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传感器

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在最广义的定义中,传感器是一种设备、模块、机器或子系统,其目的检测环境中的事件或变化并将信息发送到其他电子设备,通常是计算机处理器。传感器始终与其他电子设备一起使用。

传感器还用于日常物品中,例如触摸感应式电梯按钮(触觉传感器)和通过触摸底座而变暗或变亮的,以及大多数人从未意识到的无数应用。随着微机械技术的发展和易于使用的微控制器平台的发展,传感器的应用已经扩展到传统的温度、压力或流量测量领域,例如到MARG传感器。此外,电位计和力感应电阻器等模拟传感器仍被广泛使用。应用范围包括制造和机械、飞机和航空航天、汽车、医学、机器人技术以及我们日常生活的许多其他方面。还有多种其他传感器,可测量材料的化学和物理性质。一些示例包括用于折射率测量的光学传感器,用于流体粘度测量的振动传感器和用于监视流体pH值的电化学传感器。

传感器

传感器的灵敏度表示当测量的输入量发生变化时,传感器的输出变化了多少。例如,如果温度变化1°C时温度计中的汞移动1 cm,则灵敏度为1 cm /°C(假设线性特性,基本上是dy / dx斜率)。某些传感器也会影响其测量值。例如,插入液体热杯中的室温温度计会冷却液体,而液体会加热温度计。传感器通常设计成对被测物的影响很小。使传感器更小通常可以改善这一点,并可能带来其他优势。

技术进步使得越来越多的传感器可以像使用MEMS技术的微传感器一样在微观规模上制造。在大多数情况下,与宏观方法相比,微传感器的测量时间明显更长,灵敏度更高。由于当今世界对快速,负担得起的和可靠的信息的需求不断增长,一次性传感器(用于短期监测或单次测量的低成本且易于使用的设备)最近日益增长重要性。使用此类传感器,任何人都可以随时随地获取重要的分析信息,而无需重新校准和担心污染。

测量误差的分类

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一个好的传感器应遵循以下规则:

  • 对测量的特性敏感
  • 它对应用程序中可能遇到的任何其他属性不敏感,并且
  • 它不会影响测量的属性。

大多数传感器具有线性 传递函数。然后将灵敏度定义为输出信号与测量特性之间的比率。例如,如果传感器测量温度并具有电压输出,则灵敏度以[V / K]单位为常数。灵敏度是传递函数的斜率。将传感器的电气输出(例如V)转换为测量单位(例如K)需要将电气输出除以斜率(或乘以其倒数)。另外,经常增加或减少偏移量。例如,如果0 V输出对应于-40 C输入,则必须在输出上加上−40。

对于要处理的模拟传感器信号,或在数字设备使用的,它需要使用被转换为数字信号、模拟数字转换器。

传感器偏差

由于传感器无法复制理想的传递函数,因此会发生几种类型的偏差,这些偏差会限制传感器的精度:

  • 由于输出信号的范围始终受到限制,因此当测量的特性超出限制时,输出信号最终将达到最小值或xxx值。的满刻度范围定义所测量的属性的最大和最小值。
  • 实际上,灵敏度可能与指定的值不同。这称为灵敏度误差。这是线性传递函数的斜率中的误差。
  • 如果输出信号与正确值相差一个常数,则传感器有偏移误差或偏差。这是线性传递函数的截距中的错误。
  • 非线性是传感器传递函数与直线传递函数的偏差。通常,这是由传感器在整个范围内输出与理想行为的差异量(通常表示为整个范围的百分比)定义的。
  • 由测量属性随时间的快速变化引起的偏差是动态误差。通常,这种行为用波特图来描述,该图显示了灵敏度误差和相移随周期输入信号频率的变化。
  • 如果输出信号缓慢变化而与测量的特性无关,则将其定义为漂移。由于传感器的物理变化,导致几个月或几年的长期漂移。
  • 噪声是随时间变化的信号的随机偏差。
  • 甲滞后错误导致的输出值取决于前面的输入值变化。如果传感器的输出因通过增加还是减小输入而达到特定输入值而有所不同,则该传感器将具有滞后误差。
  • 如果传感器具有数字输出,则该输出实质上是所测特性的近似值。该误差也称为量化误差。
  • 如果对信号进行数字监视,则采样频率可能会导致动态误差,或者如果输入变量或添加的噪声以接近采样率倍数的频率周期性变化,则可能发生混叠误差。
  • 传感器在某种程度上可能对除被测特性以外的特性敏感。例如,大多数传感器受其环境温度的影响。

所有这些偏差都可以分类为系统误差或随机误差。有时可以通过某种校准策略来补偿系统误差。噪声是一种随机错误,可以通过信号处理(例如滤波)来降低噪声,通常会牺牲传感器的动态性能

分辨率

传感器的分辨率是它可以检测到的量中可以检测到的最小变化。具有数字量输出的传感器的分辨率通常是数字量输出的分辨率。分辨率与进行测量的精度有关,但它们并非同一个人。传感器的精度可能比其分辨率差很多。

  • 传感器在某种程度上可能对除被测特性以外的特性敏感。例如,大多数传感器受其环境温度的影响。

化学传感器

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化学传感器是一种独立的分析设备,可以提供有关其环境(即液相或气相)化学成分的信息。信息以可测量的物理信号形式提供,该信号与某些化学物质(称为分析物)的浓度相关。化学传感器的功能涉及两个主要步骤,即识别和转导。在识别步骤中,分析物分子与受体分子选择性相互作用或传感器的识别元件结构中包含的位置。因此,特征物理参数会发生变化,并且此变化会通过生成输出信号的集成换能器报告。基于生物性质的识别材料的化学传感器是生物传感器。然而,由于合成仿生材料将在某种程度上替代公认的生物材料,因此在生物传感器和标准化学传感器之间的明显区别是多余的。用于传感器开发的典型仿生材料是分子印迹聚合物和适体。

生物传感器

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在生物医学和生物技术中,由于细胞、蛋白质、核酸或仿生聚合物等生物成分而检测分析物的传感器称为生物传感器。而用于生物分析物的非生物传感器,甚至有机(碳化学)传感器也被称为传感器或纳米传感器。该术语适用于体外和体内应用。生物传感器中生物成分的封装提出了与普通传感器稍有不同的问题。这可以通过半透屏障来完成,例如透析膜或水凝胶或3D聚合物基质,通过将其绑定到支架上而物理地约束传感大分子或化学地约束大分子。

MOS传感器

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金属氧化物半导体(MOS)技术源自Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng于1959年发明并于1960年得到证明的MOSFET(MOS场效应晶体管或MOS晶体管)。MOSFET传感器(MOS传感器)后来被开发出来,从那时起它们已被广泛用于测量物理、化学、生物学和环境参数。


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  1. 传感器
  2. 测量误差的分类
  3. 传感器偏差
  4. 分辨率
  5. 化学传感器
  6. 生物传感器
  7. MOS传感器

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