感測原理與應用感測原理與應用

中興大學生機系

生物系統工程研究室

“Sensing, Modeling, Controlling”

網站：bse.nchu.edu.tw

問題問題

對數字/尤其電子式數字的崇拜

To see, to believe!

What is your sight?

What is the accuracy and uncertainty?

工作實例工作實例

A.音波感測穀物水份：

a.對象：稻穀水份

b.感測：掉落撞擊音波

c.問題：加工廠各種噪音

d.解決：音頻過濾與放大

Performance test for rough rice moisture meter

Performance test for rough rice Performance test for rough rice moisture metermoisture meter

B.蘭科作物生理感測

a.目的：作物最佳栽培溫度與光量

b.量測對象：同化箱進出風量的O2、

CO2、RH…。

c.計算作物生理速率

d.發現：蝴蝶蘭C3&CAM，

霍山石斛的C3。

蝴蝶蘭光合作用率測定蝴蝶蘭光合作用率測定

Measure the sugar content of the Measure the sugar content of the solutions by TDR (Time Domain solutions by TDR (Time Domain

ReflectometryReflectometry) system) system

Control panel and waveform graphControl panel and waveform graph

The Performance of Infrared Tympanic The Performance of Infrared Tympanic ThermometryThermometry

The site of tympanic membrane temperature can The site of tympanic membrane temperature can represent the core temperaturerepresent the core temperature

hypothalamus

Source：Braun IRT3020 package

The calibration of IRThe calibration of IR--thermometrythermometry

Quantitative measurement for body Quantitative measurement for body perspiration:perspiration: Respond area in palmRespond area in palm

Schematic of measuring systemSchematic of measuring system

Pump

RH＆Temp Sensor

Dataloger

Computer

Flowmeter

Control swith

Respond area

RH＆Temp Sensor

Flowdirection

The determination of milk composition by The determination of milk composition by the AC impedance analyzerthe AC impedance analyzer

Working ElectrodeWorking Electrode

The AC impedance workstationThe AC impedance workstation

Detection of orchids virus by Detection of orchids virus by voltammetryvoltammetry

The diagram of electrodesThe diagram of electrodes

working

N2 purgereference

auxiliary

一、感測的重要一、感測的重要

傳統的研究方式：以觀察、經驗、歸

納，缺乏量化標準。

以統計技術協助：量化的數據是否正

確？

實例：生長箱內的光量。

精確與量化精確與量化

不能與量化結合的科學，在二十一世紀無

發展可能。

A.傳統工業：要求精確的量測。

B.生物工程：結合生物、化學與工程，

基礎在於量化數據。

以以19501950--19991999的化學領域的化學領域

1.新型儀器設備的發明：

NMR(核磁共振)

X-Ray

NIR(近紅外線)

2.結合數學與電腦運算能力

19901990以後的生物領域以後的生物領域

1.新型儀器設備的發明：

結合物理原理

2.統計原理更加重要

3.結合數學與電腦運算能力:

生物資訊

知識建立的四大階段知識建立的四大階段

1.Data

2.Information

3.Knowledge (Know-how)

4.Intelligence

儀器設備的誤用儀器設備的誤用

a.生物反應器的pH 量測

b.近紅外光對水果糖份量測

近紅外光的穿透力0.8㎜

成功：蓮霧(日本)

失敗：鳳梨、釋迦、水梨…

c.海洋大學水產養殖的DO計

d.稻熱病與預警作業:大氣溫、濕度資料

研究方法研究方法

a.量測、收集正確的數據

b.數據整理：統計基礎

c.數學模式的建立與驗證

以藥物動力學為例以藥物動力學為例

A.藥物使用：口服、外貼、皮下注射、

靜脈注射。

B.藥劑如何在人體內擴散

a.傳統方式：經驗觀察

b.現代研究：心臟/邦浦(電壓)、

血管/水道(電路)、

內臟/蓄水庫(電容)。

二、感測系統的發展二、感測系統的發展

A.人類科學的發展：數學、物理、化學、生物。

B.感測系統的發展：

a.物理感測：溫度、壓力、時間。

b.化學感測：酸鹼度(pH計)、電導度(EC計)、

溶氧計(DO計)…等。

c.生物感測：

d.生醫感測：針對人體生理進行感測。

名詞定義名詞定義

a.感測器(Sensor)

b.……計(Meter)

c.儀表(水表、電表、計程車費用表)

d.感測系統

感測原理感測原理

A.感測對象與感測元件→產生反應(訊號)

