Sensor

"Sensoren" leitet hier weiter. Für andere Verwendungen siehe Sensoren (Disambiguierung).
"Detektor" leitet hier weiter. Für Detektorschaltungen in Radio und anderen Signalelektronik siehe Detektor (Radio).
In diesem Artikel geht es um ein Erkennungsgerät. Es ist nicht zu verwechseln mit Zensieren, Tadel, oder Censer.
Verschiedene Arten von Lichtsensoren

A Sensor ist ein Gerät, das ein Ausgangssignal erzeugt, um ein physikalisches Phänomen zu erfassen.

In der breitesten Definition ist ein Sensor ein Gerät, ein Modul, eine Maschine oder ein Subsystem, das Ereignisse oder Änderungen in seiner Umgebung erkennt und die Informationen an andere Elektronik sendet, häufig einen Computerprozessor. Sensoren werden immer mit anderen Elektronik verwendet.

Sensoren werden in alltäglichen Objekten wie berührungsempfindlichen Aufzugsknöpfen verwendet (taktiler Sensor) und Lampen, die durch Berühren der Basis und in unzähligen Anwendungen, von denen die meisten Menschen nie bekannt sind, düster oder hellen. Mit Fortschritten in Mikromaschinerie und leicht zu bedienen Mikrocontroller Plattformen, die Verwendung von Sensoren hat sich über die traditionellen Felder von Temperatur, Druck und Durchflussmessung hinaus erweitert.[1] Zum Beispiel in Marg -Sensoren.

Analogsensoren wie z. Potentiometer und Kraftsensresistenten sind noch weit verbreitet. Ihre Anwendungen umfassen Herstellung und Maschinen, Flugzeuge und Luft- und Raumfahrt, Autos, Medizin, Robotik und viele andere Aspekte unseres täglichen Lebens. Es gibt eine Vielzahl anderer Sensoren, die die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Materialien messen, einschließlich optischer Sensoren für die Brechungsindexmessung, Schwingungssensoren für die Messung der Flüssigkeitsviskosität und elektro-chemische Sensoren zur Überwachung des pH-Werts von Flüssigkeiten.

Die Empfindlichkeit eines Sensors gibt an, wie stark sich der Ausgang ändert, wenn sich die Eingangsmenge ändert. Wenn sich das Quecksilber in einem Thermometer beispielsweise um 1 cm bewegt, wenn sich die Temperatur um 1 ° C ändert, beträgt seine Empfindlichkeit 1 cm/° C (es ist im Grunde die Steigung DY/DX unter der Annahme einer linearen Eigenschaft). Einige Sensoren können auch das beeinflussen, was sie messen. Zum Beispiel kühlt ein Raumtemperaturthermometer, das in eine heiße Tasse Flüssigkeit eingeführt wird, die Flüssigkeit ab, während die Flüssigkeit das Thermometer erwärmt. Sensoren sind normalerweise so konzipiert, dass sie einen kleinen Einfluss auf das gemessen haben. Wenn der Sensor kleiner wird, verbessert dies häufig und kann andere Vorteile einführen.[2]

Der technologische Fortschritt ermöglicht es, immer mehr Sensoren auf a herzustellen mikroskopische Skala als Mikrosensoren verwenden Mems Technologie. In den meisten Fällen erreicht ein Mikrosensor eine signifikant schnellere Messzeit und eine höhere Empfindlichkeit im Vergleich zu makroskopisch Ansätze.[2][3] Aufgrund der zunehmenden Nachfrage nach schnellen, erschwinglichen und zuverlässigen Informationen in der heutigen Welt haben verfügbare Sensoren-niedrige und leicht zu verwendende Geräte für die kurzfristige Überwachung oder eine Einzel-Shot-Messungen-kürzlich eine wachsende Bedeutung gewonnen. Unter Verwendung dieser Sensorenklasse können kritische analytische Informationen von jedem, überall und jederzeit erhalten werden, ohne dass neu kalibriert werden und sich um eine Kontamination sorgen müssen.[4]

Klassifizierung von Messfehlern

Ein Infrarotsensor

Ein guter Sensor folgt den folgenden Regeln:[4]

  • Es ist empfindlich gegenüber der gemessenen Eigenschaft
  • es ist unempfindlich gegenüber einer anderen Eigenschaft, die wahrscheinlich in seiner Anwendung auftreten kann, und
  • Es hat keinen Einfluss auf die gemessene Eigenschaft.

