Основы датчиков: классификация, принцип работы и применение

Датчик — это устройство обнаружения, которое может воспринимать измеренные данные и преобразовывать их в электрические сигналы или другие необходимые формы вывода информации в соответствии с определенными правилами, чтобы удовлетворить требования передачи, обработки, хранения и отображения данных, а также запись и контроль. Датчики часто классифицируют по принципу их работы, входным данным и области применения. Их можно условно разделить на три типа в зависимости от различных принципов функционирования: физический тип, химический тип и биологический тип.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Физические датчики

Ⅱ. Химические датчики

Ⅲ. Биологические датчики

Миниатюризация, цифровизация, интеллект, многофункциональность, систематизация и создание сетей — все это свойства датчиков. Это первый шаг к достижению автономного обнаружения и контроля.

Сенсоры позволяют объектам иметь такие чувства, как осязание, вкус и запах, и они постепенно становятся живыми в результате своей эволюции. Термические элементы, светочувствительные элементы, газочувствительные элементы, чувствительные к силе элементы, магниточувствительные элементы, чувствительные к влажности элементы, звукочувствительные элементы, радиационно-чувствительные элементы, цветочувствительные элементы и вкусочувствительные элементы - это десять категорий. в соответствии с их основными сенсорными функциями.

Датчики часто классифицируют по принципу их работы, входным данным и области применения. Их можно условно разделить на три типа в зависимости от различных принципов функционирования: физический тип, химический тип и биологический тип.

Ⅰ. Физические датчики

1. Определение физического датчика

Датчики, созданные с учетом физических качеств конкретных преобразующих компонентов и особых физических свойств определенных функциональных материалов, известны как физические датчики.

Резистивные датчики, использующие изменения значений сопротивления , вызванные металлами и полупроводниковыми материалами под действием измеряемого вещества; датчики индуктивности и дифференциальные трансформаторы , которые используют магнитосопротивление для изменения в зависимости от измеряемого значения; и пьезоэлектрические кристаллические датчики, которые используют измеряемую силу для изменения значения сопротивления. Например, пьезоэлектрические датчики основаны на пьезоэлектрическом эффекте. Стоит отметить, что в последние годы был разработан ряд датчиков, использующих специфические возможности полупроводниковых материалов, таких как чувствительные к давлению, фоточувствительные и магниточувствительные датчики, основанные на пьезорезистивном эффекте, фотоэлектрическом эффекте и эффекте Холла. .

2. Типы физических датчиков

Физические датчики можно разделить на физические датчики и структурные датчики.

Так называемый физический датчик — это датчик, который использует свойства и эффекты конкретных функциональных материалов для прямого преобразования измеренного значения в электричество. Например, датчик давления, изготовленный из пьезоэлектрических кристаллов, измеряет давление, используя положительный пьезоэлектрический эффект самого пьезоэлектрического материала ; Другим примером является фоторезистор, который измеряет проводимость путем изменения реакции полупроводникового материала на интенсивность света. Фотопроводящий эффект изменяется для создания датчика.

Структурные датчики используют физические правила для преобразования измеренной информации в электричество и основаны на структуре (например, форме, размере и т. д.). Например, индуктивный датчик с воздушным зазором должен иметь железный сердечник определенного размера, катушку с определенным количеством витков и якорь с определенным зазором с железным сердечником. Его безопасность может быть гарантирована только в том случае, если он соответствует определенным структурным и размерным стандартам. Магнитосопротивление меняется по мере изменения зазора между якорем и железным сердечником, создавая соответствующий электрический сигнал; Другим примером является электрический датчик, который состоит из магнитного башмака с катушкой, перемещающейся в его зазоре. Эта структура гарантирует, что при движении катушки она может перерезать магнитную силовую линию, вызывая в катушке электродвижущую силу, соответствующую наблюдаемой скорости v.

Хотя структурный датчик использует некоторые физические законы, это должно быть гарантировано точно спроектированной конструкцией; тогда как физический датчик в первую очередь полагается на воздействие самого материала на восприятие информации, хотя существуют некоторые требования к структуре, структурные датчики рассматривают структуру как необходимое и достаточное условие для восприятия информации, в отличие от физического датчика.

