Датчик
Датчик — это устройство , которое генерирует выходной сигнал с целью обнаружения физического явления.
В самом широком определении датчик — это устройство, модуль, машина или подсистема, которая обнаруживает события или изменения в окружающей среде и отправляет информацию на другое электронное оборудование, часто на компьютерный процессор.
Датчики используются в предметах повседневного использования, таких как сенсорные кнопки лифта ( тактильный датчик ) и лампы, которые тускнеют или становятся ярче при прикосновении к основанию, а также в бесчисленных приложениях, о которых большинство людей даже не подозревает. Благодаря достижениям в области микротехники и простым в использовании платформам микроконтроллеров использование датчиков вышло за рамки традиционных областей измерения температуры, давления и расхода. [1] например, в датчики MARG .
Аналоговые датчики, такие как потенциометры и резисторы, чувствительные к силе, по-прежнему широко используются. Их области применения включают производство и машиностроение, самолеты и аэрокосмическую промышленность, автомобили, медицину, робототехнику и многие другие аспекты нашей повседневной жизни. Существует широкий спектр других датчиков, измеряющих химические и физические свойства материалов, включая оптические датчики для измерения показателя преломления, вибрационные датчики для измерения вязкости жидкости и электрохимические датчики для мониторинга pH жидкостей.
Чувствительность датчика показывает, насколько изменяется его выходной сигнал при изменении измеряемой им входной величины. Например, если ртуть в термометре переместится на 1 см при изменении температуры на 1 °C, его чувствительность составит 1 см/°C (по сути, это наклон dy/dx , предполагающий линейную характеристику). Некоторые датчики также могут влиять на то, что они измеряют; например, термометр комнатной температуры, вставленный в горячую чашку с жидкостью, охлаждает жидкость, в то время как жидкость нагревает термометр. Датчики обычно проектируются таким образом, чтобы оказывать небольшое влияние на измеряемые параметры; уменьшение размера датчика часто улучшает эту ситуацию и может дать другие преимущества. [2]
Технологический прогресс позволяет производить все больше и больше датчиков микроскопического масштаба в виде микросенсоров с использованием технологии MEMS . В большинстве случаев микросенсор обеспечивает значительно более быстрое время измерения и более высокую чувствительность по сравнению с макроскопическими подходами. [2] [3] В связи с растущим спросом на быструю, доступную и надежную информацию в современном мире одноразовые датчики — недорогие и простые в использовании устройства для кратковременного мониторинга или однократных измерений — в последнее время приобретают все большее значение. Используя этот класс датчиков, критически важную аналитическую информацию может получить кто угодно, где угодно и в любое время, без необходимости повторной калибровки и беспокойства о загрязнении. [4]
Классификация погрешностей измерений [ править ]
Хороший датчик подчиняется следующим правилам: [4]
- он чувствителен к измеряемому свойству
- он нечувствителен к любому другому свойству, которое может встретиться при его применении, и
- это не влияет на измеряемое свойство.
Большинство датчиков имеют линейную передаточную функцию . Чувствительность затем определяется как соотношение между выходным сигналом и измеряемым свойством. Например, если датчик измеряет температуру и имеет выходное напряжение, чувствительность постоянна и измеряется в единицах [В/К]. Чувствительность – это наклон передаточной функции. Преобразование электрического выхода датчика (например, В) в измеряемые единицы (например, К) требует деления электрического выхода на наклон (или умножения на обратную величину). Кроме того, часто добавляется или вычитается смещение. Например, к выходу необходимо добавить -40, если выход 0 В соответствует входу -40 C.
Чтобы аналоговый сигнал датчика мог быть обработан или использован в цифровом оборудовании, его необходимо преобразовать в цифровой сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя .
