Датчик - Википедия - Sensor

«Датчики» перенаправляются сюда. Для использования в других целях см. Датчики (значения).
«Детектор» перенаправляется сюда. Для схем детекторов в радио и другой связанной с сигналами электронике см. Детектор (радио).
Эта статья про детекторное устройство. Не следует путать с Цензор, Порицание, или же Курильница.
Различные типы датчики света

В самом широком определении датчик это устройство, модуль, машина или подсистема, цель которых - обнаруживать события или изменения в своей среде и отправлять информацию в другую электронику, часто компьютерный процессор. Датчик всегда используется с другой электроникой.

Датчики используются в повседневных предметах, таких как сенсорные кнопки лифта (тактильный датчик ) и лампы, которые тускнеют или становятся ярче от прикосновения к основанию, помимо бесчисленных применений, о которых большинство людей даже не подозревает. С достижениями в микромашина и простой в использовании микроконтроллер платформ, использование датчиков расширилось за пределы традиционных областей измерения температуры, давления или расхода,[1] например в Датчики MARG. Кроме того, аналоговые датчики, такие как потенциометры и силовые резисторы до сих пор широко используются. Приложения включают производство и оборудование, 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. Несколько примеров включают оптические датчики для измерения показателя преломления, вибрационные датчики для измерения вязкости жидкости и электрохимический датчик для мониторинга pH жидкости.

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

Технологический прогресс позволяет производить все больше и больше датчиков на микроскопическая шкала в качестве микросенсоров с использованием МЭМС технологии. В большинстве случаев микросенсор обеспечивает значительно более быстрое время измерения и более высокую чувствительность по сравнению с макроскопический подходы.[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 приобретают все большее значение. Используя этот класс датчиков, критически важная аналитическая информация может быть получена кем угодно, в любом месте и в любое время, без необходимости повторной калибровки и беспокойства о загрязнении.[4]

Классификация ошибок измерения

An инфракрасный датчик

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 линейный функция передачи. В чувствительность затем определяется как отношение между выходным сигналом и измеренным свойством. Например, если датчик измеряет температуру и имеет выход по напряжению, чувствительность является постоянной и указывается в единицах [В / К]. Чувствительность - это наклон передаточной функции. Преобразование электрического выхода датчика (например, V) в единицы измерения (например, K) требует деления электрического выхода на наклон (или умножения на обратную величину). Кроме того, часто добавляется или вычитается смещение. Например, к выходу нужно добавить -40, если выход 0 В соответствует входу -40 C.

Чтобы аналоговый сигнал датчика обрабатывался или использовался в цифровом оборудовании, его необходимо преобразовать в цифровой сигнал с помощью аналого-цифровой преобразователь.

Отклонения датчика

Поскольку датчики не могут воспроизвести идеальный функция передачи, возможны несколько типов отклонений, ограничивающих датчик точность:

  • Поскольку диапазон выходного сигнала всегда ограничен, выходной сигнал в конечном итоге достигнет минимума или максимума, когда измеряемое свойство выходит за пределы. В полная шкала диапазон определяет максимальное и минимальное значения измеряемого свойства.[нужна цитата ]
  • В чувствительность на практике 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 предвзятость. Это ошибка в y-перехват линейной передаточной функции.
  • Нелинейность - отклонение передаточной функции датчика от передаточной функции по прямой. Обычно это определяется степенью отклонения выходного сигнала от идеального поведения во всем диапазоне датчика, часто обозначаемого как процент от полного диапазона.
  • Отклонение, вызванное быстрыми изменениями измеряемого свойства с течением времени, является динамичный ошибка. Часто такое поведение описывается предвещать заговор показаны ошибка чувствительности и фазовый сдвиг как функция 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 - случайное отклонение сигнала, изменяющееся во времени.
  • А гистерезис ошибка приводит к изменению выходного значения в зависимости от предыдущих входных значений. Если выходной сигнал датчика отличается в зависимости от того, было ли достигнуто конкретное входное значение путем увеличения или уменьшения входного сигнала, то датчик имеет ошибку гистерезиса.
  • Если датчик имеет цифровой выход, выходной сигнал, по сути, является приближенным к измеренному свойству. Эта ошибка также называется квантование ошибка.
  • 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 кратной частоте дискретизации, сглаживание могут возникнуть ошибки.
  • Датчик может до некоторой степени быть чувствительным к свойствам, отличным от измеряемого свойства. Например, на большинство датчиков влияет температура окружающей среды.