Die meisten Sensoren haben eine linear Übertragungsfunktion. Das Empfindlichkeit wird dann als Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal und der gemessenen Eigenschaft definiert. Wenn beispielsweise ein Sensor die Temperatur misst und einen Spannungsausgang aufweist, ist die Empfindlichkeit mit den Einheiten [V/K] konstant. Die Empfindlichkeit ist die Steigung der Übertragungsfunktion. Das Umwandeln des elektrischen Ausgangs des Sensors (z. B. v) in die gemessenen Einheiten (z. B. k) muss die elektrische Ausgabe durch die Steigung unterteilt (oder sich mit seinem gegenseitigen Multiplizieren multiplizieren). Zusätzlich wird häufig ein Offset hinzugefügt oder subtrahiert. Zum Beispiel muss –40 zum Ausgang hinzugefügt werden, wenn 0 V -Ausgang dem Eingang von –40 C entspricht.

Damit ein analoges Sensorsignal verarbeitet oder in digitalen Geräten verwendet werden soll, muss es mit einem in ein digitales Signal umgewandelt werden Analog-Digital-Wandler.

Sensorabweichungen

Da Sensoren kein Ideal replizieren können ÜbertragungsfunktionEs können verschiedene Arten von Abweichungen auftreten, die den Sensor begrenzen Richtigkeit:

  • Da der Bereich des Ausgangssignals immer begrenzt ist, erreicht das Ausgangssignal schließlich ein Minimum oder maximal, wenn die gemessene Eigenschaft die Grenzwerte überschreitet. Das Vollständige Skala Der Bereich definiert die maximalen und minimalen Werte der gemessenen Eigenschaft.
  • Das Empfindlichkeit Mai unterscheiden sich in der Praxis von dem angegebenen Wert. Dies wird als Sensitivitätsfehler bezeichnet. Dies ist ein Fehler in der Steigung einer linearen Übertragungsfunktion.
  • Wenn sich das Ausgangssignal durch eine Konstante vom richtigen Wert unterscheidet, hat der Sensor einen Offset -Fehler oder Voreingenommenheit. Dies ist ein Fehler in der y-Abschnitt einer linearen Übertragungsfunktion.
  • Nichtlinearität ist eine Abweichung der Übertragungsfunktion eines Sensors von einer geraden Übertragungsfunktion. Normalerweise wird dies durch die Menge definiert, die der Ausgang vom idealen Verhalten über den gesamten Bereich des Sensors unterscheidet, der häufig als Prozentsatz des gesamten Bereichs festgestellt wird.
  • Abweichung durch schnelle Änderungen der gemessenen Eigenschaft im Laufe der Zeit ist a dynamisch Error. Oft wird dieses Verhalten mit a beschrieben Bode -Diagramm Anzeigen des Empfindlichkeitsfehlers und der Phasenverschiebung als Funktion der Frequenz eines periodischen Eingangssignals.
  • Wenn sich das Ausgangssignal langsam unabhängig von der gemessenen Eigenschaft ändert, wird dies als definiert als Drift. Eine langfristige Drift über Monate oder Jahre wird durch physikalische Veränderungen des Sensors verursacht.
  • Lärm ist eine zufällige Abweichung des Signals, das zeitlich variiert.
  • A Hysterese Der Fehler führt dazu, dass der Ausgangswert je nach vorherigen Eingangswerten variiert. Wenn der Ausgang eines Sensors unterschiedlich ist, je nachdem, ob ein spezifischer Eingangswert durch Erhöhen des Eingangs erhöht wurde, hat der Sensor einen Hysteresefehler.
  • Wenn der Sensor eine digitale Ausgabe hat, ist die Ausgabe im Wesentlichen eine Annäherung der gemessenen Eigenschaft. Dieser Fehler wird auch aufgerufen Quantisierung Error.
  • Wenn das Signal digital überwacht wird, das Abtastfrequenz kann einen dynamischen Fehler verursachen oder wenn sich die Eingangsvariable oder das hinzugefügte Rauschen regelmäßig bei einer Frequenz in der Nähe eines Vielfachen der Stichprobenrate ändert, Aliasing Fehler können auftreten.
  • Der Sensor kann in gewissem Maße auf andere Eigenschaften als die gemessene Eigenschaft empfindlich sein. Zum Beispiel werden die meisten Sensoren von der Temperatur ihrer Umgebung beeinflusst.

