Senzor - Sensor
În cea mai largă definiție, un senzor este un dispozitiv, modul, mașină sau subsistem al cărui scop este să detecteze evenimente sau schimbări în mediul său și să trimită informațiile către alte electronice, frecvent către un procesor de computer . Un senzor este întotdeauna utilizat cu alte electronice.
Senzorii sunt utilizați în obiecte de zi cu zi, cum ar fi butoanele de ridicare sensibile la atingere ( senzor tactil ) și lămpile care se estompează sau se luminează atingând baza, pe lângă nenumărate aplicații de care majoritatea oamenilor nu sunt niciodată conștienți. Odată cu progresele în micromachină și platformele de microcontrolere ușor de utilizat , utilizările senzorilor s-au extins dincolo de câmpurile tradiționale de măsurare a temperaturii, presiunii sau debitului, de exemplu în senzori MARG . Mai mult, senzorii analogici precum potențiometrele și rezistențele de detectare a forței sunt încă utilizate pe scară largă. Aplicațiile includ producția și utilajele, avioanele și industria aerospațială, mașinile, medicina, robotica și multe alte aspecte ale vieții noastre de zi cu zi. Există o gamă largă de alți senzori, care măsoară proprietățile chimice și fizice ale materialelor. Câteva exemple includ senzori optici pentru măsurarea indicelui de refracție, senzori vibraționali pentru măsurarea vâscozității fluidelor și senzori electrochimici pentru monitorizarea pH-ului fluidelor.
Sensibilitatea unui senzor indică cât de mult se modifică ieșirea senzorului atunci când se modifică cantitatea de intrare măsurată. De exemplu, dacă mercurul dintr-un termometru se mișcă 1 cm când temperatura se schimbă cu 1 ° C, sensibilitatea este de 1 cm / ° C (este practic panta dy / dx asumând o caracteristică liniară). Unii senzori pot afecta, de asemenea, ceea ce măsoară; de exemplu, un termometru la temperatura camerei introdus într-o ceașcă fierbinte de lichid răcește lichidul în timp ce lichidul încălzește termometrul. Senzorii sunt de obicei proiectați pentru a avea un efect mic asupra celor măsurate; micșorarea senzorului îmbunătățește adesea acest lucru și poate introduce alte avantaje.
Progresul tehnologic permite fabricarea tot mai multor senzori la scară microscopică ca microsenzori folosind tehnologia MEMS . În majoritatea cazurilor, un microsenzor atinge un timp de măsurare semnificativ mai rapid și o sensibilitate mai mare în comparație cu abordările macroscopice . Datorită cererii în creștere pentru informații rapide, accesibile și fiabile în lumea actuală, senzorii de unică folosință - dispozitive ieftine și ușor de utilizat pentru monitorizarea pe termen scurt sau măsurători cu o singură fotografie - au câștigat recent o importanță tot mai mare. Folosind această clasă de senzori, informațiile critice analitice pot fi obținute de oricine, oriunde și oricând, fără a fi nevoie de recalibrare și de îngrijorarea cu privire la contaminare.
Clasificarea erorilor de măsurare
Un senzor bun respectă următoarele reguli:
- este sensibil la proprietatea măsurată
- nu este sensibil la orice altă proprietate care ar putea fi întâlnită în cererea sa și
- nu influențează proprietatea măsurată.
Majoritatea senzorilor au o funcție de transfer liniar . Sensibilitatea este apoi definit ca raportul dintre semnalul de ieșire și proprietatea măsurată. De exemplu, dacă un senzor măsoară temperatura și are o ieșire de tensiune, sensibilitatea este constantă cu unitățile [V / K]. Sensibilitatea este panta funcției de transfer. Conversia ieșirii electrice a senzorului (de exemplu V) în unitățile măsurate (de exemplu K) necesită împărțirea ieșirii electrice la panta (sau înmulțirea cu reciprocitatea acesteia). În plus, un offset este frecvent adăugat sau scăzut. De exemplu, −40 trebuie adăugat la ieșire dacă ieșirea 0 V corespunde intrării −40 C.
