stringtranslate.com

Датчик

Различные типы датчиков освещенности

Датчик — это устройство, которое вырабатывает 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 другим электронным устройствам, часто процессору компьютера.

Датчики используются в повседневных предметах, таких как сенсорные кнопки лифта ( тактильный датчик ) и лампы, которые тускнеют или становятся ярче при прикосновении к основанию, и в бесчисленных приложениях, о которых большинство людей никогда не знают. С достижениями в области микромашиностроения и простых в использовании платформ микроконтроллеров использование датчиков расширилось за пределы традиционных областей измерения температуры, давления и расхода, [1] например, в датчиках MARG .

Аналоговые датчики, такие как потенциометры и резисторы с датчиками силы , по-прежнему широко используются. Их применение включает производство и машиностроение, самолеты и космонавтику, автомобили, медицину, робототехнику и многие другие аспекты нашей повседневной жизни. Существует широкий спектр других датчиков, которые измеряют химические и физические свойства материалов, включая оптические датчики для измерения показателя преломления, вибрационные датчики для измерения вязкости жидкости и электрохимические датчики для контроля pH жидкостей.

Чувствительность датчика показывает, насколько изменяется его выходной сигнал при изменении измеряемой им входной величины. Например, если ртуть в термометре перемещается на 1 см при изменении температуры на 1 °C, его чувствительность составляет 1 см/°C (это в основном наклон dy/dx, предполагающий линейную характеристику). Некоторые датчики также могут влиять на то, что они измеряют; например, термометр комнатной температуры, помещенный в горячую чашку с жидкостью, охлаждает жидкость, в то время как жидкость нагревает термометр. Датчики обычно проектируются так, чтобы оказывать небольшое влияние на то, что измеряется; уменьшение датчика часто улучшает это и может принести другие преимущества. [2]

Технологический прогресс позволяет производить все больше и больше датчиков в микроскопическом масштабе как микродатчики с использованием технологии MEMS . В большинстве случаев микродатчик достигает значительно более быстрого времени измерения и более высокой чувствительности 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 краткосрочного мониторинга или однократных измерений — в последнее время приобрели все большую значимость. 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 измерения

Инфракрасный датчик

Хороший датчик подчиняется следующим правилам: [4]

Большинство датчиков имеют линейную передаточную функцию . Чувствительность определяется как отношение выходного сигнала к измеряемому свойству. Например, если датчик измеряет температуру и имеет выходное напряжение, чувствительность постоянна с единицами измерения [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 его обратную величину). Кроме того, часто добавляется или вычитается смещение. Например, к выходу необходимо добавить −40, если выход 0 В соответствует входу −40 С.

Для обработки или использования аналогового сигнала датчика 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, ограничивающих 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 является числовым разрешением цифрового выхода. Разрешение связано с точностью, с которой выполняется измерение, но это не одно и то же. Точность датчика может быть значительно хуже его разрешения.

Химический датчик

Химический сенсор — 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 селективно взаимодействуют с молекулами рецепторов или участками, включенными в структуру элемента распознавания сенсора. Следовательно, характерный физический параметр изменяется, и это изменение сообщается с помощью интегрированного преобразователя , который генерирует выходной сигнал. Химический сенсор, основанный на распознающем материале биологической природы, является биосенсором . Однако, поскольку синтетические биомиметические материалы собираются в некоторой степени заменить распознающие биоматериалы, резкое различие между биосенсором и стандартным химическим сенсором является излишним. Типичные биомиметические материалы, используемые при разработке сенсоров, — это молекулярно импринтированные полимеры и аптамеры . [7]

Массив химических датчиков

Химическая сенсорная матрица представляет собой архитектуру сенсора с несколькими сенсорными компонентами, которые создают шаблон для обнаружения аналита из аддитивных ответов отдельных сенсорных компонентов. Существует несколько типов химических сенсорных матриц, включая электронные, оптические, акустические волновые и потенциометрические устройства. Эти химические сенсорные матрицы могут использовать несколько типов сенсоров, которые являются перекрестно-реагирующими или настроены на обнаружение определенных аналитов. [8] [9] [10] [11]

Биосенсор

В биомедицине и биотехнологии датчики, которые обнаруживают аналиты благодаря биологическому компоненту, такому как клетки, белок, нуклеиновая кислота или биомиметические полимеры , называются биосенсорами . В то время как небиологический датчик, даже органический (углеродная химия), для биологических аналитов называется сенсором или наносенсором . Эта терминология применима как для приложений in vitro , так и in vivo. Инкапсуляция биологического компонента в биосенсорах представляет собой несколько иную проблему, чем обычные датчики; это можно сделать либо с помощью полупроницаемого барьера , такого как диализная мембрана или гидрогель , либо с помощью трехмерной полимерной матрицы, которая либо физически ограничивает чувствительную макромолекулу , либо химически ограничивает макромолекулу, связывая ее с каркасом.

