Sensor - Sensor

Ulike typer lyssensorer

I den bredeste definisjonen er en sensor en enhet, modul, maskin eller delsystem hvis formål er å oppdage hendelser eller endringer i miljøet og sende informasjonen til annen elektronikk, ofte en datamaskinprosessor . En sensor brukes alltid med annen elektronikk.

Sensorer brukes i dagligdagse gjenstander som berøringsfølsomme heisknapper ( taktil sensor ) og lamper som dempes eller lysner ved å berøre basen, i tillegg til utallige applikasjoner som de fleste aldri er klar over. Med fremskritt innen mikromaskiner og brukervennlige mikrokontrollerplattformer har bruken av sensorer utvidet seg utover de tradisjonelle feltene temperatur, trykk eller strømningsmåling, for eksempel til MARG-sensorer . Videre er analoge sensorer som potensiometre og kraftfølende motstander fortsatt mye brukt. Søknadene inkluderer produksjon og maskiner, fly og romfart, biler, medisin, robotikk og mange andre aspekter av vårt daglige liv. Det finnes et bredt spekter av andre sensorer som måler kjemiske og fysiske egenskaper til materialer. Noen få eksempler inkluderer optiske sensorer for måling av brytningsindeks, vibrasjonssensorer for måling av væskeviskositet og elektrokjemisk sensor for overvåking av væskers pH.

En sensors følsomhet indikerer hvor mye sensorens utgang endres når inngangsmengden som måles endres. For eksempel, hvis kvikksølv i et termometer beveger seg 1 cm når temperaturen endres med 1 ° C, er følsomheten 1 cm/° C (det er i utgangspunktet skråningen dy/dx forutsatt en lineær karakteristikk). Noen sensorer kan også påvirke hva de måler; for eksempel avkjøler et romtemperatur -termometer som er satt inn i en varm kopp væske mens væsken varmer termometeret. Sensorer er vanligvis designet for å ha en liten effekt på det som måles; å gjøre sensoren mindre forbedrer ofte dette og kan introdusere andre fordeler.

Teknologisk fremgang gjør at flere og flere sensorer kan produseres i mikroskopisk skala som mikrosensorer ved bruk av MEMS -teknologi. I de fleste tilfeller når en mikrosensor en betydelig raskere måletid og høyere følsomhet sammenlignet med makroskopiske tilnærminger. På grunn av den økende etterspørselen etter rask, rimelig og pålitelig informasjon i dagens verden, har engangssensorer-rimelige og brukervennlige enheter for kortsiktig overvåking eller enkeltskuddsmålinger-fått stadig større betydning. Ved hjelp av denne sensorklassen kan kritisk analytisk informasjon innhentes av hvem som helst, hvor som helst og når som helst, uten behov for omkalibrering og bekymring for forurensning.

Klassifisering av målefeil

En god sensor følger følgende regler:

  • den er følsom for den målte egenskapen
  • det er ufølsomt for enhver annen eiendom som sannsynligvis vil oppstå i søknaden, og
  • det påvirker ikke den målte egenskapen.

De fleste sensorer har en lineær overføringsfunksjon . Den følsomhet defineres så som forholdet mellom utgangssignalet og målt egenskap. For eksempel, hvis en sensor måler temperatur og har en spenningsutgang, er følsomheten konstant med enhetene [V/K]. Følsomheten er skråningen til overføringsfunksjonen. Konvertering av sensorens elektriske utgang (for eksempel V) til de målte enhetene (for eksempel K) krever å dele den elektriske effekten med skråningen (eller multiplisere med dens gjensidige). I tillegg blir en offset ofte lagt til eller trukket fra. For eksempel må −40 legges til utgangen hvis 0 V utgang tilsvarer −40 C inngang.

For at et analogt sensorsignal skal behandles eller brukes i digitalt utstyr, må det konverteres til et digitalt signal ved hjelp av en analog-til-digital-omformer .

Sensoravvik

Siden sensorer ikke kan replikere en ideell overføringsfunksjon , kan det oppstå flere typer avvik som begrenser sensornøyaktigheten :