Отклонения датчика [ править ]
Поскольку датчики не могут воспроизвести идеальную передаточную функцию , могут возникнуть несколько типов отклонений, которые ограничивают точность датчика :
- Поскольку диапазон выходного сигнала всегда ограничен, выходной сигнал в конечном итоге достигнет минимума или максимума, когда измеряемое свойство выйдет за пределы. Полный диапазон шкалы определяет максимальное и минимальное значения измеряемого свойства. [ нужна цитата ]
- На практике чувствительность может отличаться от указанного значения. Это называется ошибкой чувствительности. Это ошибка наклона линейной передаточной функции.
- Если выходной сигнал отличается от правильного значения на константу, датчик имеет ошибку смещения или смещение . Это ошибка в пересечении оси y линейной передаточной функции.
- Нелинейность – это отклонение передаточной функции датчика от прямолинейной передаточной функции. Обычно это определяется степенью отклонения выходного сигнала от идеального поведения во всем диапазоне датчика, часто выражаемого в процентах от полного диапазона.
- Отклонение, вызванное быстрыми изменениями измеряемого свойства во времени, является динамической ошибкой. Часто такое поведение описывается графиком Боде , показывающим ошибку чувствительности и фазовый сдвиг в зависимости от частоты периодического входного сигнала.
- Если выходной сигнал медленно изменяется независимо от измеряемого свойства, это определяется как дрейф . Длительный дрейф в течение месяцев или лет вызван физическими изменениями в датчике.
- Шум – это случайное отклонение сигнала, которое меняется во времени.
- приводит Ошибка гистерезиса к изменению выходного значения в зависимости от предыдущих входных значений. Если выходной сигнал датчика различается в зависимости от того, было ли достигнуто определенное входное значение путем увеличения или уменьшения входного сигнала, то датчик имеет ошибку гистерезиса.
- Если датчик имеет цифровой выход, выходной сигнал по сути является аппроксимацией измеряемого свойства. Эту ошибку также называют ошибкой квантования .
- Если сигнал контролируется в цифровом виде, частота дискретизации может вызвать динамическую ошибку, или если входная переменная или добавленный шум периодически изменяются с частотой, близкой к частоте, кратной частоте дискретизации, наложения спектров . могут возникнуть ошибки
- Датчик может в некоторой степени быть чувствителен к свойствам, отличным от измеряемого свойства. Например, на большинство датчиков влияет температура окружающей среды.
Все эти отклонения можно классифицировать как систематические ошибки или случайные ошибки . Систематические ошибки иногда можно компенсировать с помощью какой-либо стратегии калибровки . Шум — это случайная ошибка, которую можно уменьшить с помощью обработки сигнала , например фильтрации, обычно за счет динамического поведения датчика.
Разрешение [ править ]
или Разрешение датчика разрешение измерения — это наименьшее изменение, которое можно обнаружить в измеряемой величине. Разрешение датчика с цифровым выходом обычно равно численному разрешению цифрового выхода. Разрешение связано с точностью , с которой производится измерение, но это не одно и то же. Точность датчика может быть значительно хуже его разрешения.
- Например, разрешение расстояния — это минимальное расстояние, которое может быть точно измерено любыми дальномерными устройствами . Во времяпролетной камере разрешение по расстоянию обычно равно стандартному отклонению (общему шуму) сигнала, выраженному в единицах длины .
- Датчик может в некоторой степени быть чувствителен к свойствам, отличным от измеряемого свойства. Например, на большинство датчиков влияет температура окружающей среды.