Все эти отклонения можно классифицировать как систематические ошибки или же случайные ошибки. Систематические ошибки иногда можно компенсировать с помощью каких-либо калибровка стратегия. Шум - это случайная ошибка, которую можно уменьшить обработка сигналов, например, фильтрация, обычно за счет динамического поведения датчика.

Разрешение

Смотрите также: Тщательность и точность

Разрешающая способность датчика - это наименьшее изменение, которое он может обнаружить в измеряемой величине. Разрешение датчика с цифровым выходом обычно равно разрешению цифрового выхода. Разрешение связано с точность с которой производится измерение, но это не одно и то же. Точность датчика может быть значительно хуже, чем его разрешение.

  • Датчик может до некоторой степени быть чувствительным к свойствам, отличным от измеряемого свойства. Например, на большинство датчиков влияет температура окружающей среды.

Химический датчик

Химический датчик - это автономное аналитическое устройство, которое может предоставить информацию о химическом составе окружающей его среды, то есть жидкость или газовая фаза.[5] Информация предоставляется в виде измеримого физического сигнала, который коррелирует с концентрация определенного химического вещества (называемого аналит ). В функционирование химического сенсора входят два основных этапа: распознавание и трансдукция. На этапе распознавания молекулы аналита селективно взаимодействуют с рецепторные молекулы или сайты, входящие в состав распознающего элемента сенсора. Следовательно, характерный физический параметр изменяется, и это изменение регистрируется с помощью интегрированного преобразователь который генерирует выходной сигнал. Химический датчик на основе распознающего материала биологической природы - это биосенсор. Однако как синтетический биомиметик материалы собираются в некоторой степени заменить биоматериалы распознавания, четкое различие между биосенсором и стандартным химическим сенсором излишне. Типичные биомиметические материалы, используемые при разработке сенсоров: полимеры с молекулярным отпечатком и аптамеры.

Биосенсор

Основная статья: Биосенсор

В биомедицина и биотехнология, датчики, обнаруживающие аналиты благодаря биологическому компоненту, такому как клетки, белок, нуклеиновая кислота или биомиметические полимеры, называются биосенсоры.В то время как небиологический сенсор, даже органический (химия углерода), для биологических аналитов называется сенсором или сенсором. наносенсор. Эта терминология применима как к in vitro и приложения in vivo. Инкапсуляция биологического компонента в биосенсорах представляет собой несколько иную проблему, чем обычные датчики; это можно сделать либо с помощью полупроницаемый барьер, например диализ мембрана или гидрогель, или трехмерная полимерная матрица, которая либо физически ограничивает зондирование макромолекула или химически ограничивает макромолекулу, связывая ее с каркасом.

МОП-датчики

Металл-оксид-полупроводник (MOS) технология происходит от МОП-транзистор (МОП-полевой транзистор или МОП-транзистор), изобретенный Мохамед М. Аталла и Давон Канг в 1959 г. и продемонстрировали в 1960 г.[6] Позже были разработаны датчики MOSFET (датчики MOS), и с тех пор они широко используются для измерения физический, химический, биологический и относящийся к окружающей среде параметры.[7]

Биохимические сенсоры

Был разработан ряд датчиков MOSFET для измерения физический, химический, биологический и относящийся к окружающей среде параметры.[7] Самые ранние датчики MOSFET включают полевой транзистор с открытым затвором (OGFET), представленный Йоханнесеном в 1970 году,[7] то ионно-чувствительный полевой транзистор (ISFET) изобретен Пит Бергвельд в 1970 г.[8] то адсорбция Полевой транзистор (ADFET) запатентованный П.Ф. Кокса в 1974 г. и водород -чувствительный МОП-транзистор, продемонстрированный И. Лундстромом, М.С. Шивараман, С.С. Свенсон и Л. Лундквист в 1975 году.[7] ISFET - это особый тип MOSFET с затвором на определенном расстоянии,[7] и где металлические ворота заменяется ион -чувствительный мембрана, электролит решение и электрод сравнения.[9] ISFET широко используется в биомедицинский приложения, такие как обнаружение Гибридизация ДНК, биомаркер обнаружение от кровь, антитело обнаружение глюкоза измерение pH зондирование, и генетическая технология.[9]

