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

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1 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
儀器學 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

2 The Ozone layer over the South Pole
1. The ozone layer is depleting at a fast rate in 1985 ---- Measured by ultraviolet 2. The satellite data indicated that is normal since 1975 ---- the variation of satellite was deleted

3 地球暖化是騙局!

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5 1.冰芯數據顯示的溫度與二氧化碳關係，其實是溫度上升造成二氧化碳增加
工業大幅進步，但全球溫度卻下降→溫度與工業發展的關聯並非絕對 3.二氧化碳在所有溫室氣體中所佔的比例極低→影響不可能如此巨大

6 4.產生二氧化碳的多寡： 動物+植物(1500億噸)＞人類(65億噸) 火山＞工廠+汽車+人類 海洋為最大產出者→海洋溫度越高釋出越多二氧化碳

7 5.真正造成溫度變化的是太陽的活動：太陽活動影響宇宙射線→宇宙射線遇到水氣形成雲→雲可以阻斷陽光→溫度下降
6.二氧化碳造成暖化的說法來自於柴契爾夫人發展核能的計畫 7.環保極端者反對資本主義，利用此說法來抵制工業化

8 8.氣候研究的模型的假設不符合真實(Ex：模型假設一年增加1﹪的二氧化碳，實際上十年只增加約0.49)
9. 為數眾多的產業、媒體依附著「人為造成暖化」的說法而生 10.過去曾有更高溫的紀錄，南極和格陵蘭也沒有融化

9 ~多數原始溫度數據採集點不合格~ 按照美國官方的國家海洋大氣管理局（NOAA）的氣象站標準，他們發現已經調查的氣象站中，有56％是嚴重不合格的（誤差高于5攝氏度）；87%的氣象站是不合格的（誤差高于1攝氏度）。 這些不合格的氣象站的測量數據多數是偏向暖化一邊的。 很多合格氣象站原本位在偏遠地區，隨著時間的推進，氣象站所在的地區逐漸地城市化。所以造成測量到的大氣平均溫度上升。

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14 1. 儀器學 2. 感測器 3. 感測系統 4. 醫學感測器 5. 生醫感測器 6. 生物感測器 7. 生物晶片
名辭定義 1. 儀器學 2. 感測器 3. 感測系統 4. 醫學感測器 5. 生醫感測器 6. 生物感測器 7. 生物晶片

15 儀器與感測器 1. 原理相同 2. 應用方式不同 a.醫院的生化檢查設備 b.血壓計與血糖計

16 1 準確性: 讀出值 – 標準值 2. 何謂標準值? 3. 影響讀出值的因子? 4. 量測誤差 5. 量測不確定度
量測的學術觀念 1 準確性: 讀出值 – 標準值 2. 何謂標準值? 3. 影響讀出值的因子? 4. 量測誤差 5. 量測不確定度

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18 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?

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22 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。
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。

23 I.中醫 望、聞、問、切 II.西醫 量測體溫、血壓 驗尿、驗血 心電圖、X光、超音波
生病找中醫或西醫 I.中醫 望、聞、問、切 II.西醫 量測體溫、血壓 驗尿、驗血 心電圖、X光、超音波

24 I.中醫 老醫師的老經驗 II.西醫 7年學校、駐院實習
生病找中醫或西醫 I.中醫 老醫師的老經驗 II.西醫 7年學校、駐院實習

25 2013年 工具機產業 1. 德國 2. 日本 3. 台灣

26 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。
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。

27 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
以 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

28 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
1990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

29 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.稻熱病與預警作業:大氣溫、濕度資料

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31 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
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

32 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。

33 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
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

34 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”。

35 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)。

36 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。
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。

37 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

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39 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)
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)

40 感測系統(儀器 或 感測器) 的特殊性與共通性
感測系統(儀器 或 感測器) 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

41 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…

42 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

43 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。
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。

44 以血糖計為例 A.血漿與純葡萄糖混合物

45 追涉制度 實例： 市場的電子天平、 加油站油表。

46 七大基準量 1.時間 長度 3.質量 溫度 5.光量 電流 7.莫耳

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49 Primary standard Secondary standard 1st class 2nd class 3rd class
追涉制度 Primary standard Secondary standard 1st class 2nd class 3rd class

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51 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

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54 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？
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？

55 B.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：

56 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…

57 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
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

58 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。

59 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/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…

60 生物感測器的歷史教訓 年 40000篇學術論文

61 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。

62 感測器之組成 感測元件 + 訊號處理 + 訊號加工 + 訊號表現

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64 一、感測元件 1. 物理性 2. 化學性 3. 生物性

65 二、感測元件與量測對象產生反應 1. 玻璃管內水銀 vs 溫度，高度變化 2. 石蕊試紙 vs 酸鹼性，顏色變化 3. 白金金屬 vs 溫度，電阻變化 4. 電容材料 vs 相對濕度， 電容係數變化 5. 光電電池 vs 太陽光，電流變化

66 訊號處理 1. 放大 2. 轉換，電阻→電壓 　　　　 頻率→電壓 3. 過濾

67 訊號加工 – 將處理後之訊號，再轉換成為原來的量測值
1. 20℃，熱偶線輸出40 mv，放大50倍成2V，轉換計算 2V x k1 = 20℃，k1 =10℃/v

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71 訊號加工 – 將處理後之訊號，再轉換成為原來的量測值
2. 20℃，白金中阻輸出為120 Ohm，以惠斯登 電橋轉換成0.25V，再計算成0.25 x ℃ = 20℃ 計算公式 y = 0.25．x + 5

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75 1. 為了方便計算 A/D→IC→D/A IC內建計算公式 2. 經D/A轉換之電壓訊號，以LCD表現或以數字訊號傳輸

76 1. A/D→IC→D/A，稱為訊號加工 2. IC內建方程式為校正公式 校正公式 y = f(x) X：量測值，y：標準值 例如：
X（電壓，V） y（重量，g） 0.111 10 0.505 50 1.002 100 1.998 200 3.005 300 5.011 500

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78 如何建立校正公式 1. 具有標準值 a. 標準物質 b. 標準環境 2. 統計學之迴歸分析技術

79 例1：玻璃溫度計 1. 元件：水銀，對象：溫度 2. 反應：水銀柱高低 3. 標準環境 水三相點：0℃ 水準點：100℃
4. 校正公式：區隔100等份

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81 溫度與水銀柱高度

82 Ice-Point Calibration Method

83 例2：天平 1. 元件： Load cell, 對象：重量 2. 反應：電阻變化，轉換成電壓 3. 標準物質：砝碼
4. 校正公式：y = bo +b．X

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85 例3：光量計 1. 元件：光電電池，對象：光量 2. 反應：電流變化，轉換電壓 3. 標準環境：光源產生器 （LiCOR-1800）
4. 校正公式： y = KX

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88 例4：熱偶線溫度計 1. 元件：雙金屬熱偶線，對象：溫度 2. 反應：mv，放大為V
3. 標準環境：溫度校正器，產生 0,10,20,30,40,50℃ 4. 校正公式：y = C0 + C1X + C2X2 + C3X3…

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91 例5：酸鹼計（pH計） 1. 元件：電解液，對象：溶液中H離子 2. 反應：電位值，V 3. 標準物質：pH校正液，
4. 校正公式：y = d0 + d1*T*X T為溫度，因此必須同時量測溫度

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93 例6：血糖計 1. 元件：葡萄糖酶，對象：人體血液之糖份含量 2. 反應：溶氧濃度 3. 間接量測：以溶氧計量測反應溶液
4. 標準物質：人工血漿，配合葡萄糖。 5. 比對法：與其他量測法之量測值比較

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