Химический датчик [ править ]
Химический датчик — это автономное аналитическое устройство, которое может предоставлять информацию о химическом составе окружающей среды, то есть жидкой или газовой фазы . [5] [6] Информация предоставляется в форме измеримого физического сигнала, который коррелирует с концентрацией определенного химического вещества (называемого аналитом ). В функционировании химического сенсора участвуют два основных этапа, а именно распознавание и трансдукция . На этапе распознавания молекулы аналита избирательно взаимодействуют с рецепторными молекулами или сайтами, входящими в структуру распознающего элемента сенсора. Следовательно, характерный физический параметр изменяется, и об этом изменении сообщается с помощью встроенного преобразователя , который генерирует выходной сигнал. Химический сенсор, основанный на распознающем материале биологической природы, является биосенсором . Однако, поскольку синтетические биомиметические материалы в некоторой степени заменят распознающие биоматериалы, резкое различие между биосенсором и стандартным химическим сенсором является излишним. Типичными биомиметическими материалами, используемыми при разработке сенсоров, являются полимеры с молекулярными отпечатками и аптамеры . [7]
датчиков Массив химических
Биосенсор [ править ]
В биомедицине и биотехнологии датчики, которые обнаруживают аналиты благодаря биологическому компоненту, такому как клетки, белки, нуклеиновые кислоты или биомиметические полимеры , называются биосенсорами . Тогда как небиологический сенсор, даже органический (углеродная химия), для биологических аналитов называется сенсором или наносенсором . Эта терминология применима как для применений in vitro, так и in vivo. Инкапсуляция биологического компонента в биосенсорах представляет собой несколько иную проблему, чем обычные сенсоры; это можно сделать либо с помощью полупроницаемого барьера , такого как диализная мембрана или гидрогель , либо трехмерной полимерной матрицы, которая либо физически сдерживает чувствительную макромолекулу , либо химически сдерживает макромолекулу, связывая ее с каркасом.
Нейроморфные сенсоры [ править ]
Нейроморфные сенсоры — это сенсоры, которые физически имитируют структуры и функции биологических нейронных объектов. [12] Одним из примеров этого является камера событий .
МОП-сенсоры [ править ]
Технология металл-оксид-полупроводник (МОП) берет свое начало от МОП-транзистора (МОП-полевого транзистора или МОП-транзистора), изобретенного Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году и продемонстрированного в 1960 году. [13] Позже были разработаны МОП-транзисторы (МОП-сенсоры), и с тех пор они широко используются для измерения физических , химических , биологических параметров и параметров окружающей среды . [14]
Биохимические сенсоры [ править ]
Был разработан ряд датчиков MOSFET для измерения физических , химических , биологических параметров и параметров окружающей среды . [14] Самые ранние датчики MOSFET включают полевой транзистор с открытым затвором (OGFET), представленный Йоханнессеном в 1970 году. [14] ионно -чувствительный полевой транзистор (ISFET), изобретенный Питом Бергвельдом в 1970 году, [15] адсорбционный полевой транзистор (ADFET) , запатентованный П. Ф. Коксом в 1974 году, и чувствительный к водороду МОП-транзистор, продемонстрированный И. Лундстремом, М. С. Шивараманом, К. С. Свенсоном и Л. Лундквистом в 1975 году. [14] ISFET — это особый тип MOSFET с затвором на определенном расстоянии. [14] и где металлический затвор заменен ионочувствительной мембраной , раствором электролита сравнения и электродом . [16] ISFET широко используется в биомедицинских приложениях, таких как обнаружение гибридизации ДНК , обнаружение биомаркеров в крови , обнаружение антител , измерение уровня глюкозы , измерение pH и генетические технологии . [16]
К середине 1980-х годов было разработано множество других датчиков MOSFET, в том числе полевой транзистор с датчиком газа (GASFET), полевой транзистор с поверхностным доступом (SAFET), транзистор потока заряда (CFT), полевой транзистор с датчиком давления (PRESSFET), химический полевой транзистор ( ChemFET), эталонный ISFET (REFET), биосенсорный полевой транзистор (BioFET), ферментно-модифицированный полевой транзистор (ENFET) и иммунологически модифицированный полевой транзистор (IMFET). [14] такие типы BioFET, как полевой транзистор ДНК (DNAFET), генно-модифицированный полевой транзистор (GenFET) и BioFET с клеточным потенциалом (CPFET). К началу 2000-х годов были разработаны [16]
