动放大电路，使得可以准确读出差值。在实际电路中，存在这样一片区域，就是磁芯阻抗值越来越慢，这个区域不利于电路的运行，所以为了绕过这片区域，我们就在磁芯附近增加了偏置磁场。如此一来，弱直流电流传感器就有了双重功效，既可以确定电流的去向，还可以被检测电流的大小，真是一举双得。

3.4工作电压对新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流的影响

新型非晶磁芯对工作的电压有一定的要求。要在规定的范围内，否则容易出现效率低下的现象，又或者直接造成不能运转的后果。新型非晶磁芯的芯片在此合理范围内工作效率较高，多谐振荡装置几乎都可以保证输出方波的稳定性。但在实际工作中，电压的大小很大程度上决定了方波的幅值，从而也直接影响到脉冲电流峰值的大小。这种现象也刚好印证了在一定条件下，输出的电压值的波动与脉冲电流峰值的大小有线性关系的原理。也由此可知，在相同阻抗变化率的条件下，输出电压的大小可以影响传感器的测量灵敏度，线性度，分辨力。所以保证工作电压在合理范围内是至关重要的。由上文可知，弱电流传感器的灵敏度与工作电压有线性关系，所以有稳定的直流工作电源，是提高电流传感器的精确度和灵敏度的重要基础。

4.结论

笔者提出了一种由非晶薄带为敏感原件的新型巨磁阻抗效应弱电流传感器。提出了传感器的电路设想。这种传感器有无可比拟的优越性，比如:线性强，灵敏度高，设备简单，成本减少等等特点，在相关领域中有较大的应用价值。近年来，不少国外的文章也曾论述过此类研究，但是与之相比，有一定的差距，但是随着多次的实验，磨合，总结，此次所设计的信号处理电路在各方面都有了显著的提高，比如在精确度和测量范围上等等。巨磁阻抗效应自身就具有温度稳定性好，灵敏度高的优势，所以在弱电流检测中应用前景广泛。但是外磁场对其有干扰作用，所以在制作过程中使用了外部磁场的屏蔽壳，提高了其工作效率。

【参考文献】

[1]鲍丙豪,赵湛,董钢,蒋峰. 新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器[J]. 电子器件,2006,04:1035-1038.

[2]赵湛,鲍丙豪,徐云峰,董钢. 钴基非晶磁芯巨磁阻抗效应电流传感器[J]. 仪器仪表学报,2007,03:483-488.

电流传感器篇4

在探讨无刷直流电机无位置传感器的控制措施的同时，分析研究了反电势过零检测电路，在此基础上指出了反电势检测信号和功率开关期间二者的对应关系，同时实施了实验。最终结果显示，反电势检测信号能够充分实现对无刷直流电机的科学有效控制。

【关键词】无刷直流机电 控制技术 传感器

所谓无刷直流电机英文名是BLDCM，其因为不存在电刷，所以有着容易维护以及可靠稿等多种有点，目前在实际的使用中得到了非常广泛应用，被很多企业认可。而无位置传感器的无刷直流电机也有这结构相对较为简单以及可靠性较高等多种优点，使其在这几年的不断发展中得到了快速的发展。反电势法是现阶段使用最为普遍的一类转子位置检测方法。文章在研究反电动势相电压发检测方法的理论上充分设计了所谓的反电动势过零对电路进行检测面，对延迟90°-α电角度充分实现了无刷直流电机的准确换组措施实施分析，给出了换相逻辑关系，同时通过相关实验对其进行验证。

1 应用反电动势对电路进行检测

1.1 相电压法检测电路

在无位置传感器无刷直流电动机对其进行控制的过程中，通常不使用转子位置传感器，不过在电动机充分运转的条件下，一般需要转子位置信号，这样能够对电动机换相实施必要的控制。所谓的电动机反电动势和转子位置有着某种关系，利用检测电动机的反电动势，同时对其实施科学有效的处理，能够获取转子位置信号。

1.2 反电动势过零点检测电路

分析研究能够发现，在零点检测电路中，电压是充分使用相电压法检测电机三相绕组反电动势。在此过程中电阻充分构成了分压电路，另外和电容同时构成了一阶低通滤波回路；换句话说这样就能够使得部分电阻以及电容呈现一定的关系。本文以A相反电势信号为研究对象能够发现，电压分压之后通过电阻以及电容和运放构成一定的积分器，如此就能真正的实现相对角90°不断延迟。需要特别注意的是：积分器所输出来的信号再次和零电压实施对比，对比器所输出来的信号IN-a、IN-b、IN-c在某种程度上说也就代表了转子位置换相信息。

为了能够最大限度的检测波形和现实反电动势波形二者的相位α的取值范围，让相位修正尽可能的简单化，一般使用延迟90°-α的电角度，换相法，也就是利用检测之前一相反电动势过零点延迟90°-α电角度，之后对本相实施换相。在6-1的电扇区域检测到C相的反电动势过零点m1之后，并非延迟30°-α电角度获取V6与V2二者切换点，而充分获取延迟90°-a电角度获取V1与V2二者换点n1。

2 无刷直流电机启动

在电机完全静止或转动速度相对较低的情况下，绕组反电动势信号幅度也会相应的更低，在此过程中很难真正的可靠的实施检测，一般情况下一定要使用别的方法实现启动。在电机转动速度达到一定程度的情况下才能利用反电动势检测电路对无位置传感器换相实施充分控制，需要特别注意的是，升频升压方法可以使得无刷直流电机在某个速度的范围中充分实现半载或者空载或者带一定负载惯量的条件下可靠启动。