Pentru ca un semnal senzor analogic să fie procesat sau utilizat în echipamente digitale, acesta trebuie convertit într-un semnal digital, utilizând un convertor analog-digital .
Abateri ale senzorilor
Deoarece senzorii nu pot reproduce o funcție de transfer ideală , pot apărea mai multe tipuri de abateri care limitează precizia senzorului :
- Deoarece intervalul semnalului de ieșire este întotdeauna limitat, semnalul de ieșire va ajunge în cele din urmă la minim sau maxim atunci când proprietatea măsurată depășește limitele. Gama completă a scalei definește valorile maxime și minime ale proprietății măsurate.
- Sensibilitatea poate , în practică , să difere de valoarea specificată. Aceasta se numește o eroare de sensibilitate. Aceasta este o eroare în panta unei funcții de transfer liniar.
- Dacă semnalul de ieșire diferă de valoarea corectă cu o constantă, senzorul are o eroare de compensare sau polarizare . Aceasta este o eroare în interceptarea y a unei funcții de transfer liniar.
- Neliniaritatea este devierea funcției de transfer a unui senzor de la o funcție de transfer pe linie dreaptă. De obicei, aceasta este definită de cantitatea de ieșire diferită de comportamentul ideal pe întreaga gamă a senzorului, adesea notată ca procent din întreaga gamă.
- Abaterea cauzată de modificările rapide ale proprietății măsurate în timp este o eroare dinamică . Adesea, acest comportament este descris cu un grafic de bode care arată eroarea de sensibilitate și defazarea în funcție de frecvența unui semnal de intrare periodic.
- Dacă semnalul de ieșire se schimbă încet independent de proprietatea măsurată, acesta este definit ca derivă . Deriva pe termen lung în decurs de luni sau ani este cauzată de modificări fizice ale senzorului.
- Zgomotul este o abatere aleatorie a semnalului care variază în timp.
- O eroare de histerezis face ca valoarea de ieșire să varieze în funcție de valorile de intrare anterioare. Dacă ieșirea unui senzor este diferită în funcție de faptul dacă s-a atins o anumită valoare de intrare prin creșterea sau scăderea intrării, atunci senzorul are o eroare de histerezis.
- Dacă senzorul are o ieșire digitală, ieșirea este în esență o aproximare a proprietății măsurate. Această eroare se mai numește și eroare de cuantificare .
- Dacă semnalul este monitorizat digital, frecvența de eșantionare poate provoca o eroare dinamică sau dacă variabila de intrare sau zgomotul adăugat se schimbă periodic la o frecvență apropiată de un multiplu al ratei de eșantionare, pot apărea erori de aliasare .
- Senzorul poate fi într-o oarecare măsură sensibil la alte proprietăți decât proprietatea măsurată. De exemplu, majoritatea senzorilor sunt influențați de temperatura mediului lor.
Toate aceste abateri pot fi clasificate ca erori sistematice sau erori aleatorii . Erorile sistematice pot fi uneori compensate prin intermediul unui fel de strategie de calibrare . Zgomotul este o eroare aleatorie care poate fi redusă prin procesarea semnalului , cum ar fi filtrarea, de obicei în detrimentul comportamentului dinamic al senzorului.
Rezoluţie
Rezoluția senzorului sau rezoluția de măsurare este cea mai mică schimbare care poate fi detectată în cantitatea pe care acesta este măsurat. Rezoluția unui senzor cu o ieșire digitală este de obicei rezoluția numerică a ieșirii digitale. Rezoluția este legată de precizia cu care se face măsurarea, dar nu sunt același lucru. Precizia unui senzor poate fi considerabil mai slabă decât rezoluția acestuia.