Датчики изображения [ править ]
Технология MOS лежит в основе современных датчиков изображения , включая устройства с зарядовой связью (CCD) и датчик CMOS с активными пикселями (датчик CMOS), используемые в цифровых изображениях и цифровых камерах . [17] Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит разработали ПЗС-матрицу в 1969 году. Исследуя процесс МОП, они поняли, что электрический заряд аналогичен магнитному пузырю и что он может храниться на крошечном МОП-конденсаторе. Поскольку изготовить серию МОП-конденсаторов подряд было довольно просто, к ним подавали подходящее напряжение, чтобы можно было поэтапно перемещать заряд от одного к другому. [17] ПЗС — полупроводниковая схема, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевизионного вещания . [18]
МОП -датчик с активными пикселями (APS) был разработан Цутому Накамура в компании Olympus в 1985 году. [19] Датчик CMOS с активными пикселями был позже разработан Эриком Фоссумом и его командой в начале 1990-х годов. [20]
МОП-датчики изображения широко используются в технологии оптических мышей . Первая оптическая мышь, изобретенная Ричардом Ф. Лайоном из Xerox в 1980 году, использовала размером 5 мкм сенсорный чип NMOS . [21] [22] Начиная с первой коммерческой оптической мыши IntelliMouse , представленной в 1999 году, в большинстве оптических мышей используются датчики CMOS. [23]
Датчики мониторинга [ править ]
Датчики мониторинга MOS используются для мониторинга дома , офиса и сельского хозяйства , мониторинга дорожного движения (включая скорость автомобиля , пробки и дорожно-транспортные происшествия ), мониторинга погоды (например, дождя , ветра , молнии и штормов ), мониторинга защиты и мониторинга температуры. , влажность , загрязнение воздуха , пожар , здоровье , безопасность и освещение . [25] МОП- датчики газовых детекторов используются для обнаружения угарного газа , диоксида серы , сероводорода , аммиака и других газовых веществ. [26] Другие МОП-сенсоры включают интеллектуальные датчики. [27] и технология беспроводной сенсорной сети (WSN). [28]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Беннетт, С. (1993). История техники управления 1930–1955 гг . Лондон: Peter Peregrinus Ltd. от имени Института инженеров-электриков. ISBN 978-0-86341-280-6 В источнике говорится «органы управления», а не «датчики», поэтому его применимость предполагается. Многие единицы получены на основе основных измерений, к которым они относятся, таких как уровень жидкости, измеренный датчиком перепада давления.
{{cite book}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б Цзихун Ян (2015). Прогнозирование машинного оборудования и прогнозно-ориентированное управление техническим обслуживанием . Wiley & Sons Сингапур Pte. ООО с. 107. ИСБН 9781118638729 .
- ^ Ганеш Кумар (сентябрь 2010 г.). Современные общие знания . Публикации Упкара. п. 194.ISBN 978-81-7482-180-5 .
- ^ Перейти обратно: а б Динсер, Банка; Брух, Ричард; Коста-Рама, Эстефания; Фернандес-Абедул, Мария Тереза; Меркочи, Арбен; Манц, Андреас; Урбан, Джеральд Антон; Гюдер, Фират (15 мая 2019 г.). «Одноразовые датчики в диагностике, пищевом и экологическом мониторинге» . Передовые материалы . 31 (30): 1806739. doi : 10.1002/adma.201806739 . hdl : 10044/1/69878 . ISSN 0935-9648 . ПМИД 31094032 .
- ^ Тониоло, Розанна; Досси, Николо; Джанниливини, Эмануэле; Фаттори, Андреа; Свигель, Росселла; Бонтемпелли, Джино; Джакомино, Аньезе; Даниэле, Сальваторе (3 марта 2020 г.). «Модифицированный электрод для трафаретной печати, подходящий для электрохимических измерений в газовой фазе» . Аналитическая химия . 92 (5): 3689–3696. дои : 10.1021/acs.analchem.9b04818 . ISSN 0003-2700 . ПМИД 32008321 . S2CID 211012680 .
- ^ Бунич, Флоринель-Габриэль (2012). Химические сенсоры и биосенсоры: основы и применение . Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons. п. 576. ИСБН 978-1-118-35423-0 .