需要特别指出的是：使用升频升压方法对电机进行启动的过程中，需要给逆变器供电让电机获取一个相对较为准确的工作状态同时维系一定时间，而定子绕组所产生出来的合成磁吸引转子转至和其垂直位置，最终可以知道一个相对较为准确的转子位置，实际上这为转子预定位时期。完成转子定位之后，根据电机的旋转方向，有规律性的改变逆变器功率管触发导通顺序，同时尽可能的提升功率管PWM驱动信号占空比例，在这样的条件电机的运转速度就会逐渐的加快，直至反电动势检测电路所输出来的信号可以当成功率开关对信号实施驱动。

3 实验最终结果

通过一系列的实验研究能够发现，无刷直流电动机相关参数如下：额定速度每分钟八千转，绕组相电阻能够达到21.26欧米伽，额定电压是300伏，极对数是2，绕组相电感是0.56mH。而系统使用相电压法对电机绕组反电动势信号实施检测，所检测出来的反电动势信号通过分压以及阻容滤波之后，通过积分器以及对比器之后输入至微控制器。在反电势信号达到零点之后，微控制器就能发挥出它所应该具备的作用，能对其实施相位的补偿，获取真实的换相点，这样就能够对无刷直流电机的准确换相实施控制。

为对比器与积分器所输出来的波形，而波形是无刷直流电动机绕组相电流。研究能够发现，对比器所输出的方波信号于相位上和对应绕组相电流相应。在此过程中微控制器所采集的信息，即反电势检测电路输出信号之后，实施相位补偿90°-α电角度之后再次绕组换相，其补偿的结果分别是：首先为反电势检测电路输出来同时通过相位补偿之后的信号，其次是霍尔原件测出位置信号，可见的补偿之后的信号几乎可以很好的替换霍尔位置信号，这样就能够当成无刷直流电机换相的根据。

4 结语

无位置传感器的无刷直流电机也有这结构相对较为简单以及可靠性较高等多种优点。本文的实验结果显示，补偿之后的信号能够更好的替换霍尔位置信号，可以充分实现对无刷直流电机科学有效的换相控制。

参考文献

[1]姜卫东，王群京，陈军.无刷直流电机的神经网络控制器的仿真研究[J].系统仿真学报，2011，13（03）：567-568.

[2]卢子广，柴建云，王祥珩.电动汽车无刷直流电机驱动系统实时仿真[J].系统仿真学报， 2012，10（04）：158-159.

[3]谢世杰，陈生潭，楼顺天.数字PID算法在无刷直流电机控制器中的应用[J].现代电子技术，2012，10（02）：96-97.

作者简介

李克培（1978-），男，山东省德州市人，青岛科技大学工程硕士。现为德州职业技术学院电气工程系讲师。研究方向为控制理论与控制工程。

作者单位

电流传感器篇5

Abstract: The thesis introduces the high accuracy measuring method for the parameters of temperature, pressure and current in practical application. It places emphasis on analysing the temperature drift compensation of piezoresistive pressure transducer and linear calibrating method for Pt resistive temperature transducer.

关键词:传感器;测控系统;设计;温度补偿;线性修正

Key words: sensor; control system; design; temperature compensation; linear calibration

中图分类号:[TN98]文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)27-0223-02

0引言

实际应用系统中,通常会采用多种类型的传感器来满足参数测试的需要,本文描述了微小循环泵测试环境中对循环液温度、压力及泵工作电流这三种工作参数的测量。

单晶硅材料有良好的弹性形变性能和显著的压阻效应[1],利用单晶硅的压阻效应和集成电路加工技术制成的压阻式压力传感器具有灵敏度高、动态响应快、工作范围宽、稳定性好、易集成化等优点,这种形式的传感器克服了粘贴带来的较大的滞后和蠕变以及固有频率低和集成化困难等缺点。由于半导体材料对温度的敏感性,压阻式传感器受到温度变化影响后将产生零位漂移和灵敏度漂移,零位漂移是因为扩散电阻的阻值随温度变化引起的,扩散电阻的温度系数因扩散表面杂质浓度不同导致薄层电阻大小各异,工艺上很难做到四个P型桥臂电阻的温度系数完全相同,导致温度变化时即使无外力作用仍有阻值的变化形成零漂误差。灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化而产生的,压阻系数变化改变灵敏度大小,温度升高时压阻系数变小则灵敏度下降形成灵敏度温漂。对零点和灵敏度温漂,通常采用外接电阻网络对电桥进行补偿。

温度传感器是利用材料的热敏特性实现温度到电量信号的转换。由于各种材料的性能都随温度的变化,理论上所有的材料都能构成温度传感器,但实用的温度传感器应该是灵敏度高、稳定性好、对温度以外的物理量不敏感。温度传感器主要包括利用热电效应原理的热电偶型温度传感器;利用热敏特性的热敏电阻型温度传感器以及利用半导体温度特性的温度传感器。利用半导体陶瓷材料制作的热敏电阻灵敏度高、重复性好、成本低非常适合于小温度范围的温度测量。

1传感器设计

由于压阻式温度传感器性能受温度影响很大[2],需要对惠斯通电桥进行调整以改善传感器的温度特性,图1电路可以补偿压阻式压力传感器的精度至适当水平。

它可以对失调、失调的温度漂移以及灵敏度的温度漂移进行调整。与灵敏度漂移相关的是满偏输出的温度漂移,这两个参数的温度特性互成正比。电路中的调零电阻用来补偿传感器在室温下失调电压,电阻RTS和RTZ用于校正温度误差。由于桥路电阻随着温度上升而增加,使传感器两端的电压也增加。这个增加的电压会使传感器的灵敏度上升,也就是说,给定压力下它将输出更高的电压,如果保持传感器两端电压恒定,传感器的灵敏度就会随着温度的上升而降低。因为桥路电阻受温度影响而增加时,它所引起的灵敏度正向变化系数大于负向灵敏度系数,所以满偏输出趋向于随着温度而增加。电阻器RTS可以在温度上升时旁路掉一部分桥路电流,从而抵消上述效应。类似地,RTZ或R'TZ对失调的漂移进行校正。电路中选择RTZ还是R'TZ取决于失调的温度漂移方向。