К середине 1980-х годов было разработано множество других датчиков MOSFET, в том числе датчик газа Полевой транзистор (GASFET), полевой транзистор с поверхностным доступом (SAFET), транзистор потока заряда (CFT), датчик давления Полевой транзистор (PRESSFET), химический полевой транзистор (ChemFET), ссылка ISFET (УСТАНОВИТЬ), биосенсор FET (BioFET), модифицированный ферментами полевой транзистор (ENFET) и иммунологически модифицированный FET (IMFET).[7] К началу 2000-х годов такие типы BioFET, как Полевой транзистор ДНК (DNAFET), генно-модифицированный FET (GenFET) и клеточный потенциал Был разработан BioFET (CPFET).[9]

Датчики изображения

Основные статьи: Датчик изображений, Устройство с зарядовой связью, и Датчик с активным пикселем

МОП-технология - основа современных датчики изображения, в том числе устройство с зарядовой связью (CCD) и CMOS датчик с активным пикселем (Датчик CMOS), используемый в цифровое изображение и цифровые фотоаппараты.[10] Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит разработали ПЗС-матрицу в 1969 году. Изучая процесс МОП, они поняли, что электрический заряд является аналогом магнитного пузыря и что он может храниться на крошечном МОП-конденсаторе. Поскольку было довольно просто изготовить серию МОП-конденсаторов в ряд, они подключали к ним подходящее напряжение, чтобы заряд мог переходить от одного к другому.[10] ПЗС-матрица - это полупроводниковая схема, которая позже использовалась в первом цифровые видеокамеры за телевизионное вещание.[11]

Мос датчик с активным пикселем (APS) был разработан Цутому Накамура в Олимп в 1985 г.[12] Датчик CMOS с активными пикселями позже был разработан Эрик Фоссум и его команда в начале 1990-х.[13]

МОП-датчики изображения широко используются в Оптическая мышь технологии. Первая оптическая мышь, изобретенная Ричард Ф. Лайон в Ксерокс в 1980 году использовали 5 мкм NMOS сенсорный чип.[14][15] Начиная с первой коммерческой оптической мыши, IntelliMouse представленные в 1999 году, большинство оптических мышей используют датчики CMOS.[16]

Датчики мониторинга

Лидар датчик на iPad Pro[17]