Стоит отметить, что в результате быстрого развития материаловедения в последние годы масштабы и скорость использования датчиков физических свойств возросли, что объясняется их низкой стоимостью и пригодностью для массового производства.

Ⅱ. Химические датчики

1. Определение химического датчика

Химические датчики преобразуют состав и концентрацию неорганических и органических химических соединений в электрические сигналы, используя концепцию электрохимической реакции.

2. Принцип работы химического датчика

Ионоселективный электрод является наиболее популярным и используется для определения значения pH или активности определенных ионов в растворе, таких как K, Na и Ca. Хотя объекты измерения электродов различаются, принципы их измерения схожи. Они в первую очередь полагаются на электрохимическую реакцию между границей раздела электродов (твердая фаза) и измеряемым раствором (жидкая фаза) или на селективную реакцию электрода на ионы в растворе. Есть возможность изменить ситуацию. Поскольку разность рабочих потенциалов компонента в процессе реакции или значение тока, на которое она влияет, линейно связана с логарифмом измеренной активности ионов, измеряется измеренная активность ионов. Основным компонентом является ионоселективная чувствительная мембрана, которая разделена на твердую и жидкую мембраны. Твердые пленки включают стекло, монокристаллические пленки и поликристаллические пленки, тогда как жидкие пленки включают пленки-носители с положительным и отрицательным зарядом, а также пленки с нейтральным носителем.

3. Использование химических датчиков

Ион-селективный электрод, разработанный путем объединения мембранной технологии и полевого транзистора, в последние годы претерпел наибольший прогресс. Он формируется на затворе полевого транзистора. Этот ионоселективный электрод позволяет тестировать не только неорганические растворы, но и глюкозу, ионы в газах и некоторые компоненты сыворотки. Химические датчики широко используются в химической промышленности для химического анализа, оперативного обнаружения и мониторинга окружающей среды.

Ⅲ. Биологические датчики

1. Определение биологического датчика

Биосенсоры — еще один тип датчиков , популярность которого в последние годы возросла. Это датчик, который обнаруживает и измеряет биохимические соединения с использованием биологически активных химикатов. Способность распознавания функциональных преобразований относится к селективному сродству биологически активного агента к определенному химическому веществу. Эта единая способность распознавания используется для определения того, существует ли вещество и в какой концентрации оно существует, а затем для преобразования электрических импульсов с помощью электрохимических процессов.

2. Принцип работы биологического датчика

Вещество функционального распознавания, которое используется для конкретного распознавания тестируемого лекарственного средства, является одним из двух основных компонентов биосенсора. Ферменты, антигены, антитела, микробы и клетки являются примерами веществ функционального распознавания. Эти идентификаторы отверждаются на конкретной органической пленке с использованием уникального процесса, в результате чего получается функциональная пленка, которая распознает определенные низко- и высокомолекулярные молекулы. Устройство преобразования электрического и оптического сигналов является вторым. Целью этого устройства является преобразование химической реакции, вызванной идентификацией измеряемого объекта на функциональной пленке, в легко передаваемый электрический или оптический сигнал. Электроды, такие как кислородные электроды и электроды с перекисью водорода, являются наиболее широко используемыми электродами. Недавно были разработаны биосенсоры, в которых функциональный слой установлен на полевом транзисторе, а не на затвор-стоке, что обеспечивает очень небольшой общий объем.

3. Использование биологических датчиков

Если для идентификации реакции распознавания на функциональном экране используется оптический подход, измеряемое вещество, например флуоресцентный биосенсор, измеряется по изменению интенсивности света. Чувствительность и линейность датчика напрямую связаны с устройством преобразования. Наиболее примечательной особенностью физического датчика является его способность идентифицировать измеряемое вещество на молекулярном уровне, что означает, что он имеет широкий спектр применения не только в мониторинге химической промышленности, но и в медицинской диагностике.

Сортировать по вводу

Пользователи оценят удобство классификации на основе входной информации датчика (или измеренных параметров), которая может передать функцию датчика. Используя этот подход сенсорной классификации, датчики можно классифицировать по смещению, скорости, ускорению, силе, давлению, скорости потока, температуре, интенсивности света, влажности, вязкости и концентрации. Этот подход к классификации знаком как производителям, так и пользователям.