考虑到使用现场恶劣的工作条件,采用4～20mA变送电路能实现远距离传输减少外部干扰的影响。XTR101集成4～20mA变送电路内部提供两路1mA恒流源,可直接将压阻桥路电压输出变送成为两线制信号输出,芯片线性为0.1‰不会带来附加的线性误差,图2是压阻式压力传感器4～20mA变换的原理图,需要注意的是电阻的阻值选择,务必使桥路输出的共模电压在+4～+6V之间以得到最佳的线性操作。

热敏电阻值随温度变化而显著变化这样就将温度变化转换成电量信号,实际设计中采用Pt100热敏电阻经XTR105集成4～20mA变送电路转换成二线路制信号远传至测控仪表。图3为铂电阻两线制变送电路,图中RLIN1提供对铂电阻的二阶线性修正,RG是增益电阻,具体数值按以下公式选取:

RG=■;

RLIN1=■

其中 RZ是铂电阻温度测量范围低温点对应的阻值;R1是铂电阻温度测量范围一半时对应的阻值;R2是铂电阻温度测量范围高温点对应的阻值;RLIN=1kΩ。

采用电阻取样法测量电流形式简洁、精度高,只要电阻的温度系数足够小,则测量结果受温度影响很小,但取样电阻过大会分得一部分供电电压导致泵用供电电压降低,故取样电阻的选择要结合工作电流的大小不可分压过大,尤其要考虑到泵的瞬间启动电流的大小。电流信号经取样电阻转换为电压信号,但此电压信号为高共模电压浮动信号,对如此高的共模电压(达到电源供电电压)输入,通常的运放都是无法忍受的,应采用专用的高共模电压输入运放如经仪用放大器将浮动信号转变成单端信号,再经真有效值转换芯片把交变信号转变成直流电压输出,这样就完成变交电流到直流电压信号的高精度转换。

2测控系统构成

测控系统完成参数测试结果的采集、变换、显示等功能并实现与外界的接口,由于测试输入通道较多(5路),采用多路开关加1片高精度逐次逼近式A/D方式可节约成本又满足精度要求。多路开关采用MC144051 8选1多路开关,该芯片具有延时时间短、输入电压幅度宽等优点并可直接由MCU I/0口控制驱动。MAX195 16位逐次逼近式AD芯片具有高速(转换时间9.6MS)、高精度(16位)、低功耗等功能,尤其是芯片本身具有自校准功能可以修正由于工作环境变化导致本身的线性和零点漂移,芯片具有标准SPI接口可与MCU有效通信。由于显示位数很多,每一路显示用一片数显驱动电路复杂且占用I/0口资源严重,采用数显芯片级联方式扩展了显示位数减少了系统资源占用,软件时序复杂但硬件成本降低。

3系统软件编制

开发单片机应用系统时,汇编语言是常用工具,它能直接操作硬件指令执行速度快,但其指令系统的固有格式受硬件结构的限制很大,难于编写与调试可移值性也差。随着单片机性能的提高其工作速度越来越快,在编写程序时更着重于程序本身的编写效率。FranklinC51是专为80C51系列单片机设计的高级C语言编译器,使用后可缩短软件开发周期,降低开发成本,开发出的系统易于维护、可靠性高、可移植性好最重要的是代码使用效率上完全可与汇编语言相比。C语言提供了完备的规范化流程控制线结构,对于大型程序可按功能分成若干模块,程序直观便于管理,对于象本文介绍的这样比较复杂的系统采用C51编程可以更容易实现。为了获取更精确的结果需要对A/D变换采集的数据用软件进行线性补偿,具体方法是先建立理想的直线方程,分析实测数据找出误差直线规律分段进行线性修正,对应于当前的模拟输入量,线性修正后的输出数值上等于模拟输入量加误差修正量,软件补偿后线性可提高至万分之五以内。

4结束语

影响压阻式压力传感器和铂电阻温度传感器精度的主要原因是传感器的非线性,经调理电路和软件补偿后,传感器的线性度得到补偿,总精度得到提高。采用电阻取样法测量微小电流,精度高、稳定性是非常有效的测量方法。

参考文献:

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电流传感器篇6

SymbolmA@ g/L，检出限为0.03

SymbolmA@ g/L。

关键词 Fe3O4@Au纳米复合粒子；碳纳米管；L-半胱氨酸；甲胎蛋白；免疫传感器

2011-07-05收稿; 2011-10-16接受

本文系国家自然科学基金（No. 20675064）和重庆市自然科学基金（No. CSTC-2005 BB 4100）资助项目

* E-mail: judy20060830@163. com

1 引 言

甲胎蛋白（AFP）是甲种胎儿蛋白的简称。血清中AFP的升高对原发性肝癌诊断具有重要意义[1,2]。目前已有的检测方法有荧光分析法[3,4]、化学发光分析法[5]、酶联免疫法[6]、色谱分析法、酶标电泳法及放射免疫法等[7]。这些方法灵敏、可靠，但大多需要对抗原或抗体进行酶标记或放射标记，操作步骤繁琐，且需要昂贵的仪器及专业的技术人员[8]。而利用氧化还原探针间接检测免疫反应的非标记电流型免疫传感器[9]因具有检出限低、灵敏度高、操作简单、实验微型化、绿色化等优点而备受关注。因此探究新型免疫传感器对AFP检测具有重要意义。

多壁碳纳米管（MWNT）是制备传感器的优良材料。因为对电极表面进行修饰时，除了可将材料本身的物化特性引入电极界面外,同时也会由于纳米材料的小粒径、大比表面积效应,使得粒子表面带有较多的功能基团，而对某些物质的电化学行为产生特有的催化效应。MWNT良好的生物相容性，可加快电子传递、增加电流响应、提高检测灵敏度和线性范围。与石墨材料制备的传感器相比，具有更高的灵敏度，因此，MWNT已被广泛应用于免疫传感器的研究中[10～12]。