Датчики мониторинга MOS используются для мониторинг дома, офис и сельское хозяйство мониторинг, мониторинг трафика (включая скорость машины, пробки, и дорожные аварии ), мониторинг погоды (например, для дождь, ветер, молния и штормы ), защита мониторинг и мониторинг температура, влажность, загрязнение воздуха, Огонь, здоровье, безопасность и освещение.[18] MOS Детектор газа датчики используются для обнаружения монооксид углерода, диоксид серы, сероводород, аммиак, и другие газ вещества.[19] Другие датчики MOS включают интеллектуальные датчики[20] и беспроводная сенсорная сеть (WSN) технология.[21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Беннет, С. (1993). История контрольной техники 1930–1955 гг.. Лондон: Питер Перегринус Лтд. От имени Института инженеров-электриков. ISBN  978-0-86341-280-6 В источнике указано «управление», а не «датчики», поэтому предполагается его применимость. Многие единицы получены на основе основных измерений, к которым они относятся, например уровня жидкости, измеренного датчиком перепада давления.
  2. ^ а б Цзихон Ян (2015). Прогнозирование машин и управление техническим обслуживанием, ориентированное на прогноз. Wiley & Sons Singapore Pte. ООО п. 107. ISBN  9781118638729.
  3. ^ Ганеш Кумар (сентябрь 2010 г.). Современные общие знания. Упкар Пракашан. п. 194. ISBN  978-81-7482-180-5.
  4. ^ 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, мониторинге пищевых продуктов и окружающей среды». Современные материалы. 31 (30): 1806739. Дои:10.1002 / adma.201806739. ISSN  0935-9648. PMID  31094032.
  5. ^ Bnicǎ, Флоринель-Габриэль (2012). Химические сенсоры и биосенсоры: основы и применение. Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons. п. 576. ISBN  978-1-118-35423-0.
  6. ^ «1960: Показан металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор». Кремниевый двигатель: хронология развития полупроводников в компьютерах. Музей истории компьютеров. Получено 31 августа, 2019.
  7. ^ а б c d е ж Бергвельд, Пит (Октябрь 1985 г.). «Влияние датчиков на основе MOSFET» (PDF). Датчики и исполнительные механизмы. 8 (2): 109–127. Дои:10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN  0250-6874.
  8. ^ Крис Тумазу; Пантелис Георгиу (декабрь 2011 г.). «40 лет технологии ISFET: от нейронального зондирования до секвенирования ДНК». Письма об электронике. Получено 13 мая 2016.
  9. ^ а б c Шёнинг, Майкл Дж .; Погосян, Аршак (10 сентября 2002 г.). «Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)» (PDF). Аналитик. 127 (9): 1137–1151. Дои:10.1039 / B204444G. ISSN  1364-5528. PMID  12375833.
  10. ^ а б Уильямс, Дж. Б. (2017). Революция в электронике: изобретая будущее. Springer. С. 245 и 249. ISBN  9783319490885.
  11. ^ Бойл, Уильям S; Смит, Джордж Э. (1970). «Полупроводниковые приборы с зарядовой связью». Bell Syst. Tech. J. 49 (4): 587–593. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1970.tb01790.x.
  12. ^ Мацумото, Казуя; и другие. (1985). «Новый МОП-фототранзистор, работающий в режиме неразрушающего считывания». Японский журнал прикладной физики. 24 (5А): L323. Bibcode:1985ЯЯП..24Л.323М. Дои:10.1143 / JJAP.24.L323.
  13. ^ Эрик Р. Фоссум (1993), "Активные пиксельные сенсоры: динозавры ПЗС?" Proc. SPIE Vol. 1900, стр. 2–14, Устройства с зарядовой связью и твердотельные оптические датчики III, Морли М. Блоук; Эд.
  14. ^ Лион, Ричард Ф. (2014). «Оптическая мышь: раннее биомиметическое встроенное видение». Достижения в области встроенного компьютерного зрения. Springer. С. 3-22 (3). ISBN  9783319093871.
  15. ^ Лион, Ричард Ф. (Август 1981 г.). «Оптическая мышь и архитектурная методология интеллектуальных цифровых датчиков» (PDF). В Х. Т. Кунг; Роберт Ф. Спроул; Гай Л. Стил (ред.). Системы СБИС и вычисления. Computer Science Press. С. 1–19. Дои:10.1007/978-3-642-68402-9_1. ISBN  978-3-642-68404-3.
  16. ^ Брэйн, Маршалл; Кармак, Кармен (24 апреля 2000 г.). «Как работают компьютерные мыши». Как это работает. Получено 9 октября 2019.
  17. ^ «LiDAR против 3D ToF-сенсоров - как Apple делает AR лучше для смартфонов». Получено 2020-04-03.
  18. ^ Омура, Ясухиса; Маллик, Абхиджит; Мацуо, Наото (2017). МОП-устройства для низковольтных и низкоэнергетических приложений. Джон Уайли и сыновья. С. 3–4. ISBN  9781119107354.
  19. ^ Сунь, Цзяньхай; Гэн, Чжаосинь; Сюэ, Нин; Лю, Чуньсю; Ма, Тяньцзюнь (17 августа 2018 г.). «Мини-система, интегрированная с датчиком металл-оксид-полупроводник и газовой хроматографической колонкой с микронасадками». Микромашины. 9 (8): 408. Дои:10.3390 / mi9080408. ISSN  2072-666X. ЧВК  6187308. PMID  30424341.
  20. ^ Мид, Карвер А .; Исмаил, Мохаммед, ред. (8 мая 1989 г.). Аналоговая реализация нейронных систем на СБИС (PDF). Международная серия Kluwer в области инженерии и информатики. 80. Норвелл, Массачусетс: Kluwer Academic Publishers. Дои:10.1007/978-1-4613-1639-8. ISBN  978-1-4613-1639-8.
  21. ^ Оливейра, Жоао; Идет, Жоао (2012). Параметрическое усиление аналогового сигнала в наноразмерных КМОП-технологиях. Springer Science & Business Media. п. 7. ISBN  9781461416708.

дальнейшее чтение