stringtranslate.com

Датчик

Различные типы датчиков света

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 микромашин и простых в использовании платформ 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 получили все большее распространение. важность. 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

Инфракрасный датчик

Хороший датчик подчиняется следующим правилам: [4]

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

Поскольку датчики не могут воспроизвести идеальную передаточную функцию , могут возникнуть несколько типов отклонений, которые ограничивают точность датчика :

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

Разрешение датчика или 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.

Химический датчик

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 виде 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]

Биосенсор

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 датчики

Нейроморфные сенсоры — это сенсоры, которые физически имитируют структуры и функции биологических нейронных объектов. [8] Одним из примеров является камера событий .

МОП-сенсоры

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. [9] МОП-транзисторы (МОП-сенсоры). были позже разработаны и с тех пор широко используются для измерения физических , химических , биологических параметров и параметров окружающей среды . [10]

Биохимические датчики

Был разработан ряд датчиков MOSFET для измерения физических , химических , биологических параметров и параметров окружающей среды . [10] Самые ранние датчики MOSFET включают полевой транзистор с открытым затвором (OGFET), представленный Йоханнессеном в 1970 году, [10] ионно -чувствительный полевой транзистор (ISFET), изобретенный Питом Бергвельдом в 1970 году, [11 ] 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. [10] ISFET представляет собой особый тип MOSFET с затвором. на определенном расстоянии [10] и где металлический затвор заменен ионочувствительной мембраной , раствором электролита и электродом сравнения . [12] 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 . [12]

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). [10] К началу 2000-х годов были разработаны такие типы BioFET, как полевой транзистор ДНК (DNAFET), генно-модифицированный полевой транзистор (GenFET) и BioFET с клеточным потенциалом (CPFET). [12]

Датчики изображения

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 . [13] 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 подключили подходящее напряжение, чтобы заряд можно было поэтапно перемещать от одного к другому. [13] ПЗС — это полупроводниковая схема, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевизионного вещания . [14]

МОП -сенсор с активными пикселями (APS) был разработан Цутому Накамурой в компании Olympus в 1985 году . [15] КМОП-сенсор с активными пикселями был позже разработан Эриком Фоссумом и его командой в начале 1990-х годов. [16]

МОП-датчики изображения широко используются в технологии оптических мышей . Первая оптическая мышь, изобретенная Ричардом Ф. Лайоном из Xerox в 1980 году, использовала сенсорный чип NMOS размером 5  мкм . [17] [18] Начиная с первой коммерческой оптической мыши IntelliMouse , представленной в 1999 году, в большинстве оптических мышей используются датчики CMOS. [19]

Датчики мониторинга

Датчик LIDAR (внизу в центре) как часть системы камеры iPad Pro . [20]

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 . [21] МОП -датчики газа используются для обнаружения угарного газа , диоксида серы , сероводорода , аммиака и других газовых веществ. [22] Другие МОП-сенсоры включают интеллектуальные датчики [23] и технологию беспроводной сенсорной сети (WSN). [24]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Беннетт, С. (1993). История техники управления 1930–1955 гг . Лондон: Peter Peregrinus Ltd. от имени Института инженеров-электриков. ISBN 978-0-86341-280-6В 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 )
  2. ^ Аб Цзихун Ян (2015). Прогнозирование машинного оборудования и прогнозно-ориентированное управление техническим обслуживанием. Wiley & Sons Сингапур Pte. ООО с. 107. ИСБН 9781118638729.
  3. ^ Ганеш Кумар (сентябрь 2010 г.). Современные общие знания. Упкар Пракашан. п. 194. ИСБН 978-81-7482-180-5.
  4. ^ ab Dincer, Кан; 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.
  5. ^ 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. doi : 10.1021/acs.analchem.9b04818. ISSN  0003-2700. PMID  32008321. S2CID  211012680.
  6. ^ Буник, Флоринель-Габриэль (2012). Химические сенсоры и биосенсоры: основы и применение . Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons. п. 576. ИСБН 978-1-118-35423-0.
  7. ^ 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 сенсоре глютена, поддерживающие прямое измерение в глубоком эвтектическом растворителе». Биосенсоры и биоэлектроника . 165 : 112339. doi : 10.1016/j.bios.2020.112339. hdl : 10651/57640 . PMID  32729482. S2CID  219902328.
  8. ^ 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. 
  9. ^ «1960: Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель: хронология полупроводников в компьютерах . Музей истории компьютеров . Проверено 31 августа 2019 г.
  10. ^ abcdef Бергвелд, 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.
  11. ^ Крис Тумазу; Пантелис Георгиу (декабрь 2011 г.). «40 лет технологии ISFET: от нейронального зондирования до секвенирования ДНК». Электронные письма . Проверено 13 мая 2016 г.
  12. ^ abc 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...127.1137S. дои : 10.1039/B204444G. ISSN  1364-5528. ПМИД  12375833.
  13. ^ Аб Уильямс, JB (2017). Электронная революция: изобретая будущее. Спрингер. стр. 245 и 249. ISBN. 9783319490885.
  14. ^ Бойл, Уильям С; Смит, Джордж Э. (1970). «Полупроводниковые приборы с зарядовой связью». Белл Сист. Тех. Дж . 49 (4): 587–593. doi :10.1002/j.1538-7305.1970.tb01790.x.
  15. ^ 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.
  16. ^ 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.
  17. ^ Лион, Ричард Ф. (2014). «Оптическая мышь: раннее биомиметическое встроенное зрение». Достижения в области встроенного компьютерного зрения . Спрингер. стр. 3–22 (3). ISBN 9783319093871.
  18. ^ 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.
  19. ^ Брэйн, Маршалл; Кармак, Кармен (24 апреля 2000 г.). «Как работают компьютерные мыши». Как это работает . Проверено 9 октября 2019 г.
  20. ^ «LiDAR против 3D ToF-датчиков — как Apple делает дополненную реальность лучше для смартфонов» . Проверено 03 апреля 2020 г.
  21. ^ Омура, Ясухиса; Маллик, Абхиджит; Мацуо, Наото (2017). МОП-устройства для низковольтных и энергосберегающих приложений. Джон Уайли и сыновья . стр. 3–4. ISBN 9781119107354.
  22. ^ 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. 
  23. ^ 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.
  24. ^ Оливейра, Жуан; Идет, Жоау (2012). Параметрическое усиление аналогового сигнала применительно к наноразмерным КМОП-технологиям. Springer Science & Business Media . п. 7. ISBN 9781461416708.

дальнейшее чтение

Викискладе есть медиафайлы, связанные с датчиками .
Найдите датчик в Викисловаре, бесплатном словаре.