磁性纳米粒子作为一种新型功能材料在近年来得到了快速发展［13］。其中，核壳型Fe3O4@Au纳米复合粒子以其独特的电学性质和催化特性，以及良好的稳定性和生物相容性，适合用于表面修饰和功能化研究[14,15]。本研究结合以上无机纳米材料的优点，利用静电吸附和共价键和作用，将DMF分散的MWNT修饰在金电极表面，再将修饰电极依次沉积纳米金、L-Cys，并通过半胱氨酸中的巯基吸附Au@ Fe3O4纳米复合材料，最后固载甲胎蛋白抗体（anti-AFP）。此传感器有望实现纳米金和Fe3O4颗粒与抗原抗体及电极之间的直接电化学作用，从而提高免疫传感器的灵敏度[16]。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

CHI660D电化学工作站（上海辰华仪器公司）； MP230酸度计（瑞士Mettler-Toledo公司）；AB204-S电子天平（瑞士Mettler-Toledo公司）；透射电子显微镜（TEM,H600, 日本Hitachi Instrument 公司）；BRANSONIC 200 超声清洗仪（德国Branson Ultrashall公司）; 所有玻璃仪器用K2Cr2O7-H2SO4浸泡，超声清洗仪超声，晾干。

甲胎蛋白抗体（anti-AFP）及抗原（AFP）、FeCl3•6H2O，FeCl2•4H2O（郑州博赛生物技术股份有限公司）; L-Cys（0.02 mol/L,以 pH 5.0醋酸缓冲溶液配制）、BSA（质量分数96%～99%）及氯金酸（HAuCl4）均购于美国Sigma公司; 柠檬酸钠（上海化学试剂公司）; MWNT （纯度＞95%，中国科学院成都有机化学研究所）, 其它试剂均为国产分析纯试剂, 实验用水均为去离子水。

2.2 DMF-MWNT纳米复合物的制备

由于MWNT的管间具有很强的范德华力，极易团聚，使用时必须将其置于一定的溶剂中超声分散。同时，为结合碳纳米管和其它纳米粒子，需对碳纳米管表面进行共价或者非共价修饰，或高分子膜修饰[17，18]。在80 ℃下，将 MWNT用浓HNO3-浓H2SO4（3∶1, V/V）混合液处理5 h，水洗后真空干燥[19，20] ，备用。取0.15 mg处理后的MWNT分散于1 mL 5 %（V/V）DMF溶液中（pH 7.4），在25 ℃下超声30 min，使其充分分散即得DMF-MWNT复合物，放置在4 ℃冰箱里备用。

2.3 Fe3O4@Au复合纳米粒子的制备

按文献[21]配制磁性纳米Fe3O4粒子。称量4.64 g FeCl3•6H2O 和1.22 g FeCl2•4H2O，加入250 mL水，配制成Fe2＋-Fe3＋（1:2, n/n）的混合溶液，并加入2 mL 0.2 mol/L H2SO4（防止Fe2＋在溶液中被氧化为Fe3＋）。用氨水（质量分数25%）将溶液调至pH 9.0～9.5,并在室温下搅拌30 min。将制得Fe2＋/Fe3＋混合物加热到80 ℃，维持30 min。此时得到黑色悬浊液，放置在超声仪中超声10 min,使其分散均匀后，利用磁铁将磁性Fe3O4纳米粒子与流体分离开，并用热水将上层清液洗至中性，即得氨基化的磁性纳米Fe3O4。

取1 mL氨基化的磁性纳米Fe3O4悬浊液滴加到不断搅拌、温度为99 ℃的柠檬酸钠溶液（100 mL水溶解0.229 g）中。然后加入2.5 mL 1% （w/w）HAuCl4与之反应15 min后停止加热。继续搅拌15 min，此时为酒红色的悬浊液。

图1 免疫传感器的制备过程

Fig．1 Schematic illustration of the stepwise immunosensor fabrication process: （a） formation of N,N-dimethylformamide multi-walled nanotubes （DMF-MWNTs）; （b） electrodeposition-Au（DpAu）; （c） electrodeposition-cysteine（DpCys）; （d） adsorption of Fe3O4@Au nanocomposites; （e） anti-a-fetoprotein （AFP） loading; （f） blocking with BSA

当悬浊液冷却到室温后，用磁铁分离出固体颗粒，并用水洗涤，该固体颗粒即为Fe3O4@Au复合纳米粒子；用20 mL水将其分散，并保存在4 ℃冰箱内备用[22]。

2.4 免疫传感器的制备

将金电极（Φ＝4 mm）依次用0.3和0.05

SymbolmA@ m 的Al2O3糊抛光成镜面，用水冲洗除去抛光粉，然后依次在水、无水乙醇和水中超声清洗5 min，室温晾干备用。

SymbolmA@ L DMF-MWNT复合物，滴涂在预处理好的金电极表面，等自然晾干成膜后将其置于3 mL HAuCl4溶液（直径16 nm）中，以

Symbolm@@ 0.2 V电压沉积30 s，取出，用水洗净，置于5 mL 0.02 mol/L L-半胱氨酸溶液中，在电压为

Symbolm@@ 0.5～1.0 V条件下，以10 mV/s扫速循环扫描30 min，取出再次用水冲洗修饰电极。将15

SymbolmA@ L Fe3O4@Au复合纳米粒子滴涂在修饰电极上，自然晾干，将修饰好的电极浸泡在anti-AFP-水（1∶1, V/V）的的混合物中，在4 ℃下放置16 h。用0.25%（w/w）BSA溶液封闭电极表面非特异性吸附位点。修饰好的电极置于4 ℃的冰箱中保存待用。图1为免疫传感器制备过程示意图。