Alle diese Abweichungen können als klassifiziert werden systematische Fehler oder Zufällige Fehler. Systematische Fehler können manchmal durch irgendeine Art von entschädigt werden Kalibrierung Strategie. Rauschen ist ein zufälliger Fehler, der durch reduziert werden kann Signalverarbeitungwie Filterung, normalerweise auf Kosten des dynamischen Verhaltens des Sensors.

Auflösung

Das Sensorauflösung oder Messauflösung ist die kleinste Änderung, die in der Menge erkannt werden kann, die sie gemessen wird. Die Auflösung eines Sensors mit einer digitalen Ausgabe ist normalerweise die Numerische Auflösung der digitalen Ausgabe. Die Lösung hängt mit dem zusammen Präzision mit der die Messung durchgeführt wird, aber sie sind nicht dasselbe. Die Genauigkeit eines Sensors kann erheblich schlechter sein als seine Auflösung.

  • Zum Beispiel die Entfernungsauflösung ist der Mindestabstand, der von jedem genau gemessen werden kann Entfernungsmessgeräte. In einem FlugkameraDie Entfernungsauflösung ist normalerweise gleich der Standardabweichung (Gesamtrauschen) des in ausgedrückten Signals in Längeneinheit.
  • Der Sensor kann in gewissem Maße auf andere Eigenschaften als die gemessene Eigenschaft empfindlich sein. Zum Beispiel werden die meisten Sensoren von der Temperatur ihrer Umgebung beeinflusst.

Chemischer Sensor

Ein chemischer Sensor ist ein in sich geschlossenes analytisches Gerät, das Informationen über die chemische Zusammensetzung seiner Umgebung liefern kann, dh a Flüssigkeit oder ein Gasphase.[5][6] Die Informationen werden in Form eines messbaren physikalischen Signals bereitgestellt, das mit dem korreliert ist Konzentration einer bestimmten chemischen Spezies (bezeichnet als als Analyt). Zwei Hauptschritte sind an der Funktionsweise eines chemischen Sensors beteiligt, nämlich Erkennung und Transduktion. Im Erkennungsschritt interagieren Analytmoleküle selektiv mit Rezeptormoleküle oder Stellen in der Struktur des Erkennungselements des Sensors. Folglich variiert ein charakteristischer physikalischer Parameter und diese Variation wird mittels eines integrierten Wandler Das erzeugt das Ausgangssignal. Ein chemischer Sensor, der auf Erkennungsmaterial biologischer Natur basiert, ist a Biosensor. Als synthetisch Biomimetisch Die Materialien werden in gewissem Maße Erkennungsbiomaterialien ersetzen, eine scharfe Unterscheidung zwischen einem Biosensor und einem Standard -chemischen Sensor ist überflüssig. Typische biomimetische Materialien, die in der Sensorentwicklung verwendet werden, sind Molekular eingeprägte Polymere und Aptamer.[7]

Biosensor

Hauptartikel: Biosensor

Im Biomedizin und BiotechnologieSensoren, die erkennen Analyten dank einer biologischen Komponente wie Zellen, Protein, Nukleinsäure oder Biomimetische Polymere, werden genannt Biosensoren. Während ein nicht-biologischer Sensor, sogar organische (Kohlenstoffchemie), für biologische Analyten als Sensor bezeichnet wird oder Nanosensor. Diese Terminologie gilt für beide In-vitro und In -vivo -Anwendungen. Die Einkapselung der biologischen Komponente in Biosensoren zeigt ein etwas anderes Problem als gewöhnliche Sensoren; Dies kann entweder durch a erfolgen Semipermaable Barriere, so wie ein Dialyse Membran oder a Hydrogel, oder eine 3D -Polymermatrix, die entweder die Erfindung physikalisch einschränkt Makromolekül oder schränkt das Makromolekül chemisch durch die Grenze auf das Gerüst ein.

Neuromorphe Sensoren

Neuromorph Sensoren sind Sensoren, die körperlich Strukturen und Funktionen biologischer neuronaler Einheiten nachahmen.[8] Ein Beispiel dafür ist das Ereigniskamera.