  • Siden rekkevidden til utgangssignalet alltid er begrenset, vil utgangssignalet til slutt nå et minimum eller maksimum når den målte egenskapen overskrider grensene. Hele skalaområdet definerer maksimums- og minimumsverdiene for den målte egenskapen.
  • Den følsomhet i praksis kan avvike fra den angitte verdi. Dette kalles en følsomhetsfeil. Dette er en feil i skråningen til en lineær overføringsfunksjon.
  • Hvis utgangssignalet avviker fra den riktige verdien med en konstant, har sensoren en forskyvningsfeil eller forspenning . Dette er en feil i y-skjæringspunktet til en lineær overføringsfunksjon.
  • Ikke -linearitet er avvik fra en sensors overføringsfunksjon fra en rettlinjeoverføringsfunksjon. Vanligvis er dette definert av mengden utgangen skiller seg fra ideell oppførsel over hele sensorens område, ofte notert som en prosentandel av hele området.
  • Avvik forårsaket av raske endringer av den målte egenskapen over tid er en dynamisk feil. Ofte er denne oppførselen beskrevet med et budplot som viser følsomhetsfeil og faseskift som en funksjon av frekvensen til et periodisk inngangssignal.
  • Hvis utgangssignalet sakte endres uavhengig av den målte egenskapen, er dette definert som drift . Langsiktig drift over måneder eller år er forårsaket av fysiske endringer i sensoren.
  • Støy er en tilfeldig avvik fra signalet som varierer i tid.
  • En hysteresefeil får utgangsverdien til å variere avhengig av de tidligere inngangsverdiene. Hvis sensorens utgang er forskjellig avhengig av om en bestemt inngangsverdi ble nådd ved å øke eller redusere inngangen, har sensoren en hysteresefeil.
  • Hvis sensoren har en digital utgang, er utgangen i hovedsak en tilnærming til den målte egenskapen. Denne feilen kalles også kvantiseringsfeil .
  • Hvis signalet overvåkes digitalt, kan samplingsfrekvensen forårsake en dynamisk feil, eller hvis inngangsvariabelen eller tilleggsstøyen endres periodisk med en frekvens nær et multiplum av samplingshastigheten, kan det oppstå aliasingsfeil .
  • Sensoren kan til en viss grad være følsom for andre eiendommer enn eiendommen som måles. For eksempel påvirkes de fleste sensorer av temperaturen i miljøet.

Alle disse avvikene kan klassifiseres som systematiske feil eller tilfeldige feil . Systematiske feil kan noen ganger kompenseres for ved hjelp av en slags kalibreringsstrategi . Støy er en tilfeldig feil som kan reduseres ved signalbehandling , for eksempel filtrering, vanligvis på bekostning av sensorens dynamiske oppførsel.

Vedtak

Den sensor oppløsning eller måleoppløsning er den minste endring som kan påvises i den mengde som det skal måles. Oppløsningen til en sensor med digital utgang er vanligvis den numeriske oppløsningen til den digitale utgangen. Oppløsningen er knyttet til presisjonen som målingen er gjort med, men de er ikke det samme. En sensors nøyaktighet kan være betydelig verre enn oppløsningen.

  • For eksempel er avstandsoppløsningen minimumsavstanden som kan måles nøyaktig med alle avstandsmåler . I et fly-kamera er avstandsoppløsningen vanligvis lik standardavviket (total støy) for signalet uttrykt i lengdeenhet .
  • Sensoren kan til en viss grad være følsom for andre eiendommer enn eiendommen som måles. For eksempel påvirkes de fleste sensorer av temperaturen i miljøet.

Kjemisk sensor

En kjemisk sensor er en selvstendig analyseenhet som kan gi informasjon om den kjemiske sammensetningen av miljøet, det vil si en væske eller en gassfase . Informasjonen er gitt i form av et målbart fysisk signal som er korrelert med konsentrasjonen av en bestemt kjemisk art (betegnet som analyt ). To hovedtrinn er involvert i funksjonen til en kjemisk sensor, nemlig gjenkjenning og transduksjon . I gjenkjenningstrinnet samhandler analytmolekyler selektivt med reseptormolekyler eller steder som inngår i strukturen til gjenkjenningselementet til sensoren. Følgelig varierer en karakteristisk fysisk parameter, og denne variasjonen rapporteres ved hjelp av en integrert transduser som genererer utgangssignalet. En kjemisk sensor basert på gjenkjenningsmateriale av biologisk natur er en biosensor . Ettersom syntetiske biomimetiske materialer til en viss grad kommer til å erstatte biomaterialer, er et skarpt skille mellom en biosensor og en standard kjemisk sensor overflødig. Typiske biomimetiske materialer som brukes i sensorutvikling, er molekylært pregede polymerer og aptamerer .

Biosensor

I biomedisin og bioteknologi kalles sensorer som oppdager analytter takket være en biologisk komponent, for eksempel celler, protein, nukleinsyre eller biomimetiske polymerer , biosensorer . Mens en ikke-biologisk sensor, selv organisk (karbonkjemi), for biologiske analytter blir referert til som sensor eller nanosensor . Denne terminologien gjelder både in vitro og in vivo applikasjoner. Innkapslingen av den biologiske komponenten i biosensorer, presenterer et litt annet problem som vanlige sensorer; dette kan enten gjøres ved hjelp av en semipermeabel barriere , for eksempel en dialysemembran eller en hydrogel , eller en 3D -polymermatrise, som enten fysisk begrenser det følende makromolekylet eller kjemisk begrenser makromolekylet ved å binde det til stillaset.