2.5 检测方法

采用循环伏安法（CV）表征了电极不同修饰阶段的电化学特性，实现对AFP的定量测定。测量电极电流采用三电极体系：参比电极为饱和甘汞电极（SCE），铂丝电极为对电极，工作电极为被修饰的金电极。测试底液为5.0×10

Symbolm@@ 3 mol/L Fe（CN）63

Symbolm@@ /4

Symbolm@@ ＋0.1 mol/L KCl＋PBS （pH 7.4）溶液，循环伏安测定的电位范围为

Symbolm@@ 0.2～0.6 V，电位扫描速度为50 mV/s，无特别说明实验温度均为（25±5） ℃。

3 结果与讨论

3.1 不同纳米材料的透射电镜（TEM）分析

图2为免疫传感器制备过程中选用纳米材料的TEM表征图。图2 a、b为DMF分散的 MWNT复合物的TEM图。从图2可见，MWNT被均匀地分散，呈长形带状; MWNT的管径为10～20 nm。图2c和2d分别为Fe3O4 纳米粒子和Fe3O4@Au复合纳米粒子的TEM图。图2d中趋于球型的黑色物质为金壳包裹住的Fe3O4纳米粒子，粒径较图2 c中的粒径偏大。由TEM图可得，实验成功制备了DMF-MWNT复合物及Fe3O4@Au复合纳米粒子。

图2 不同纳米材料的透射电子显微镜图

Fig．2 TEM images of different nanomaterials

a and b. DMF-MWNTs; c. Fe3O4; d. Fe3O4@Au．

3.2 免疫传感器的电化学特性 图3 电极在修饰过程中的循环伏安图

Fig．3 Cyclic voltammograms of different electrodes in 5 mL，5.0×10

Symbolm@@ 3 mol/L K3Fe（CN）6＋K4Fe（CN）6＋0.1 mol/L KCl＋0.1 mol/L PBS（pH＝7.4）: （a） Bare Au electrode; （b）DMF-MWNT/Au; （c）DpAu/DMF-MWNT/Au;（d）DpL-Cys/DpAu/DMF-MWNT/Au;（e）Fe3O4@Au/DpL-Cys/DpAu/DMF-MWNT/Au;（f）anti-AFP/Fe3O4@Au/DpL-Cys/DpAu/DMF-MWNT/Au;（g）BSA/anti-AFP/Fe3O4@Au/DpL-Cys/DpAu/DMF-MWNT/Au;（h）AFP/BSA/anti-AFP/Fe3O4@Au/DpL-Cys/DpAu/DMF-MWNT/Au .The scan rate was 50 mV/s.

采用循环伏安法（CV）研究了电极在组装过程的电化学特性。图3曲线a为金裸电极在5.0×10

Symbolm@@ 3 mol/L Fe（CN）63

Symbolm@@ /4

Symbolm@@ ＋0.1 mol/L KCl＋PBS （pH 7.4）

溶液中的氧化还原电流响应曲线。图中可见一对对称可逆的氧化还原峰。这是因为底液中氧化还原探针铁氰化钾的存在。曲线b为电极修饰了DMF-MWNT复合物的循环伏安曲线。由于MWNT具有快的电子传输能力，且比表面积增大[23]，所以氧化还原电流值增大。利用恒电位沉积HAuCl4法，制得功能化的DpAu-MWNT修饰电极。此时循环伏安曲线的氧化还原峰电流增大（图3c），说明形成的DpAu-MWNT纳米复合膜大大提高了修饰电极的电化学活性，有利于电极与溶液之间电子的传递。当沉积了L-Cys后，由于L-Cys组装膜在一定程度上阻碍电子的传输[24]，所以图3d中氧化还原峰电流随之减小。利用L-Cys的巯基与金易形成巯金键的特性,将Fe3O4@Au复合纳米粒子共价键和到电极表面。由图3e可见，氧化还原峰电流再次增大，表明Fe3O4@Au复合纳米粒子成功地被组装到了电极表面，它增强了传感器的电流响应。当anti-AFP通过静电作用和疏水作用被固载到Fe3O4@Au复合纳米粒子膜的表面，氧化还原峰电流值明显降低（图3f）。图3g是用BSA封闭电极表面的非特异性吸附位点，峰电流值逐步降低，说明蛋白质分子阻碍电子的传递。最后，当修饰电极与 20 mg/L AFP抗原孵育15 min 后，氧化还原峰电流值再次降低（图3h），表明生成的免疫复合物阻碍电子传输。

图4为免疫传感器在pH＝7.4的K3Fe（CN）6溶液中不同扫速的循环伏安表征图。由内到外扫描速率分别为：20，50，80，100，120，150，200，250，300和350 mV/s，随着扫描速率的增加，还原峰电位负移，氧化峰电位正移，图4中插图表示多层膜修饰电极的氧化还原峰电流与扫描速率平方根呈线性关系，说明在此范围内，电极的氧化还原反应受扩散过程控制。

图4 免疫传感器在不同扫描速度下的循环伏安图.（插图为响应电流与扫速平方根的关系）

Fig．4 Cyclic voltammograms of immunosensor at different scan rates: 20, 50, 80, 100, 120, 150, 180, 200, 250, 300, 350 mV/s （from innter to outer）.Inset: The dependence of peak currents vs. v1/2

3.3 实验条件的优化

3.3.1 缓冲溶液pH的优化 本实验研究了PBS缓冲溶液的pH值在4.0～8.0范围内免疫传感器的响应情况。由实验可得，pH值从4.0增至7.4，免疫传感器的氧化还原电流值随之逐渐增大。当pH＝7.4时，氧化还原电流值达到最大值。pH值继续增大，氧化还原电流值逐渐减小。因此，选择pH＝7.4的K3Fe（CN）6缓冲溶液为测试底液。