MOS -Sensoren

Metalloxid-Sämiewerk (MOS) -Technologie stammt aus der Mosfet (MOS-Feldeffekttransistor oder MOS-Transistor) erfunden durch Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng 1959 und demonstriert 1960.[9] Später wurden MOSFET -Sensoren (MOS physisch, chemisch, biologisch und Umwelt Parameter.[10]

Biochemische Sensoren

Es wurde eine Reihe von MOSFET -Sensoren zur Messung entwickelt physisch, chemisch, biologisch und Umwelt Parameter.[10] Zu den frühesten MOSFET-Sensoren gehören der Open-Gate-Feldeffekttransistor (OGFET), der 1970 von Johannesse eingeführt wurde.[10] das Ionenempfindlicher Feldeffekttransistor (Isfet) erfunden von Piet Bergveld 1970,,[11] das Adsorption FET (Adfet) patentiert von p.f. Cox im Jahr 1974 und a Wasserstoff-empfindlich von I. Lundstrom, M.S. Shivaraman, C. S. Svenson und L. Lundkvist im Jahr 1975.[10] Das ISFET ist eine spezielle MOSFET -Art mit einem Tor in einem bestimmten Abstand.[10] und wo die Metall Tor wird durch eine ersetzt Ion-empfindlich Membran, Elektrolyt Lösung und Referenzelektrode.[12] Das ISFET wird in großer Bedeutung in Biomedizinisch Anwendungen wie die Erkennung von DNA -Hybridisierung, Biomarker Erkennung von Blut, Antikörper Entdeckung, Glucose Messung, pH Sensing und Genetische Technologie.[12]

Mitte der 1980er Jahre wurden zahlreiche andere MOSFET-Sensoren entwickelt, darunter die Gassensor FET (Gasfet), oberflächengerechtes FET (SAFET), Ladungsstromtransistor (CFT), Drucksensor FET (PressFet), Chemischer Feldeffekttransistor (Chemfet), Referenz isfet (Refet), Biosensor FET (Biofet), Enzymmodifizierter FET (ENFET) und immunologisch modifiziertes FET (IMFET).[10] Anfang der 2000er Jahre Biofet -Typen wie die DNA-Feld-Effekt-Transistor (DNAFET), Genmodifiziert FET (Genfet) und Zellpotential Biofet (CPFET) wurde entwickelt.[12]

Bildsensoren

Hauptartikel: Bildsensor, Ladungsgekoppelte Gerät, und Active-Pixel-Sensor

MOS -Technologie ist die Grundlage für die moderne Bildsensoren, einschließlich der Ladungsgekoppelte Gerät (CCD) und die CMOs Active-Pixel-Sensor (CMOS -Sensor), verwendet in digitale Bildbearbeitung und Digitalkameras.[13] Willard Boyle und George E. Smith entwickelte die CCD 1969. Während der Untersuchung des MOS -Prozesss stellten sie fest, dass eine elektrische Ladung die Analogie der magnetischen Blase war und dass sie auf einem winzigen MOS -Kondensator gelagert werden konnte. Da es ziemlich einfach war, eine Reihe von MOS -Kondensatoren in Folge herzustellen, verbanden sie eine geeignete Spannung mit ihnen, damit die Ladung von einem zum nächsten entlanggetreten werden konnte.[13] Der CCD ist eine Halbleiterschaltung, die später im ersten verwendet wurde Digitale Videokameras zum Fernseh-Übertragung.[14]

Die MOS Active-Pixel-Sensor (APS) wurde von Tsutomu Nakamura bei entwickelt Olymp 1985.[15] Der CMOS-Active-Pixel-Sensor wurde später von entwickelt von Eric Fossum und sein Team Anfang der neunziger Jahre.[16]

MOS -Bildsensoren sind in großem Umfang verwendet in optische Maus Technologie. Die erste optische Maus, erfunden von Richard F. Lyon bei Xerox 1980 verwendete a 5 µm Nmos Sensorchip.[17][18] Seit der ersten kommerziellen optischen Maus, die Intellimouse Die im Jahr 1999 eingeführten meisten optischen Mausgeräte verwenden CMOS -Sensoren.[19]

Überwachungssensoren

LIDAR Sensor auf iPad Pro[20]

MOS -Überwachungssensoren werden für verwendet Hausüberwachung, Büro und Landwirtschaft Überwachung, Verkehrsüberwachung (einschließlich Autogeschwindigkeit, Staus, und Verkehrsunfälle), Wetterüberwachung (wie für Regen, Wind, Blitz und Stürme), Verteidigung Überwachung und Überwachung Temperatur, Feuchtigkeit, Luftverschmutzung, Feuer, die Gesundheit, Sicherheit und Beleuchtung.[21] Mos Gasmelder Sensoren werden verwendet, um zu erkennen Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, und andere Gas Substanzen.[22] Andere MOS -Sensoren umfassen intelligente Sensoren[23] und drahtloses Sensornetzwerk (WSN) Technologie.[24]

Siehe auch

Verweise

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