- ^ Свигель, Росселла; Досси, Николо; Пиццолато, Стефания; Тониоло, Розанна; Миранда-Кастро, Ребека; де-лос-Сантос-Альварес, Ноэми; Лобо-Кастаньон, Мария Хесус (1 октября 2020 г.). «Укороченные аптамеры как селективные рецепторы в датчике глютена, обеспечивающие прямое измерение в глубоком эвтектическом растворителе». Биосенсоры и биоэлектроника . 165 : 112339. дои : 10.1016/j.bios.2020.112339 . hdl : 10651/57640 . ПМИД 32729482 . S2CID 219902328 .
- ^ Альберт, Кейт Дж.; Льюис, Натан С.; Шауэр, Кэролайн Л.; Сотцинг, Грегори А.; Ститцель, Шеннон Э.; Вайд, Томас П.; Уолт, Дэвид Р. (1 июля 2000 г.). «Кросс-реактивные химические сенсорные матрицы» . Химические обзоры . 100 (7): 2595–2626. дои : 10.1021/cr980102w . ISSN 0009-2665 . ПМИД 11749297 .
- ^ Джонсон, Кевин Дж.; Роуз-Перссон, Сьюзен Л. (10 июля 2015 г.). «Проектирование сенсорной матрицы для сложных задач измерения» . Ежегодный обзор аналитической химии . 8 (1): 287–310. Бибкод : 2015ARAC....8..287J . doi : 10.1146/annurev-anchem-062011-143205 . ISSN 1936-1327 . ПМИД 26132346 .
- ^ Ли, Чжэн; Аским, Джон Р.; Саслик, Кеннет С. (9 января 2019 г.). «Оптоэлектронный нос: колориметрические и флуорометрические сенсорные матрицы» . Химические обзоры . 119 (1): 231–292. doi : 10.1021/acs.chemrev.8b00226 . ISSN 0009-2665 . ПМИД 30207700 . S2CID 206542436 .
- ^ Аским, Джон Р.; Махмуди, Мортеза; Саслик, Кеннет С. (21 октября 2013 г.). «Массивы оптических датчиков для химического зондирования: оптоэлектронный нос» . Обзоры химического общества . 42 (22): 8649–8682. дои : 10.1039/C3CS60179J . ISSN 1460-4744 . ПМИД 24091381 .
- ^ Ванарсе, Ануп; Оссейран, Адам; Рассау, Александр (2016). «Обзор современных нейроморфных подходов к зрительным, слуховым и обонятельным сенсорам» . Границы в неврологии . 10 : 115. дои : 10.3389/fnins.2016.00115 . ПМЦ 4809886 . ПМИД 27065784 .
- ^ «1960: Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель: хронология полупроводников в компьютерах . Музей истории компьютеров . Проверено 31 августа 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Это ж Бергвельд, Пит (октябрь 1985 г.). «Воздействие датчиков на основе MOSFET» (PDF) . Датчики и исполнительные механизмы . 8 (2): 109–127. Бибкод : 1985SeAc....8..109B . дои : 10.1016/0250-6874(85)87009-8 . ISSN 0250-6874 .
- ^ Крис Тумазу; Пантелис Георгиу (декабрь 2011 г.). «40 лет технологии ISFET: от нейронального зондирования до секвенирования ДНК» . Электронные письма . Проверено 13 мая 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Шенинг, Майкл Дж.; Погосян, Аршак (10 сентября 2002 г.). «Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)» (PDF) . Аналитик . 127 (9): 1137–1151. Бибкод : 2002Ана...127.1137С . дои : 10.1039/B204444G . ISSN 1364-5528 . ПМИД 12375833 .
- ^ Перейти обратно: а б Уильямс, Дж. Б. (2017). Электронная революция: изобретая будущее . Спрингер. стр. 245 и 249. ISBN. 9783319490885 .
- ^ Бойл, Уильям С; Смит, Джордж Э. (1970). «Полупроводниковые приборы с зарядовой связью». Белл Сист. Тех. Дж . 49 (4): 587–593. дои : 10.1002/j.1538-7305.1970.tb01790.x .