Нейроморфные датчики

Нейроморфные датчики — это датчики, которые физически имитируют структуры и функции биологических нейронных сущностей. [12] Одним из примеров является камера событий .

МОП-датчики

MOSFET был изобретен в Bell Labs между 1955 и 1960 годами, [13] [14] [15] [16] [17] [18] Датчики MOSFET (датчики МОП) были разработаны позже, и с тех пор они широко используются для измерения физических , химических , биологических и экологических параметров. [19]

Биохимические сенсоры

Было разработано несколько датчиков MOSFET для измерения физических , химических , биологических и экологических параметров. [19] Самые ранние датчики MOSFET включают полевой транзистор с открытым затвором (OGFET), представленный Йоханнессеном в 1970 году, [19] ионно -чувствительный полевой транзистор (ISFET), изобретенный Питом Бергвельдом в 1970 году, [20] адсорбционный полевой транзистор (ADFET), запатентованный П. Ф. Коксом в 1974 году, и водородо -чувствительный MOSFET, продемонстрированный И. Лундстромом, М. С. Шивараманом, К. С. Свенсоном и Л. Лундквистом в 1975 году. [19] ISFET представляет собой особый тип MOSFET с затвором на определенном расстоянии, [19] и где металлический затвор заменен ионно -чувствительной мембраной , раствором электролита и эталонным электродом . [21] ISFET широко используется в биомедицинских приложениях, таких как обнаружение гибридизации ДНК , обнаружение биомаркеров в крови , обнаружение антител , измерение уровня глюкозы , определение pH и генная технология . [21]

К середине 1980-х годов были разработаны многочисленные другие датчики MOSFET, включая газовый сенсорный полевой транзистор (GASFET), поверхностно-доступный полевой транзистор (SAFET), транзистор с потоком заряда (CFT), сенсорный полевой транзистор давления (PRESSFET), химический полевой транзистор (ChemFET), эталонный ISFET (REFET), биосенсорный полевой транзистор (BioFET), модифицированный ферментом полевой транзистор (ENFET) и иммунологически модифицированный полевой транзистор (IMFET). [19] К началу 2000-х годов были разработаны такие типы BioFET, как полевой транзистор ДНК (DNAFET), модифицированный геном полевой транзистор (GenFET) и клеточно-потенциальный BioFET (CPFET). [21]

Датчики изображения

Технология MOS является основой для современных датчиков изображения , включая прибор с зарядовой связью (ПЗС) и датчик с активными пикселями CMOS (датчик CMOS), используемые в цифровой обработке изображений и цифровых камерах . [22] Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит разработали ПЗС в 1969 году. Исследуя процесс MOS, они поняли, что электрический заряд является аналогом магнитного пузыря и что он может храниться на крошечном конденсаторе MOS. Поскольку было довольно просто изготовить ряд конденсаторов MOS в ряд, они подключили к ним подходящее напряжение, так что заряд мог переходить от одного к другому. [22] ПЗС представляет собой полупроводниковую схему, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевизионного вещания . [23]

Датчик с активными пикселями MOS (APS) был разработан Цутому Накамурой в Olympus в 1985 году. [24] Датчик с активными пикселями CMOS был позже разработан Эриком Фоссумом и его командой в начале 1990-х годов. [25]

Датчики изображения MOS широко используются в технологии оптических мышей . Первая оптическая мышь, изобретенная Ричардом Ф. Лионом в Xerox в 1980 году, использовала чип датчика NMOS размером 5  мкм . [26] [27] С момента появления первой коммерческой оптической мыши IntelliMouse в 1999 году большинство устройств оптических мышей используют датчики CMOS. [28]

Датчики мониторинга

Датчик LIDAR (внизу, в центре) как часть системы камеры на iPad Pro . [29]

