Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с датчиков )
Перейти к навигации Перейти к поиску
«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. Его не следует путать с Цензором , Порицанием или Курильницей .
Различные типы световых датчиков

В самом широком определении датчик - это устройство, модуль, машина или подсистема, целью которых является обнаружение событий или изменений в своей среде и отправка информации в другую электронику, часто в процессор компьютера . Датчик всегда используется с другой электроникой.

Датчики используются в повседневных предметах, таких как сенсорные кнопки лифта ( тактильный датчик ) и лампы, которые затемняются или становятся ярче от прикосновения к основанию, помимо бесчисленных приложений, о которых большинство людей даже не подозревает. Благодаря достижениям в области микромашиностроения и простых в использовании микроконтроллерных 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 множество 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, предполагающий линейную характеристику). Некоторые датчики также могут влиять на то, что они измеряют; например, термометр комнатной температуры, вставленный в чашку с горячей 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 это и может дать другие преимущества. [2]

Технологический прогресс позволяет производить все больше и больше датчиков в микроскопическом масштабе 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 краткосрочного мониторинга или однократных измерений - в последнее время становятся все более популярными. важность. 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 [ править ]

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 линейную передаточную функцию . Затем чувствительность 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, 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-цифрового преобразователя .

Отклонения датчика [ править ]

Поскольку датчики не могут воспроизвести идеальную передаточную функцию , могут возникать несколько типов отклонений, ограничивающих точность датчика :

  • Поскольку диапазон выходного сигнала всегда ограничен, выходной сигнал в конечном итоге достигнет минимума или максимума, когда измеряемые свойства выйдут за пределы. Полная шкала диапазон определяет максимальное и минимальное значение измеряемого свойства. [ необходима 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 точки пересечения оси Y линейной передаточной функции.
  • Нелинейность - это отклонение передаточной функции датчика от передаточной функции по прямой. Обычно это определяется степенью отклонения выходного сигнала от идеального поведения во всем диапазоне датчика, часто указываемого в процентах от полного диапазона.
  • Отклонение, вызванное быстрыми изменениями измеряемых свойств с течением времени, является динамической ошибкой. Часто это поведение описывается графиком Боде, показывающим ошибку чувствительности и фазовый сдвиг как функцию 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.
  • Ошибка гистерезиса 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 измеренным свойством. Эта ошибка также называется ошибкой квантования .
  • Если сигнал отслеживается в цифровом виде, частота дискретизации может вызвать динамическую ошибку, или если входная переменная или добавленный шум периодически изменяется с частотой, близкой к кратной частоте дискретизации, могут возникать ошибки наложения спектров .
  • 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 случайные ошибки . Систематические ошибки иногда можно компенсировать с помощью какой-либо стратегии калибровки . Шум - это случайная ошибка, которая может быть уменьшена обработкой сигнала , такой как фильтрация, обычно за счет динамического поведения датчика.

Разрешение [ править ]

Разрешение сенсора или разрешение измерения - это наименьшее изменение, которое может быть обнаружено в измеряемой величине. Разрешение датчика с цифровым выходом обычно является числовым разрешением цифрового выхода. Разрешение связано с точностью измерения, но это не одно и то же. Точность датчика может быть значительно хуже, чем его разрешение.

  • Например, разрешение по расстоянию - это минимальное расстояние, которое может быть точно измерено любыми приборами для измерения расстояния . В времяпролетной камере разрешение по расстоянию обычно равно стандартному отклонению (общему шуму) сигнала, выраженному в единицах длины .
  • Датчик может до некоторой степени быть чувствительным 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 о жидкой или газовой фазе . [5] 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 преобразование . На этапе распознавания молекулы анализируемого вещества избирательно взаимодействуют с молекулами рецептора.или сайты, входящие в состав распознающего элемента сенсора. Следовательно, характерный физический параметр изменяется, и об этом изменении сообщает встроенный преобразователь, который генерирует выходной сигнал. Химический сенсор на основе распознающего материала биологической природы - это биосенсор . Однако, поскольку синтетические биомиметические материалы в некоторой степени заменят биоматериалы распознавания, четкое различие между биосенсором и стандартным химическим сенсором излишне. Типичными биомиметическими материалами, используемыми при разработке сенсоров, являются полимеры и аптамеры с молекулярной печатью .

Биосенсор [ править ]

Основная статья: Биосенсор

В биомедицине и биотехнологии сенсоры, которые обнаруживают аналиты с помощью биологического компонента, такого как клетки, белок, нуклеиновая кислота или биомиметические полимеры , называются биосенсорами . В то время как небиологический сенсор, даже органический (химия углерода), для биологических аналитов называется сенсором или наносенсором . Эта терминология применима как для in vitro, так и для in vivo приложений. Инкапсуляция биологического компонента в биосенсорах представляет несколько иную проблему, чем обычные датчики; это может быть выполнено с помощью полупроницаемого барьера , такого как диализная мембрана илигидрогель или трехмерная полимерная матрица, которая либо физически ограничивает чувствительную макромолекулу, либо химически ограничивает макромолекулу, связывая ее с каркасом.