- De exemplu, rezoluția distanței este distanța minimă care poate fi măsurată cu precizie de orice dispozitiv de măsurare a distanței . Într-o cameră cu timp de zbor , rezoluția distanței este de obicei egală cu abaterea standard (zgomotul total) al semnalului exprimat în unitate de lungime .
- Senzorul poate fi într-o oarecare măsură sensibil la alte proprietăți decât proprietatea măsurată. De exemplu, majoritatea senzorilor sunt influențați de temperatura mediului lor.
Senzor chimic
Un senzor chimic este un dispozitiv analitic autonom care poate furniza informații despre compoziția chimică a mediului său, adică un lichid sau o fază gazoasă . Informațiile sunt furnizate sub forma unui semnal fizic măsurabil care este corelat cu concentrația unei anumite specii chimice (denumită analit ). În funcționarea unui senzor chimic sunt implicați doi pași principali și anume recunoașterea și transducția . În etapa de recunoaștere, moleculele analitelor interacționează selectiv cu moleculele receptorilor sau cu siturile incluse în structura elementului de recunoaștere al senzorului. În consecință, un parametru fizic caracteristic variază și această variație este raportată prin intermediul unui traductor integrat care generează semnalul de ieșire. Un senzor chimic bazat pe un material de recunoaștere de natură biologică este un biosenzor . Cu toate acestea, întrucât materialele biomimetice sintetice vor substitui într-o oarecare măsură biomaterialele de recunoaștere, este inutilă o distincție clară între un biosenzor și un senzor chimic standard. Materialele biomimetice tipice utilizate în dezvoltarea senzorilor sunt polimeri și aptameri imprimați molecular .
Biosenzor
În biomedicină și biotehnologie , senzorii care detectează analiții grație unei componente biologice, cum ar fi celulele, proteinele, acidul nucleic sau polimerii biomimetici , se numesc biosenzori . În timp ce un senzor non-biologic, chiar organic (chimia carbonului), pentru analiții biologici este denumit senzor sau nanosenzor . Această terminologie se aplică atât aplicațiilor in vitro, cât și in vivo. Incapsularea componentei biologice în biosenzori, prezintă o problemă ușor diferită față de senzorii obișnuiți; acest lucru se poate face fie prin intermediul unei bariere semipermeabile , cum ar fi o membrană de dializă sau un hidrogel , fie o matrice polimerică 3D, care fie constrânge fizic macromolecula de detectare, fie constrânge chimic macromolecula prin legarea ei la eșafod.
Senzori neuromorfi
Senzorii neuromorfi sunt senzori care imită fizic structurile și funcțiile entităților neuronale biologice. Un exemplu în acest sens este camera pentru evenimente.
Senzori MOS
Tehnologia metal-oxid-semiconductor (MOS) provine din MOSFET (tranzistor cu efect de câmp MOS sau tranzistor MOS) inventat de Mohamed M. Atalla și Dawon Kahng în 1959 și demonstrat în 1960. Senzorii MOSFET (senzori MOS) au fost dezvoltate ulterior și, de atunci, au fost utilizate pe scară largă pentru a măsura parametrii fizici , chimici , biologici și de mediu .
Senzori biochimici
Au fost dezvoltate o serie de senzori MOSFET, pentru măsurarea parametrilor fizici , chimici , biologici și de mediu . Primii senzori MOSFET includ tranzistorul cu efect de câmp deschis (OGFET) introdus de Johannessen în 1970, tranzistorul cu efect de câmp sensibil la ioni (ISFET) inventat de Piet Bergveld în 1970, adsorbția FET (ADFET) patentată de PF Cox. în 1974 și un MOSFET sensibil la hidrogen demonstrat de I. Lundstrom, MS Shivaraman, CS Svenson și L. Lundkvist în 1975. ISFET este un tip special de MOSFET cu o poartă la o anumită distanță și unde poarta metalică este înlocuită printr-o membrană sensibilă la ioni , soluție de electroliți și electrod de referință . ISFET este utilizat pe scară largă în aplicații biomedicale , cum ar fi detectarea hibridizării ADN-ului , detectarea biomarkerilor din sânge , detectarea anticorpilor , măsurarea glucozei , detectarea pH-ului și tehnologia genetică .