3.3.2 孵育时间和孵育温度的优化 抗原与抗体发生免疫反应与时间有关。将制备的免疫传感器在20

SymbolmA@ g/L AFP溶液中分别孵育2，5，8，10，12，15，20和25 min，循环伏安图中分别对应的峰电流值随着孵育时间的增加开始时降低，15 min时响应电流降到最低，15 min后基本保持不变, 如图5。因此，本实验的孵育时间选择为15 min。

温度对免疫蛋白分子的活性有一定的影响。温度过低，蛋白质分子的活性降低，使抗原与抗体结合的速度慢，反应时间长；温度较高时，蛋白质分子活性高，抗原抗体结合的速度快，反应时间短。但是，过高的温度将导致抗原和抗体失活或蛋白质流失。因此，适宜的孵育温度能够使抗原抗体充分有效的结合。本实验研究了免疫传感器在不同温度（10～45 ℃）下对同一浓度的AFP的响应电流。从图6可见，免疫电极的响应电流值随测试温度的升高而逐渐减小，说明抗原和抗体结合的速度随着温度的增加而提高。在37 ℃时， 免疫反应最充分，电流响应最大。当温度继续上升，响应电流略有增大，表明过高的孵育温度使少数免疫分子变形或失活，导致免疫传感器表面修饰的抗原抗体部分脱落。鉴于长时间高温也会影响免疫传感器的活性、灵敏性和寿命，免疫传感器的孵育温度选择25 ℃为宜。

图5 孵育时间对免疫传感器的影响

Fig．5 Effect of incubating time on immunoreaction

图6 孵育温度对免疫传感器的影响

Fig．6 Effect of incubating temperature on immunoreaction

3.4 免疫传感器的性能

3.4.1 免疫传感器对AFP抗原的响应性能 在上述选定的实验条件下，免疫传感器与不同浓度的AFP标准溶液孵育后，得到图7中传感器的氧化峰电流与AFP浓度的关系。结果表明，在0.1～150.0

SymbolmA@ g/L的浓度范围内， 氧化峰电流与AFP浓度的对数呈线性关系。其线性回归方程分别为I＝

Symbolm@@ 15.34lgc＋199.3， 相关系数r＝0.9969，检出限（3倍信噪比）为0.03

SymbolmA@ g/L。

图7 峰电流与AFP 抗原浓度的关系

Fig．7 Linear relationship between anodic peak current response and AFP concentration

3.4.2 免疫传感器的选择性 免疫传感器的特异性是免疫分析方法重要的指标之一。免疫传感器对其抗原类似物的交叉反应过大，必然会影响分析的准确性。将免疫传感器分别置于含有20

SymbolmA@ g/L AFP抗原的标准溶液孵育15 min后进行CV检测，记录响应电流值；再将其置于含有20

SymbolmA@ g/L AFP抗原以及模拟人体环境可能存在的干扰物质的溶液中重复上述步骤。加入的干扰物质有：癌胚抗原、乙肝表面抗原、乙肝核心抗原以及牛血清白蛋白、抗坏血酸。实验表明，检测到的响应电流无显著变化。两次的电流响应值相比仅有2.8%的差异，表明该免疫传感器有良好的选择性。

3.5 免疫传感器的初步应用

为了进一步研究该免疫传感器的实用价值，对该免疫传感器进行了回收率测定。以0.1 mol/L PBS （pH 7.4） 为稀释液，配制不同浓度的AFP血清样品溶液。将制备好的免疫电极置于样品溶液中培育15 min后，按实验方法测量响应电流，部分实验结果列于表 1。结果表明本方法的回收率在93.0%～108.0%，此免疫测定方法有望应用于人体血清中AFP的检测。

表1 回收率测定

Table 1 Recovery of prepared immunosensor

SampleStandard value

（mg/L）Found

（mg/L）Recovery

（%）SampleStandard value

（mg/L）Found

（mg/L）Recovery

（%）

155.4108.035049.198.22109.393.04100103.4103.4

4 结 论

实验表明，DMF-MWNT复合物能够有效增大电极比表面积。Fe3O4@Au复合纳米粒子良好的生物相容性，较强的选择性、较高的稳定性、达到吸附平衡时间短及能够固载更多的抗体等优点，提高了免疫传感器的灵敏性。同时，结合磁性纳米材料的顺磁性特点，还能进行回收再生。因此，此免疫传感器具有选择性高、灵敏度高、回收率高、重复性好以及环保等优点，具有很好的应用前景。

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An Immunosensor for α-Fotoprotein Antigen Based on Multi-wakked

Nanotubes/L-Cysteine and Au@ Fe3O4 Nanocomposite

ZHU Yu-Ping1,2, YUAN Ruo.2, CHAI Ya-Qing.2, QIN Song.1, YUAN Ya-Li.2

.1（Department of Chemistry and Chemical Engineering, Neijiang Teachers College, Neijiang 641112, China）

.2（College of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest University, Chongqing 400715, China）

Abstract N,N-Dimethylfomamide（DMF） dispersed MWNTS was firstly modified on the electrode surface, which was in further eletrodeposited a nano-Au layer for immobilization of L-cysteine. Subsequently, Fe3O4@Au nanocomposites were absorbed on the modified electrode surface by the SH-Au bond for increasing the specific surface area and further immobilizing anti-AFP. Finally, bovine serum albumin （BSA） was used to block the non-specific adsorption sites of the immunosensor to obtain a highly sensitive and stable immunosensor. Experiments by transmission electron micros-copy （TEM） were carried out to characterize the prepared MWCNTs and Fe3O4@Au composite nanoparticles. Under optimal conditions, the sensor has a good response to AFP, in the detection range form 0.1 to 150

SymbolmA@ g/L, and detection limit of 0.03 ng/mL.