Датчики MOS [ править ]

Технология металл-оксид-полупроводник (МОП) происходит от МОП-транзистора (МОП-полевого транзистора или МОП-транзистора), изобретенного Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году и продемонстрированного в 1960 году. [6] Датчики МОП-транзистора (МОП-датчики) были позже разработаны, и с тех пор они широко используются для измерения физических , химических , биологических параметров и параметров окружающей среды . [7]

Биохимические сенсоры [ править ]

Был разработан ряд датчиков MOSFET для измерения физических , химических , биологических параметров и параметров окружающей среды . [7] Наиболее ранние датчики MOSFET включают открытым затвором полевого транзистора (OGFET) , введенный Johannessen в 1970 году, [7] ион-чувствительный полевой транзистор (ИСПТ) , изобретенный Пита Bergveld в 1970 году [8] адсорбционный полевой транзистор (ADFET), запатентованный П. Ф. Коксом в 1974 г., и чувствительный к водороду полевой МОП-транзистор, продемонстрированный И. Лундстромом, М. С. Шивараманом, С. С. Свенсоном и Л. Лундквистом в 1975 г. [7]ISFET - это особый тип полевого МОП-транзистора с затвором на определенном расстоянии [7], в котором металлический затвор заменен ионно- чувствительной мембраной , раствором электролита и электродом сравнения . [9] ISFET широко используется в биомедицинских приложениях, таких как обнаружение гибридизации ДНК , обнаружение биомаркеров в крови , обнаружение антител , измерение глюкозы, определение pH и генетические технологии . [9]

К середине 1980-х годов было разработано множество других датчиков MOSFET, включая полевой транзистор газового датчика (GASFET), полевой транзистор с поверхностным доступом (SAFET), транзистор потока заряда (CFT), датчик давления FET (PRESSFET), химический полевой транзистор ( ChemFET), эталонный ISFET (REFET), биосенсорный полевой транзистор (BioFET), ферментно-модифицированный полевой транзистор (ENFET) и иммунологически модифицированный полевой транзистор (IMFET). [7] В начале 2000 - х лет, типы BioFET , такие как ДНК - полевой транзистор (DNAFET), ген-модифицированный полевые транзисторы (GenFET) и клеточный потенциал были разработаны BioFET (CPFET). [9]

Датчики изображения [ править ]

Основные статьи: датчик изображения , устройство с зарядовой связью и датчик с активным пикселем

Технология MOS является основой для современных датчиков изображения , включая устройство с зарядовой связью (CCD) и датчик CMOS с активными пикселями (датчик CMOS), используемых в цифровых изображениях и цифровых камерах . [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 подключили к ним подходящее напряжение, чтобы заряд мог переходить от одного к другому. [10]ПЗС - это полупроводниковая схема, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевещания . [11]

MOS -датчик с активными пикселями (APS) был разработан Цутому Накамура на Olympus в 1985 году. [12] CMOS-датчик с активными пикселями был позже разработан Эриком Фоссумом и его командой в начале 1990-х годов. [13]

Датчики изображения MOS широко используются в технологии оптических мышей . В первой оптической мыши, изобретенной Ричардом Ф. Лайоном в Xerox в 1980 году, использовался сенсорный чип NMOS 5  мкм . [14] [15] С момента появления первой коммерческой оптической мыши IntelliMouse, представленной в 1999 году, в большинстве оптических мышей используются датчики CMOS. [16]

Датчики мониторинга [ править ]

Лидарный датчик на iPad Pro [17]

Датчики мониторинга MOS используются для мониторинга дома , офиса и сельского хозяйства, мониторинга трафика (включая скорость автомобиля , пробки и дорожно-транспортные происшествия ), мониторинга погоды (например, дождя , ветра , молнии и шторма ), мониторинга защиты и мониторинга температуры , влажность , загрязнение воздуха , пожар , здоровье , безопасность и освещение .[18] Датчики детектора газа МОПиспользуются для обнаружения окиси углерода , двуокиси серы , сероводорода , аммиака и других газообразных веществ. [19] Другие МОП-сенсоры включают интеллектуальные сенсоры [20] и технологию беспроводной сенсорной сети (WSN). [21]

См. Также [ править ]