Până la mijlocul anilor 1980, au fost dezvoltați numeroși alți senzori MOSFET, inclusiv senzorul de gaz FET (GASFET), FET accesibil la suprafață (SAFET), tranzistorul de debit de încărcare (CFT), senzorul de presiune FET (PRESSFET), tranzistorul cu efect de câmp chimic ( ChemFET), referință ISFET (REFET), biosenzor FET (BioFET), FET modificat enzimatic (ENFET) și FET modificat imunologic (IMFET). La începutul anilor 2000, au fost dezvoltate tipuri de BioFET, cum ar fi tranzistorul cu efect de câmp ADN (DNAFET), FET modificat de genă (GenFET) și BioFET cu potențial celular (CPFET).
Senzori de imagine
Tehnologia MOS stă la baza senzorilor moderni de imagine , inclusiv a dispozitivului cuplat la încărcare (CCD) și a senzorului CMOS activ-pixel (senzor CMOS), utilizat în imagistica digitală și în camerele digitale . Willard Boyle și George E. Smith au dezvoltat CCD-ul în 1969. În timp ce cercetau procesul MOS, au realizat că o sarcină electrică este analogia cu bula magnetică și că ar putea fi stocată pe un mic condensator MOS. Deoarece a fost destul de simplu să se fabrice o serie de condensatori MOS la rând, aceștia au conectat o tensiune adecvată, astfel încât încărcătura să poată fi avansată de la unul la altul. CCD este un circuit semiconductor care a fost folosit ulterior în primele camere video digitale pentru difuzarea televiziunii .
Senzorul de pixeli activ MOS (APS) a fost dezvoltat de Tsutomu Nakamura la Olympus în 1985. Senzorul de pixeli activ CMOS a fost dezvoltat ulterior de Eric Fossum și echipa sa la începutul anilor '90.
Senzorii de imagine MOS sunt folosiți pe scară largă în tehnologia mouse-ului optic . Primul mouse optic, inventat de Richard F. Lyon la Xerox în 1980, a folosit un cip senzor NMOS de 5 µm . De la primul mouse optic comercial, IntelliMouse a fost introdus în 1999, majoritatea dispozitivelor optice pentru mouse folosesc senzori CMOS.
Senzori de monitorizare
Senzorii de monitorizare MOS sunt utilizați pentru monitorizarea casei , biroul și agricultura , monitorizarea traficului (inclusiv viteza mașinii , blocajele și accidentele de trafic ), monitorizarea vremii (cum ar fi ploaia , vântul , fulgerele și furtunile ), monitorizarea apărării și monitorizarea temperaturii , umiditate , poluare a aerului , incendiu , sănătate , securitate și iluminat . Senzorii cu detector de gaze MOS sunt folosiți pentru a detecta monoxidul de carbon , dioxidul de sulf , hidrogenul sulfurat , amoniacul și alte substanțe gazoase . Alți senzori MOS includ senzori inteligenți și tehnologia rețelei de senzori fără fir (WSN).
Vezi si
Referințe
Lecturi suplimentare
- M. Kretschmar și S. Welsby (2005), Senzori de deplasare capacitivă și inductivă, în Manualul tehnologiei senzorilor, editor J. Wilson, Newnes: Burlington, MA.
- CA Grimes, EC Dickey și MV Pishko (2006), Enciclopedia senzorilor (set de 10 volume), American Scientific Publishers. ISBN 1-58883-056-X
- Blaauw, FJ, Schenk, HM, Jeronimus, BF, van der Krieke, L., de Jonge, P., Aiello, M., Emerencia, AC (2016). Să obținem Physiqual - O metodă intuitivă și generică de a combina tehnologia senzorilor cu evaluări ecologice de moment . Journal of Biomedical Informatics, vol. 63, pag. 141-149.