Keywords Ferriferrous oxide@Au nanocomposites; Carbon nanotubes; L-Cysteine; α-Fotoprotein; Immunosensor

电流传感器篇7

关键词： MEMS； 海洋湍流传感器； 惠斯通电桥； 风洞实验

中图分类号： TN61?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）01?0137?03

海洋湍流[1?2]对整个海洋系统是非常重要的，影响着海洋生产力、生物种群的分布和海洋能量传递[3?5]。目前常使用的海洋湍流传感器是加拿大SPM系列和德国的PNS系列剪切流传感器，它们主要由压电陶瓷作为主要的传感器元件[6]。随着人们对海洋观测技术的不断发展，MEMS技术也逐渐进入海洋观测技术研究领域[7]。MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器，随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展，MEMS传感器以体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、易于集成等特点，迅速在消费电子产品、汽车工业、机械和化工等各领域得到应用[8]。海洋湍流也是物理海洋的重要研究方向，对海洋湍流的观测离不开传感器的应用，因此，应用MEMS的优点设计MEMS海洋湍流传感器。本文介绍了MEMS海洋湍流传感器芯片测量基本原理，重点对传感器芯片进行试验研究。

1 传感器芯片的基本原理

传感器芯片采用压阻式的设计，基本结构如图1所示，它由中央硅膜、敏感梁和支撑基构成梁膜结构。敏感梁作为主要敏感部位，上面布置一个惠斯通电桥[9]。当外界响应作用于中央硅膜时，使中央硅膜产生形变，从而带动敏感梁发生形变。这种形变使得布置在敏感梁上的惠斯通电桥的电阻变形从而发生电阻变化，打破惠斯通电桥的平衡状态，输出电压信号。图2是由MEMS传感器芯片制作的实物。

2 传感器芯片的测试实验

2.1 风洞实验

实验的主要设备有供电电源、传感器、万用表、鼓风机以及传感器的采集电压设备，采集设备使用的是National Instruments 公司的PXle?6368采集卡，分辨率为16位，输入阻抗是100 GΩ。图3是实验现场的照片，可以清楚地看到实验设备的放置。风洞实验中采取两种测试方式：第一种是有风无风交替时对MEMS传感器和剪切流传感器作用的实验；第二种是不同风速下对MEMS传感器作用的实验。

第一种有风无风交替时对MEMS传感器和剪切流传感器作用的实验步骤：

（1） 设置NI采样频率为1 kHz，采集30 s（30 000个电压值）。

（2） 在30 s内，开始先堵住出风口，让风无法通过剪切流传感器和MEMS传感器的时间为5 s。

（3） 然后打开出风口5 s，让剪切流传感器和MEMS传感器有风通过。

（4） 剪切流传感器和MEMS传感器无风通过5 s后再让剪切流传感器和MEMS传感器有风通过5 s。

（5） 30 s后记录完整输出电压。

图4是MEMS传感器与剪切流传感器有风无风时交替实验对比结果，图中上方是剪切流传感器，下方是MEMS传感器。从图中可以明显看到有风和无风时两种传感器输出电压的变化。从实验结果可以看出MEMS传感器有着良好的特性，当外界激励作用于传感器时，传感器输出响应有着明显变化。

第二种是不同风速下对MEMS传感器作用的实验步骤：

（1） 实验器材放置与图3相同，设置NI采样频率为1 kHz，采集3 000个电压值。

（2） 调节不同风速的大小，用NI采集不同风速下MEMS传感器的输出电压值。

（3） 将记录的数据画成横轴为风速，纵轴为电压的图像。

在每一种风速下MEMS传感器输出电压值有3 000个值，把3 000个值用下式的方法拟合成一个值。其中[U1，U2，…，Un]代表3 000个电压值的每一个电压值，[U]代表3 000个电压值最后的计算结果。

[U=U21+U22+…+U2nn，， n=1，2，…，3 000]

每一种风速下3 000个电压值使用上式计算得到的电压值与风速画成的曲线如图5所示，并对实验数据做了三次多项式拟合[10]，把实验数据拟合成曲线。从图中可以得知拟合的曲线平滑而且比较线性。

2.2 水下实验

为了测试MEMS传感器水下的性能，设计了在恒流速水槽中的实验。实验主要设备有供电电源、传感器、万用表、恒流速水槽、流速计以及传感器的采集电压设备，采集电压设备使用的是National Instruments公司的PXle?6368采集卡，采集卡的分辨率为16位，输入阻抗是100 GΩ。图6是MEMS传感器在恒流速水槽中的实验照片。在水下实验中水中静态实验即在0 m/s流速下MEMS传感器的输出响应和动态实验。

动态实验步骤为：

（1） 调整流速，设置NI采样频率为1 kHz，采集30 s（30 000个电压值）。

（2） 在30 s内，开始先让MEMS传感器不放入水中的时间是5 s。

（3） 然后把MEMS传感器放入恒流速水槽，使水流对传感器产生的响应时间是5 s。

（4） MEMS传感器拿出恒流速水槽的时间是5 s。

（5） 30 s后记录完整的输出电压。

图7是MEMS传感器在流速为0 m/s与0.192 m/s下传感器的输出电压对比，两种流速下电压幅值的差值很明显，用式（1）的计算方法对两种电压进行计算可以得出两者差值是75.6 mV。从图8中可以明显得知在有水流和没有水流对MEMS传感器输出电压的响应，并且在0.219 m/s时的电压峰峰值大于0.192 m/s时的峰峰值。因此，MEMS传感器在水中性能良好，设计的实验方案能够得到预期的结果。

3 结 语

MEMS传感器通过梁膜的结构运用压阻的方式实现外界对传感器的响应变化。通过在风洞实验中有风无风交替对MEMS传感器和剪切流传感器作用的实验和不同风速下对MEMS传感器作用的实验，很好地验证了传感器的性能，并且在恒流速水槽中进行水下实验，验证MEMS传感器的水下性能。通过以上实验证明了MEMS传感器具有良好的基本性能。

参考文献

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[2] LUECK R G， WOLK F， YAMAZAKI F. Oceanic velocity microstructure measurements in the 20th century [J]. Journal of Oceanography， 2002， 58（1）： 153?174.