  • Привод
  • Получение данных
  • Регистратор данных
  • Датчик изображений
  • МОП-транзистор
    • BioFET
    • Химический полевой транзистор
    • ISFET
  • Список датчиков
  • Машинное обоняние
  • Наноэлектроника
  • Наносенсор
  • Зондирование пола
  • Преобразователь
  • Беспроводная сенсорная сеть

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Bennett, S. (1993). История контрольной техники 1930–1955 гг . Лондон: Peter Peregrinus Ltd. от имени Института инженеров-электриков. ISBN 978-0-86341-280-6В источнике указано «контролирует», а не «датчики», поэтому предполагается его применимость. Многие единицы являются производными от базовых измерений, к которым они относятся, таких как уровень жидкости, измеренный датчиком перепада давления.CS1 maint: postscript ( ссылка )
  2. ^ а б Jihong Yan (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. ^ a b Динсер, банка; Брух, Ричард; Коста-Рама, Эстефания; Фернандес-Абедул, Мария Тереза; Меркочи, Арбен; Манц, Андреас; Урбан, Джеральд Антон; Гюдер, Фират (15.05.2019). «Одноразовые датчики в диагностике, мониторинге пищевых продуктов и окружающей среды» . Современные материалы . 31 (30): 1806739. DOI : 10.1002 / adma.201806739 . ISSN 0935-9648 . PMID 31094032 .  
  5. ^ Bǎnicǎ, Florinel-Габриэль (2012). Химические сенсоры и биосенсоры: основы и приложения . Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons. п. 576. ISBN. 978-1-118-35423-0.
  6. ^ "1960: Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован" . Кремниевый двигатель: хронология полупроводников в компьютерах . Музей истории компьютеров . Проверено 31 августа 2019 года .
  7. ^ Б с д е е Bergveld, Пита (октябрь 1985). «Влияние датчиков на основе MOSFET» (PDF) . Датчики и исполнительные механизмы . 8 (2): 109–127. DOI : 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 . Дата обращения 13 мая 2016 .
  9. ^ a b 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. DOI : 10.1039 / B204444G . ISSN 1364-5528 . PMID 12375833 .   
  10. ^ a b Уильямс, JB (2017). Революция в электронике: изобретение будущего . Springer. стр. 245 и 249. ISBN 9783319490885.
  11. ^ Бойл, Уильям S; Смит, Джордж Э. (1970). «Полупроводниковые приборы с зарядовой связью». Bell Syst. Tech. Дж . 49 (4): 587–593. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1970.tb01790.x .
  12. ↑ Мацумото, Кадзуя; и другие. (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 .
  13. ^ Эрик Р. Фоссум (1993), "Активные пиксельные сенсоры: динозавры CCD?" Proc. SPIE Vol. 1900, стр. 2–14, Устройства с зарядовой связью и твердотельные оптические датчики III , Морли М. Блуке; 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). «Оптическая мышь и архитектурная методология интеллектуальных цифровых датчиков» (PDF) . В HT Kung; Роберт Ф. Спроул; Гай Л. Стил (ред.). Системы СБИС и вычисления . Computer Science Press. С. 1–19. DOI : 10.1007 / 978-3-642-68402-9_1 . ISBN  978-3-642-68404-3.
  16. ^ Мозг, Маршалл; Кармак, Кармен (24 апреля 2000 г.). «Как работают компьютерные мыши» . HowStuffWorks . Проверено 9 октября 2019 .
  17. ^ «LiDAR против 3D ToF-сенсоров - как Apple делает AR лучше для смартфонов» . Проверено 3 апреля 2020 .
  18. ^ Омура, Ясухиса; Маллик, Абхиджит; Мацуо, Наото (2017). МОП-устройства для низковольтных и низкоэнергетических приложений . Джон Вили и сыновья . С. 3–4. ISBN 9781119107354.
  19. ^ ВС, Jianhai; 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. DOI : 10,3390 / mi9080408 . ISSN 2072-666X . PMC 6187308 . PMID 30424341 .   
  20. ^ Мид, Карвер А .; Исмаил, Мохаммед, ред. (8 мая 1989 г.). Аналоговая реализация нейронных систем на СБИС (PDF) . Kluwer International Series в области инженерии и информатики. 80 . Норвелл, Массачусетс: Kluwer Academic Publishers . DOI : 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 [ править ]

  • М. Кречмар и С. Велсби (2005), Емкостные и индуктивные датчики смещения, в Справочнике по сенсорной технологии, редактор Дж. Уилсон, Newnes: Burlington, MA.
  • CA Grimes, EC Dickey, and MV Pishko (2006), Энциклопедия датчиков (набор из 10 томов), 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). Давайте возьмем Physiqual - интуитивно понятный и универсальный метод объединения сенсорных технологий с мгновенными экологическими оценками . Журнал биомедицинской информатики, вып. 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 )