Вышеупомянутая информация все еще достаточно обширна. Датчик температуры, например, содержит термопарные датчики температуры, термисторные датчики температуры, датчики температуры с диодами с PN-переходом и пироэлектрические датчики температуры, все из которых изготовлены из различных материалов и способов. Ждать. Этот метод является наиболее популярным подходом к обозначению и классификации принципа работы и измеряемого параметра.

Сортировать по приложению

В дополнение к двум упомянутым выше подходам существуют дополнительные классификации, основанные на сфере применения и объектах применения, такие как датчики измерения вибрации, оптические датчики и датчики уровня жидкости. Датчики часто классифицируются в соответствии с измеряемым органом, например, датчики сердечного ритма, датчики ЭКГ, датчики пульса и т. д., особенно в медицинских измерениях.

Мир вступил в информационную эпоху в результате новой технологической революции. Первой проблемой, которую необходимо решить в процессе использования информации, является получение точных и достоверных данных, а датчики являются наиболее распространенным способом и средством получения данных в природных и производственных сферах.

В современном промышленном производстве, особенно в автоматизированном производстве, используются различные датчики для мониторинга и управления различными факторами производственного процесса, чтобы оборудование могло работать в нормальном или оптимальном состоянии, а продукция могла достигать высочайшего качества. В результате без большого количества качественных датчиков современное производство развалится.

Датчики играют более важную роль в фундаментальных научных исследованиях. С макроскопической точки зрения мы должны наблюдать огромную Вселенную на расстоянии тысяч световых лет, с микроскопической точки зрения мы должны наблюдать мир частиц размером в несколько футов, а с вертикальной точки зрения мы должны наблюдать эволюцию небесных тел на протяжении сотен тысячи лет и мгновенный ответ длительностью всего лишь с.

Различные экстремальные технологические исследования, такие как сверхвысокие температуры, сверхнизкие температуры, сверхвысокое давление, сверхвысокий вакуум, сверхсильное магнитное поле, сверхслабое магнитное поле и т. д., также сыграли важную роль в углубление понимания материала, разработка новых источников энергии и разработка новых материалов. Без адекватных датчиков очевидно невозможно получить огромное количество информации, которую невозможно собрать непосредственно человеческими органами чувств. Сложность получения информации об объекте является первоначальным барьером для многих фундаментальных научных исследований, а появление новых механизмов и высокочувствительных датчиков часто приводит к прорывам в этой области. Разработка датчиков часто является предвестником развития нескольких смежных дисциплин.

Датчики уже проникли в такие разнообразные дисциплины, как промышленное производство, космические исследования, исследование океана, защита окружающей среды, исследование ресурсов, медицинская диагностика, биотехнологии и даже сохранение культурных артефактов.

Не будет преувеличением сказать, что практически каждое современное предприятие, от просторов космоса до необъятностей океана и многочисленных сложных инженерных систем, неразрывно связано с множеством датчиков.

Очевидно, что сенсорные технологии играют решающую роль в развитии экономики и содействии социальному прогрессу. Развитие этой темы чрезвычайно важно для всех правительств во всем мире. Ожидается, что в ближайшем будущем сенсорные технологии сделают значительный скачок, выйдя на новый уровень, соизмеримый со своей актуальностью.

Frequently Asked Questions

1. Что такое химический датчик?

Химические датчики — это датчики, которые чувствительны к различным химическим веществам и преобразуют их концентрации в электрические сигналы. Такие как датчик CO, датчик O2, датчик H2S, датчик значения PH, датчик концентрации алкоголя и т. д.

2. Что такое биологический сенсор?

Биосенсор — это прибор, чувствительный к биологическим веществам и преобразующий их концентрацию в электрические сигналы для обнаружения.

3. Что такое физический датчик?

Физические датчики — это датчики, которые обнаруживают физические величины. Это устройство, использующее определенные физические эффекты для преобразования измеряемой физической величины в сигнал в виде энергии, который легко обрабатывать. Выходной сигнал имеет определенную связь с входным сигналом.