[3] MACOUNT P， LUECK R. Modeling the spatial response of the airfoil shear probe using different sized probes [J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology， 2004， 21： 284?297.

[4] 魏皓，武建平，张平.海洋湍流模式应用研究[J].青岛海洋大学学报，2001，31（1）：7?13.

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[6] 董叶梓，张鹏，张锁平.MEMS传感器技术及其在海洋观测中的应用[J].信息技术，2013（4）：141?144.

[7] 谷磊.海洋微结构剪切流传感器及其载体设计方法与实验研究[D].天津：天津大学，2011.

[8] 王淑华.MEMS传感器现状及应用[J].微纳电子技术，2011，48（8）：516?522.

[9] 杨万明.惠斯通电桥的理论研究[J].大学物理，1994，13（5）：7?12.

电流传感器篇8

关键词：水电站；非电量；传感器；PLC

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.04.143

1 水电站传感器的组成

水电站非电气量信息，包括温度、压力、流量、水位等。这些非电气量信息在水电站生产过程中多数变化过程较为缓慢，一般通过传感器来作为这些非电量信息采集工具。传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成电信号或其他所需形式的信号的器件或装置。[1]传感器的组成如图1所示。

2 水电站常用传感器分类及工作原理

2.1 温度传感器

水电站中的油罐、油箱、气罐、空气压缩机各段温度需要用温度传感器来测量。温度传感器按照传感器材料及电子元件特性分为热电偶和热电阻。

热电偶是利用热电效应来测量温度的，即两种不同成分的金属导体两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势。直接用作测量介质温度的一端叫做测量端，另一端叫做冷端，冷端与显示仪表连接，显示出热电偶所产生的热电动势，通过查询热电偶分度表，即可得到被测介质温度。

热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。[2]

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即：

Rt=R0[1+α（t-t0）]

Rt， R0： 热电阻在t ℃和t0 ℃时的电阻值；α：热电阻的电阻温度系数（1/℃）；t：被测温度（℃）。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为： Rt =AeB/t ；Rt：温度为t时的阻值；A、B：取决于半导体材料的结构的常数。

2.2 压力传感器

水电站中引水、尾水、冷却水、压力油、 压缩空气管管路压力用压力传感器测量。压力传感器有电阻应变式、压阻式、电容式压力传感器等几种。电阻应变式压力传感器利用被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴的电阻应变片感受动态压力的变化。压阻式压力传感器以硅片作为弹性敏感元件，该硅片上有四个等值导体电阻，组成惠斯登电矫，当硅片受力后、由于半导体的压阻效应。电阻值发生变化，使电桥输出而测得压力的变化。电容式压力传感器的电容极板的相对位置会随着压力的变化而改变，从而引起电容的改变，通过对电容的测量，实现压力的测量[3]。

2.3 流量传感器

水电站中发电机空冷器进、出口风温等机组、冷却水流量用流量传感器测量。常用的流量传感器有电磁流量计、容积式流量计和超声波流量计。电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律工作的，上下两端的筛龅绱畔呷Σ生恒定磁场，测量管内的导电水体在磁场中作切割磁力线运动时，则会产生感应电势。其感应电势E为：E=KBVD。

K：仪表常数；B：磁感应强度； V：测量管道截面内的平均流速；

D：测量管道截面的内径。

容积式流量计利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，反复计量通过流量计的流体体积来测量流体体积总量。超声波流量计是利用超声波在流动的流体中传播时，流体的流动将会使传播时间发生微小的变化，并且传播时间的变化正比于水体的流速，由此就能测出流体的流速，再根据管道口径就能计算出流量大小。

2.4 水位传感器

水电站中水库、下游尾、集水井、排水廊道、供水池水位用水位传感器来测量。水位传感器根据其工作原理可分为电磁波雷达水位计和磁性浮子水位计。雷达水位计采用发射―反射―接收的工作模式。雷达水位计的天线发射出的电磁波经水面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到水面的距离成正比，关系式如下[4] ：

D=CT/2 D：雷达水位计到水面的距离；C：光速；T：电磁波运行时间。磁性浮子水位计采用浮力原理和磁性耦合作用来测量的。当被测的水位升降时，水位计的磁性浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，指示器的红白交界处为水位的实际高度，从而实现水位清晰的指示。

3 水电站传感器与PLC连接

传感器采集水电站非电量的信息，输出的信号有0-20mA/4-20mA电流信号和0-75mV/0-5V/1-5V电压信号。4-20mA信号制是国际电工委员会（IEC）过程控制系统用模拟信号标准，现是传感器常用的标准输出信号。图3为PLC与开度传感器连接方式，PLC与传感器的连接要根据传感器与PLC的功能和技术特点进行匹配选型，同时也要考虑到水电站现场各种EMC干扰的影响，通常把传感器输出的模拟信号隔离、放大、转换后送到PLC。PLC通过信号线采集传感器的模拟或数字信号，然后进行处理。

参考文献：

[1]黄继昌.传感器工作原理及应用实例[M].人民邮电出版社， 1998.

[2]姜世昌.温度传感器[J].软件，2008（03）：44-47.

[3]孙以材.压力传感器的设计、制造与应用[M].冶金工业出版社， 2000.

[4]许笠.雷达水位计在水情监测系统中的应用研究[J].人民长江， 2014，45（02）：74-77.