溫度與玻璃柱內水銀→水銀體積增大，

水銀柱增長。

B.如何察覺反應

a.人類的感官，尤其是視覺，因此pH計的

顏色變化。

Note：也因此研究人員反而對“看不見”

則“不相信”。

C.人類無法直接察覺的變化

a.機械變化：例如双金屬彎曲(溫度)、

毛髮的伸長(相對濕度)。

b.光學變化：反射率、折射率…等。

c.電學變化：電壓、電流、電感等。

d.能量變化：電能(電化學等)。

藉助其他設備以觀察變化藉助其他設備以觀察變化

a.機械微小變化：槓桿放大。

b.光學：感光材料轉換成能量。

c.電學：電壓、電流等

三用電表。

感測系統的組成感測系統的組成

感測元件 + 訊號處理 + 訊號加工 + 訊號表現

a.感測元件

b.訊號處理：轉換(電容→電壓)

放大(微伏→伏特)

c.訊號加工：校正方程式

d.訊號表現：1.LED直接讀出

2.電壓/電流輸出

數據的收集、整理數據的收集、整理

1.數據記錄器(data logger)

2.統計分析

3.數學模式運算(系統工程之基礎)

感測系統的特殊性與共通性感測系統的特殊性與共通性

A.特殊性 B.共通性

a.元件

b.訊號處理

c.訊號加工

d.訊號呈現

感測器的分類感測器的分類

A.物理感測

a.機械感測：重量、長度、速度、

加速度、硬度…

b.電性感測：電壓、電流、電阻…

B.化學感測

C.生物感測：器官、組織、細胞、DNA、

核酸…

感測器的校正感測器的校正

A.以溫度計為例：0℃與100℃。

B.以時間為例：太陽、月亮的運行。

Key：對象與反應輸出的關係

例如：a.溫度與水銀柱高度

b.重量與彈簧伸長量

校正：校正：

與標準値比對，建立其關係式

A.標準環境：溫度、光量、

電量…。

B.標準物質：質量、pH液。

以穀物水份計為例以穀物水份計為例

A.國家法規：12﹪-28﹪

Ⅰ級標準： 0.5-0.7﹪

標準稻穀的製作(M 0.2﹪)

±±

追涉制度追涉制度

實例：

市場的電子天平、

加油站油表。

七大基準量七大基準量

1.時間 2.長度

3.質量 4.溫度

5.光量 6.電流

7.莫耳

追涉制度追涉制度

Primary standard

Secondary standard

1st class

2nd class

3rd class

感測器性能感測器性能

1.準確性 Ei = Ri － Si

2.精密性、重覆性

3.線性與非線性

對象值 = b0 + b1．訊號值

4.使用環境(溫度、電壓、振動)

5.老化，使用時間影響

不確定度不確定度(Uncertainty)(Uncertainty)所有影響因子對於量測不確定度的

綜合影響

＜實例＞天平是否準確？

a.校正用砝碼

b.待測物放置位置

c.周圍環境的風速

d.人為操作問題

以人體溫度量測為例以人體溫度量測為例

a.腔溫、肛溫、腋溫

b.耳溫

“SARS”風暴與天佑台灣!