Датчики мониторинга MOS используются для мониторинга домов , офисов и сельского хозяйства , мониторинга дорожного движения (включая скорость автомобиля , пробки и дорожно-транспортные происшествия ), мониторинга погоды (например, дождя , ветра , молний и штормов ), мониторинга обороны и мониторинга температуры , влажности , загрязнения воздуха , пожаров , здоровья , безопасности и освещения . [30] Датчики детекторов газа MOS используются для обнаружения оксида углерода , диоксида серы , сероводорода , аммиака и других газообразных веществ. [31] Другие датчики MOS включают интеллектуальные датчики [32] и технологию беспроводной сенсорной сети (WSN). [33]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Беннетт, С. (1993). История техники управления 1930–1955 . Лондон: Peter Peregrinus Ltd. от имени Института инженеров-электриков. ISBN 978-0-86341-280-6В источнике указано «управление», а не «датчики», поэтому его применимость предполагается. Многие единицы выводятся из основных измерений, к которым он относится, например, уровень жидкости, измеренный датчиком дифференциального давления.{{cite book}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )
  2. ^ ab Jihong Yan (2015). Прогностика машин и управление техническим обслуживанием, ориентированное на прогнозирование. Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd. стр. 107. ISBN 9781118638729.
  3. ^ Ганеш Кумар (сентябрь 2010 г.). Современные общие знания. Упкар Пракашан. п. 194. ИСБН 978-81-7482-180-5.
  4. ^ ab Dincer, Can; Bruch, Richard; Costa‐Rama, Estefanía; Fernández‐Abedul, Maria Teresa; Merkoçi, Arben; Manz, Andreas; Urban, Gerald Anton; Güder, Firat (2019-05-15). «Одноразовые датчики в диагностике, пищевом и экологическом мониторинге». Advanced Materials . 31 (30): 1806739. doi : 10.1002/adma.201806739 . hdl : 10044/1/69878 . ISSN  0935-9648. PMID  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. ^ Bǎnicǎ, Florinel-Gabriel (2012). Химические сенсоры и биосенсоры: основы и применение . Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons. стр. 576. ISBN 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.). «Усеченные 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. ^ Альберт, Кит Дж.; Льюис, Натан С.; Шауэр, Кэролайн Л.; Сотцинг, Грегори А.; Штитцель, Шеннон Э.; Вайд, Томас П.; Уолт, Дэвид Р. (2000-07-01). «Перекрестно-реактивные химические сенсорные массивы». Chemical Reviews . 100 (7): 2595–2626. doi :10.1021/cr980102w. ISSN  0009-2665. PMID  11749297.
  9. ^ Джонсон, Кевин Дж.; Роуз-Перссон, Сьюзан Л. (2015-07-10). «Проектирование сенсорной матрицы для сложных задач зондирования». Annual Review of Analytical Chemistry . 8 (1): 287–310. Bibcode : 2015ARAC....8..287J. doi : 10.1146/annurev-anchem-062011-143205. ISSN  1936-1327. PMID  26132346.
  10. ^ Ли, Чжэн; Аским, Джон Р.; Суслик, Кеннет С. (2019-01-09). «Оптоэлектронный нос: колориметрические и флуорометрические сенсорные массивы». Chemical Reviews . 119 (1): 231–292. doi :10.1021/acs.chemrev.8b00226. ISSN  0009-2665. PMID  30207700. S2CID  206542436.
  11. ^ Аским, Джон Р.; Махмуди, Мортеза; Суслик, Кеннет С. (2013-10-21). «Оптические сенсорные матрицы для химического зондирования: оптоэлектронный нос». Chemical Society Reviews . 42 (22): 8649–8682. doi :10.1039/C3CS60179J. ISSN  1460-4744. PMID  24091381.
  12. ^ Ванарсе, Ануп; Оссейран, Адам; Рассау, Александр (2016). «Обзор современных нейроморфных подходов для датчиков зрения, слуха и обоняния». Frontiers in Neuroscience . 10 : 115. doi : 10.3389/fnins.2016.00115 . PMC 4809886. PMID  27065784 . 
  13. ^ Хафф, Ховард; Риордан, Майкл (01.09.2007). «Фрош и Дерик: Пятьдесят лет спустя (Предисловие)». Интерфейс Электрохимического общества . 16 (3): 29. doi :10.1149/2.F02073IF. ISSN  1064-8208.
  14. ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). «Защита поверхности и селективная маскировка во время диффузии в кремнии». Журнал электрохимического общества . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
