传感器是什么?关于传感器的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:55:26

在最广泛的定义中,传感器是一种设备、模块或子系统,其目的是检测环境中的事件或变化,并将信息发送给其他电子设备,通常是计算机处理器。传感器总是与其他电子设备一起使用。

传感器用于日常物品中,例如触敏电梯按钮(触觉传感器)和通过触摸基座变暗或变亮的灯,此外还有许多大多数人从未意识到的应用。随着微机械和易于使用的微控制器平台的发展,传感器的应用已经超越了传统的温度、压力或流量测量领域,例如MARG传感器。此外,电位计和力传感电阻等模拟传感器仍被广泛使用。它被应用于包括制造业和机械、飞机和航空航天、汽车、医药、机器人和我们日常生活中的许多其他方面。

传感器的灵敏度表示当被测量的输入量改变时,传感器的输出改变多少。例如,如果温度计中的水银在温度变化1摄氏度时移动1厘米,灵敏度为1厘米/摄氏度(假设满足线性特性,它其实就是斜率Dy/Dx)。一些传感器也会影响它们测量的东西;例如,将室温温度计插入热液体杯中,当液体加热温度计时,液体就会冷却。传感器通常被设计成对被测量影响很小的形式;将传感器做得更小通常会改善这一点,并可能带来其他优点。技术进步使得越来越多的传感器通过微机电系统技术被制造成微型传感器。在大多数情况下,与宏观方法相比,微型传感器可以达到高得多的速度和灵敏度。

测量误差的分类

红外传感器

一个 好的传感器遵循以下条件:

  • 它对被测量的特性很敏感
  • 它对应用 中可能遇到的任何其他属性均不敏感,并且
  • 它不影响被测量的属性

大多数传感器具有线性传递函数。灵敏度定义为输出信号和测量特性之间的比值。例如,如果传感器测量温度并有电压输出,灵敏度是以[伏特 /开尔文“V/K”]为单位的常数。灵敏度是传递函数的斜率。将传感器的电输出(例如V)转换为测量单位(例如K),需要将电输出除以斜率(或乘以其倒数)。此外,经常需要增加或减少偏置量 。例如,如果0V输出对应于-40 摄氏度的输入,则输出必须加上-40。

对于要处理或用于数字设备的模拟传感器信号,需要使用模数转换器将其转换成数字信号。

传感器偏差

由于传感器无法实现理想的传递函数,可能会出现几种类型的偏差,从而限制传感器精度:

  • 由于输出信号的范围总是有限的,当测量的特性超过极限时,输出信号最终将达到最小值或最大值。满量程范围定义了测量属性的最大值和最小值。
  • 灵敏度实际上可能不同于规定的值。这被称为灵敏度误差。 这是线性传递函数斜率的误差。
  • 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y截距的误差。
  • 非线性是传感器传递函数与直线传递函数的偏差。通常,这是由传感器整个范围内的输出与理想行为不同的量来定义的,通常表示为整个范围的百分比。
  • 随着时间的推移,测量属性的快速变化引起的偏差是一个动态误差。这种行为通常用波特图来描述,波特图显示灵敏度误差和相移是周期性输入信号频率的函数。
  • 如果输出信号缓慢变化,与测量的特性无关,则被定义为漂移。数月或数年的长期漂移是由传感器的物理变化引起的。
  • 噪声是信号随时间变化的随机偏差。
  • 滞后误差导致输出值根据之前的输入值而变化。 如果传感器的输出因输入增加或减少是否达到特定输入值而异,则传感器存在迟滞误差。
  • 如果传感器有数字输出,则输出基本上是测量属性的近似值。这个误差也被称为量化误差。
  • 如果对信号进行数字化监控,采样频率可能会导致动态误差,或者如果输入变量或附加噪声以接近采样速率倍数的频率周期性变化,可能会出现混叠误差。
  • 传感器可能在某种程度上对除被测量属性之外的属性敏感。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为系统误差或随机误差。系统误差有时可以通过某种校准策略来补偿。噪声是一种随机误差,可以通过信号处理(如滤波)来降低,通常以改变传感器的动态特性为代价。

分辨率

传感器的分辨率是它所能检测到的测量量的最小变化。具有数字输出的传感器的分辨率通常是数字输出的分辨率。分辨率与测量的精度有关,但它们不是一回事。传感器的精度可能比它的分辨率差得多。

  • 传感器可能在某种程度上对除被测量属性之外的属性敏感。例如,大多数传感器受其环境温度的影响。

自然界中的传感器

所有生物都含有生物传感器,其功能类似于所述的机械装置。这些细胞大多是对以下物质敏感的特殊细胞:

  • 光、运动、温度、磁场、重力、湿度、水分 、振动、压力、电场、声音和外部环境的其他物理方面
  • 内部环境的物理方面,如伸展、有机体的运动和附属物的位置(本体感受)
  • 环境分子,包括毒素、营养素和信息素
  • 生物分子相互作用和一些动力学参数的估计
  • 内部代谢指标,如葡萄糖水平、氧水平或渗透压
  • 内部信号分子,如激素、神经递质和细胞因子

化学传感器

化学传感器是一种独立的分析设备,它可以提供关于其环境(即液相或气相)化学成分的信息。 信息以可测量的物理信号的形式提供,该信号与特定化学物质(称为分析物)的浓度相关。化学传感器的功能实现包括两个主要步骤,即识别和转导。在识别步骤中,分析物分子选择性地与包括在传感器识别元件结构中的受体分子或位点相互作用。因此,特征物理参数发生变化,这种变化通过产生输出信号的集成传感器来反馈 。基于生物性质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识别生物材料,因此生物传感器和标准化学传感器之间没有非常明显的界限 。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

在生物医学和生物技术中,通过生物成分(如细胞、蛋白质、核酸或仿生聚合物)检测分析物的传感器被称为生物传感器。而用于生物分析物的非生物传感器,甚至是有机的(=碳化学),都被称为传感器或纳米传感器。该术语适用于体外和体内的应用。生物传感器中生物成分的封装提出了与普通传感器略有不同的问题;这可以通过半透性屏障(例如透析膜或水凝胶)或3D聚合物基质来实现,该半透性屏障或者物理约束感测大分子,或者通过将大分子束缚到支架上来化学约束大分子。