Neuromorfe sensorer

Neuromorfe sensorer er sensorer som fysisk etterligner strukturer og funksjoner til biologiske nevrale enheter. Et eksempel på dette er arrangementskameraet.

MOS sensorer

Metalloksid-halvleder (MOS) -teknologi stammer fra MOSFET (MOS-felt-effekt-transistoren, eller MOS-transistoren) oppfunnet av Mohamed M. Atalla og Dawon Kahng i 1959, og demonstrert i 1960. MOSFET-sensorer (MOS-sensorer) ble senere utviklet , og de har siden blitt mye brukt til å måle fysiske , kjemiske , biologiske og miljømessige parametere.

Biokjemiske sensorer

En rekke MOSFET -sensorer er utviklet for måling av fysiske , kjemiske , biologiske og miljømessige parametere. De tidligste MOSFET-sensorene inkluderer felt-effekt-transistoren med åpen gate (OGFET) introdusert av Johannessen i 1970, den ion-sensitive felt-effekt-transistoren (ISFET) oppfunnet av Piet Bergveld i 1970, adsorpsjonen FET (ADFET) patentert av PF Cox i 1974, og en hydrogensensitiv MOSFET demonstrert av I. Lundstrom, MS Shivaraman, CS Svenson og L. Lundkvist i 1975. ISFET er en spesiell type MOSFET med en port i en viss avstand, og hvor metallporten erstattes ved hjelp av en ion -sensitive membran , elektrolyttoppløsning og referanseelektrode . ISFET er mye brukt i biomedisinske applikasjoner, for eksempel påvisning av DNA -hybridisering , biomarkørdeteksjon fra blod , antistoffdeteksjon , glukosemåling , pH -sensing og genetisk teknologi .

På midten av 1980-tallet hadde en rekke andre MOSFET-sensorer blitt utviklet, inkludert gassensoren FET (GASFET), overflatetilgjengelig FET (SAFET), ladestrømstransistor (CFT), trykksensor FET (PRESSFET), kjemisk felt-effekt-transistor ( ChemFET), referanse ISFET (REFET), biosensor FET (BioFET), enzymmodifisert FET (ENFET) og immunologisk modifisert FET (IMFET). Ved begynnelsen av 2000-tallet, BioFET typer som den DNA-felteffekttransistor (DNAFET), gen-modifisert FET (GenFET) og celle-potensiale BioFET (CPFET) var blitt utviklet.

Bildesensorer

MOS-teknologien er grunnlaget for moderne bildesensorer , inkludert ladningskoblet enhet (CCD) og CMOS aktiv pikselsensor (CMOS-sensor), som brukes i digital bildebehandling og digitale kameraer . Willard Boyle og George E. Smith utviklet CCD i 1969. Mens de undersøkte MOS -prosessen, innså de at en elektrisk ladning var analogien til magnetboblen og at den kunne lagres på en liten MOS -kondensator. Siden det var ganske enkelt å fremstille en serie MOS -kondensatorer på rad, koblet de til en passende spenning til dem slik at ladningen kunne trappes sammen fra den ene til den neste. CCD er en halvlederkrets som senere ble brukt i de første digitale videokameraene for fjernsynssendinger .

MOS active-pixel sensor (APS) ble utviklet av Tsutomu Nakamura på Olympus i 1985. CMOS active-pixel sensor ble senere utviklet av Eric Fossum og hans team på begynnelsen av 1990-tallet.

MOS bildesensorer er mye brukt i optisk musteknologi . Den første optiske musen, oppfunnet av Richard F. LyonXerox i 1980, brukte en 5  µm NMOS -sensorbrikke. Siden den første kommersielle optiske musen, IntelliMouse ble introdusert i 1999, bruker de fleste optiske musenheter CMOS -sensorer.

Overvåkingssensorer

Lidar -sensor på iPad Pro

MOS -overvåkingssensorer brukes til husovervåking , kontor- og landbruksovervåking , trafikkovervåking (inkludert bilhastighet , trafikkorker og trafikkulykker ), værovervåking (som for regn , vind , lyn og storm ), forsvarsovervåking og temperaturovervåking , fuktighet , luftforurensning , brann , helse , sikkerhet og belysning . MOS gassdetektor sensorer brukes til å detektere karbonmonoksid , svoveldioksid , hydrogensulfid , ammoniakk og andre gass stoffer. Andre MOS -sensorer inkluderer intelligente sensorer og teknologi for trådløst sensornettverk (WSN).

Se også

Referanser

Videre lesning