  15. ^ KAHNG, D. (1961). «Устройство на основе поверхности кремния-диоксида кремния». Технический меморандум Bell Laboratories : 583–596. doi :10.1142/9789814503464_0076. ISBN 978-981-02-0209-5.
  16. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. стр. 321. ISBN 978-3-540-34258-8.
  17. ^ Лигенца, Дж. Р.; Спитцер, В. Г. (1960). «Механизмы окисления кремния в паре и кислороде». Журнал физики и химии твердого тела . 14 : 131–136. Bibcode : 1960JPCS...14..131L. doi : 10.1016/0022-3697(60)90219-5.
  18. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Springer Science & Business Media . стр. 120. ISBN 9783540342588.
  19. ^ abcdef Бергвельд, Пит (октябрь 1985 г.). "Влияние датчиков на основе МОП-транзисторов" (PDF) . Датчики и приводы . 8 (2): 109–127. Bibcode :1985SeAc....8..109B. doi :10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN  0250-6874.
  20. ^ Крис Тумазу; Пантелис Георгиу (декабрь 2011 г.). «40 лет технологии ISFET: от нейронного зондирования до секвенирования ДНК». Electronics Letters . Получено 13 мая 2016 г.
  21. ^ abc Schöning, Michael J.; Poghossian, Arshak (10 сентября 2002 г.). "Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)" (PDF) . Analyst . 127 (9): 1137–1151. Bibcode :2002Ana...127.1137S. doi :10.1039/B204444G. ISSN  1364-5528. PMID  12375833.
  22. ^ ab Williams, JB (2017). Электронная революция: изобретение будущего. Springer. стр. 245 и 249. ISBN 9783319490885.
  23. ^ Бойл, Уильям С.; Смит, Джордж Э. (1970). «Полупроводниковые приборы с зарядовой связью». Bell Syst. Tech. J . 49 (4): 587–593. doi :10.1002/j.1538-7305.1970.tb01790.x.
  24. ^ Мацумото, Казуя и др. (1985). «Новый МОП-фототранзистор, работающий в режиме неразрушающего считывания». Японский журнал прикладной физики . 24 (5A): L323. Bibcode : 1985JaJAP..24L.323M. doi : 10.1143/JJAP.24.L323. S2CID  108450116.
  25. ^ Эрик Р. Фоссум (1993), «Активные пиксельные датчики: динозавры ли ПЗС?» Proc. SPIE Vol. 1900, стр. 2–14, Приборы с зарядовой связью и твердотельные оптические датчики III , Морли М. Блук; ред.
  26. ^ Lyon, Richard F. (2014). «Оптическая мышь: раннее биомиметическое встроенное зрение». Достижения во встроенном компьютерном зрении . Springer. стр. 3–22 (3). ISBN 9783319093871.
  27. ^ Lyon, Richard F. (август 1981). «Оптическая мышь и архитектурная методология для интеллектуальных цифровых датчиков» (PDF) . В HT Kung; Robert F. Sproull; Guy L. Steele (ред.). VLSI Systems and Computations . Computer Science Press. стр. 1–19. doi :10.1007/978-3-642-68402-9_1. ISBN 978-3-642-68404-3.
  28. ^ Брэйн, Маршалл; Кармак, Кармен (24 апреля 2000 г.). «Как работают компьютерные мыши». HowStuffWorks . Получено 9 октября 2019 г. .
  29. ^ "LiDAR против датчиков 3D ToF — как Apple улучшает AR для смартфонов" . Получено 2020-04-03 .
  30. ^ Омура, Ясухиса; Маллик, Абхиджит; Мацуо, Наото (2017). МОП-устройства для низковольтных и малоэнергетических приложений. John Wiley & Sons . стр. 3–4. ISBN 9781119107354.
  31. ^ Сан, Цзяньхай; Гэн, Чжаосинь; Сюэ, Нин; Лю, Чуньсю; Ма, Тяньцзюнь (17 августа 2018 г.). «Мини-система, интегрированная с датчиком металл-оксид-полупроводник и микронабитой газовой хроматографической колонкой». Micromachines . 9 (8): 408. doi : 10.3390/mi9080408 . ISSN  2072-666X. PMC 6187308 . PMID  30424341. 
  32. ^ Мид, Карвер А.; Исмаил, Мохаммед, ред. (8 мая 1989 г.). Аналоговая реализация СБИС нейронных систем (PDF) . Международная серия Kluwer по инжинирингу и информатике. Том 80. Норвелл, Массачусетс: Kluwer Academic Publishers . doi : 10.1007/978-1-4613-1639-8. ISBN 978-1-4613-1639-8.
  33. ^ Оливейра, Жоао; Гоес, Жоао (2012). Параметрическое аналоговое усиление сигнала, применяемое к наномасштабным КМОП-технологиям. Springer Science & Business Media . стр. 7. ISBN 9781461416708.

Дальнейшее чтение

На Викискладе есть медиафайлы по теме Датчики .
Найдите значение слова «датчик» в Викисловаре, бесплатном словаре.