- ^ Мацумото, Казуя; и другие. (1985). «Новый МОП-фототранзистор, работающий в режиме неразрушающего считывания». Японский журнал прикладной физики . 24 (5А): Л323. Бибкод : 1985JaJAP..24L.323M . дои : 10.1143/JJAP.24.L323 . S2CID 108450116 .
- ^ Эрик Р. Фоссум (1993), «Активные пиксельные датчики: динозавры ПЗС?» Учеб. ШПИОН Том. 1900, с. 2–14, Устройства с зарядовой связью и твердотельные оптические датчики III , Морли М. Блук; Эд.
- ^ Лион, Ричард Ф. (2014). «Оптическая мышь: раннее биомиметическое встроенное зрение» . Достижения в области встроенного компьютерного зрения . Спрингер. стр. 3–22 (3). ISBN 9783319093871 .
- ^ Лион, Ричард Ф. (август 1981 г.). «Оптическая мышь и архитектурная методология интеллектуальных цифровых датчиков» (PDF) . В ХТ Кунг; Роберт Ф. Спроулл; Гай Л. Стил (ред.). Системы СБИС и вычисления . Пресса по информатике. стр. 1–19. дои : 10.1007/978-3-642-68402-9_1 . ISBN 978-3-642-68404-3 .
- ^ Брэйн, Маршалл; Кармак, Кармен (24 апреля 2000 г.). «Как работают компьютерные мыши» . Как это работает . Проверено 9 октября 2019 г.
- ^ «LiDAR против 3D ToF-сенсоров — как Apple делает дополненную реальность лучше для смартфонов» . Проверено 03 апреля 2020 г.
- ^ Омура, Ясухиса; Маллик, Абхиджит; Мацуо, Наото (2017). МОП-устройства для низковольтных и энергосберегающих приложений . Джон Уайли и сыновья . стр. 3–4. ISBN 9781119107354 .
- ^ Сунь, Цзяньхай; Гэн, Чжаосинь; Сюэ, Нин; Лю, Чуньсю; Ма, Тяньцзюнь (17 августа 2018 г.). «Мини-система, интегрированная с сенсором металл-оксид-полупроводник и газовой хроматографической колонкой с микронасадкой» . Микромашины . 9 (8): 408. дои : 10.3390/mi9080408 . ISSN 2072-666X . ПМК 6187308 . ПМИД 30424341 .
- ^ Мид, Карвер А.; Исмаил, Мохаммед, ред. (8 мая 1989 г.). Аналоговая реализация нейронных систем СБИС (PDF) . Международная серия Kluwer по инженерным наукам и информатике. Том. 80. Норвелл, Массачусетс: Kluwer Academic Publishers . дои : 10.1007/978-1-4613-1639-8 . ISBN 978-1-4613-1639-8 .
- ^ Оливейра, Жуан; Идет, Жоау (2012). Параметрическое усиление аналогового сигнала применительно к наноразмерным КМОП-технологиям . Springer Science & Business Media . п. 7. ISBN 9781461416708 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- М. Кречмар и С. Уэлсби (2005), Емкостные и индуктивные датчики смещения, в Справочнике по сенсорным технологиям, редактор Дж. Уилсона, Newnes: Берлингтон, Массачусетс.
- К.А. Граймс, EC Дики и М.В. Пишко (2006), Энциклопедия датчиков (набор из 10 томов), American Scientific Publishers. ISBN 1-58883-056-X
- Блаув, Ф.Дж., Шенк, Х.М., Джеронимус, Б.Ф., ван дер Крике, Л., де Йонге, П., Айелло, М., Эмеренсия, AC (2016). Давайте Physiqual – интуитивно понятный и универсальный метод объединения сенсорных технологий с мгновенными экологическими оценками . Журнал биомедицинской информатики, том. 63, стр. 141–149.
- http://www.cbm-sweden.se/images/Seminarie/Class_Descriptions_IDA_MEMS.pdf (см. https://web.archive.org/web/20160304105724/http://www.cbm-sweden.se/images/Seminarie /Class_Descriptions_IDA_MEMS.pdf )
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