產業界的歷程管理產業界的歷程管理

A.產品的品質

B.製作的流程

C.生產的環境

D.使用的原料

實例

事項 電子晶圓 鯛魚 巴西蘑菇

品質 缺陷 重金屬與化學物 多醣體與重金屬

流程 － － 菌絲、子實體

環境 溫濕度、 水中溶氧、 空氣溫、濕度、

清潔性 溫度 土溫

原料 魚苗、飼料 菌種、介質

1.品質報告

2.製程報告

3.環境記錄

4.原料檢查報告

Latest：檢查的儀器，設備其

不確定度多少？

三、感測器三、感測器

A.物理感測：機械與電性

對象：為非生物、非化學性、穩定

性高，準確性、精密性優良。

問題面：準確性、精密性的要求

提高。

何謂精密工業？

B.B.化學感測化學感測

工學院的化工系、環工系與

未來生物工程系、生醫工程系。

空氣：O2、CO2、N2、CO、NH3、H2S…

水質：pH、EC、DO、單一離子、

土壤：

C.C.環境感測環境感測((綜合應用綜合應用))

a.空氣：溫度、濕度、光量、

UV-B、臭氧含量。

b.水質：微生物…

c.土壤：微生物…

品質感測品質感測

1.稻穀：水分、澱粉、蛋白質。

2.水果：甜度、外觀、農藥殘留量。

3.菇類：多醣體、三萜體。

4.藥用植物：金線蓮鍺含量

生物的生理感測生物的生理感測

A.植物：光合作用、呼吸作用、

蒸散作用、養份吸收。

B.動物：呼吸速率、代謝率、體溫散失率…

C.人體：生醫工程or生醫檢測

(X-Ray，核磁共振，正子法量測)

血糖計、尿蛋白計。

生物感測器生物感測器//生物晶片生物晶片

重點：感測元件為生物性材料

器官(兔肝)、組織

酶，微生物…等，

細胞，DNA…

生物感測器的歷史教訓生物感測器的歷史教訓

1970-2005年

30000篇學術論文

目前唯一的產品：血糖計目前唯一的產品：血糖計

關鍵技術：

1.生物元件的使用壽命，保存方式…。

2.生物元件與訊號處理元件如何連結？

3.生物性標準物質如何製作？

血糖計的人工血液。

4.如何量產與品管。

5.使用時間/貯存時間的界定。

生物晶片生物晶片//生物感測器的研發生物感測器的研發

A.有生物與化學背景

無感測系統的概念，因此有無數

專利，但是沒有實用性的產品。

B.有理工背景

不懂生物與化學，因此不知如何

採用生物性元件？

2.由最基礎原理開始

A.數學、物理、化學、生物與統計

B.瞭解感測系統的原理

C.實作與研發

生物感測器的歷史教訓生物感測器的歷史教訓

1970-2005年

30000篇學術論文

生物感測器的歷史教訓生物感測器的歷史教訓

1. 科技的過度分工

2. 追求新潮而忽略基礎

期盼與勉勵期盼與勉勵

自基本工夫開始!

感測原理與應用 問題 工作實例Performance test for rough rice moisture meterMeasure the sugar content of the solutions by TDR (Time Domain Reflectometry) systemControl panel and waveform graphThe Performance of Infrared Tympanic Thermometry�The site of tympanic membrane temperature can represent the core temperatureThe calibration of IR-thermometry Quantitative measurement for body perspiration: Respond area in palmSchematic of measuring systemThe determination of milk composition by � the AC impedance analyzer Working Electrode The AC impedance workstationDetection of orchids virus by voltammetry The diagram of electrodes 一、感測的重要 精確與量化以1950-1999的化學領域1990以後的生物領域 知識建立的四大階段 儀器設備的誤用 研究方法 以藥物動力學為例二、感測系統的發展 名詞定義 感測原理 藉助其他設備以觀察變化 感測系統的組成 數據的收集、整理感測系統的特殊性與共通性 感測器的分類 感測器的校正 校正： 以穀物水份計為例 追涉制度 七大基準量 追涉制度 感測器性能 不確定度(Uncertainty) 以人體溫度量測為例產業界的歷程管理三、感測器 B.化學感測C.環境感測(綜合應用) 品質感測 生物的生理感測生物感測器/生物晶片 生物感測器的歷史教訓目前唯一的產品：血糖計生物晶片/生物感測器的研發 生物感測器的歷史教訓 生物感測器的歷史教訓 期盼與勉勵