Супер! Свеобухватан резиме знања о сензорима

Сензор, такође познат као Сензор или Трансдуцер на енглеском, дефинисан је у Нев Вебстер Дицтионари-у као: „Уређај који прима струју из једног система и обично шаље напајање другом систему у другом облику“. Према овој дефиницији, функција сензора је да претвара један облик енергије у други облик енергије, тако да многи научници такође користе "претворник" за означавање "сензора".

Сензор је уређај за детекцију, обично састављен од осетљивих елемената и елемената за конверзију, који може мерити информације и омогућити корисницима да перципирају информације. Кроз трансформацију, подаци или информације о вредности у сензору се претварају у електрични сигнал или други потребан облик излаза како би се испунили захтеви преноса информација, обраде, складиштења, приказа, снимања и контроле.

01. Историја развоја сензора

Године 1883. званично је лансиран први термостат на свету, а креирао га је проналазач по имену Ворен С. Џонсон. Овај термостат може одржавати температуру до одређеног степена тачности, што је употреба сензора и сензорске технологије. У то време, то је била веома моћна технологија.

Крајем 1940-их изашао је први инфрацрвени сензор. Након тога, многи сензори су континуирано развијани. До сада у свету постоји више од 35.000 типова сензора који су веома сложени по броју и употреби. Може се рећи да је сада најтоплији период за сензоре и сензорску технологију.

Године 1987, АДИ (Аналог Девицес) је почео да улаже у истраживање и развој новог сензора. Овај сензор се разликује од осталих. Зове се МЕМС сензор, што је нови тип сензора произведен коришћењем микроелектронике и микромашинске технологије. У поређењу са традиционалним сензорима, има карактеристике мале величине, мале тежине, ниске цене, ниске потрошње енергије, високе поузданости, погодан за масовну производњу, лаку интеграцију и интелигенцију. АДИ је прва компанија у индустрији која се бави МЕМС истраживањем и развојем.

1991. године, АДИ је објавио први у индустрији Хигх-г МЕМС уређај, који се углавном користи за праћење судара аутомобилских ваздушних јастука. Након тога, многи МЕМС сензори су широко развијени и коришћени у прецизним инструментима као што су мобилни телефони, електрична светла и детекција температуре воде. Од 2010. године у свету је било око 600 јединица које су се бавиле истраживањем и развојем и производњом МЕМС-а.

02. Три фазе развоја сензорске технологије

Фаза 1: Пре 1969

Углавном се манифестује као структурни сензори. Структурни сензори користе промене у структурним параметрима да би осетили и конвертовали сигнале. На пример: сензори напрезања отпора, који користе промене отпора када се метални материјали подвргну еластичној деформацији за претварање електричних сигнала.

Фаза 2: Отприлике 20 година након 1969

Сензори у чврстом стању, који су почели да се развијају 1970-их, састављени су од чврстих компоненти као што су полупроводници, диелектрици и магнетни материјали, а направљени су коришћењем одређених својстава материјала. На пример: коришћење термоелектричног ефекта, Холовог ефекта и ефекта фотосензитивности за прављење сензора термопарова, Холових сензора и фотосензора, респективно.

Крајем 1970-их, са развојем технологије интеграције, технологије молекуларне синтезе, технологије микроелектронике и компјутерске технологије, појавили су се интегрисани сензори.

Интегрисани сензори укључују 2 типа: интеграцију самог сензора и интеграцију сензора и наредних кола. Овај тип сензора углавном има карактеристике ниске цене, високе поузданости, добрих перформанси и флексибилног интерфејса.

Интегрисани сензори се развијају веома брзо и сада заузимају око 2/3 тржишта сензора. Развијају се у правцу ниске цене, мултифункционалности и серијализације.

Трећа фаза: углавном се односи на крај 20. века до данас

Такозвани интелигентни сензор се односи на његову способност откривања, самодијагнозе, обраде података и прилагођавања спољним информацијама. То је производ комбинације микрокомпјутерске технологије и технологије детекције.

Осамдесетих година прошлог века, интелигентни сензори су тек почели да се развијају. У то време, интелигентно мерење се углавном заснивало на микропроцесорима. Коло за кондиционирање сигнала сензора, микрорачунар, меморија и интерфејс су интегрисани у чип, дајући сензору одређени степен вештачке интелигенције.

Деведесетих година прошлог века технологија интелигентног мерења је додатно унапређена, а интелигенција је реализована на првом нивоу сензора, чиме је имао функцију самодијагностике, меморијску функцију, функцију мерења више параметара и функцију мрежне комуникације.

03. Врсте сензора

Тренутно у свету постоји недостатак међународних стандарда и норми, а није формулисан ниједан ауторитативни стандардни тип сензора. Могу се поделити само на једноставне физичке сензоре, хемијске сензоре и биосензоре.

На пример, физички сензори укључују: звук, силу, светлост, магнетизам, температуру, влажност, електричну енергију, зрачење итд.; у хемијске сензоре спадају: различити гасни сензори, кисело-базна пХ вредност, јонизација, поларизација, хемијска адсорпција, електрохемијска реакција итд.; биолошки сензори укључују: ензимске електроде и медијатор биоелектричности итд. Узрочно-последична веза између употребе производа и процеса формирања је испреплетена и тешко их је стриктно класификовати.

На основу класификације и именовања сензора, углавном постоје следећи типови:

(1) Према принципу конверзије, могу се поделити на физичке сензоре, хемијске сензоре и биолошке сензоре.

(2) According to the detection information of the sensor, they can be divided into acoustic sensors, light sensors, thermal sensors, force sensors, magnetic sensors, gas sensors, humidity sensors, pressure sensors, ion sensors and radiation sensors.

(3) Према начину напајања могу се поделити на активне и пасивне сензоре.

(4) Према њиховим излазним сигналима, могу се поделити на аналогни излаз, дигитални излаз и сензоре прекидача.

(5) Према материјалима који се користе у сензорима, могу се поделити на: полупроводничке материјале; кристални материјали; керамички материјали; органски композитни материјали; метални материјали; полимерни материјали; суперпроводни материјали; материјали од оптичких влакана; наноматеријали и други сензори.

(6) Према конверзији енергије, могу се поделити на сензоре за конверзију енергије и сензоре за контролу енергије.

(7) Према њиховом производном процесу, могу се поделити на технологију механичке обраде; композитна и интегрисана технологија; технологија танког филма и дебелог филма; технологија синтеровања керамике; МЕМС технологија; електрохемијске технологије и других сензора.

Постоји око 26.000 типова сензора који су комерцијализовани широм света. моја земља већ има око 14.000 типова, од којих су већина конвенционални типови и варијетети; више од 7.000 врста се може комерцијализовати, али још увек постоје недостаци и празнине у посебним варијантама као што су медицинска, научна истраживања, микробиологија и хемијска анализа, а постоји и велики простор за технолошке иновације.

04. Функције сензора

Функције сензора се обично пореде са пет главних чулних органа људи:

Фотоосетљиви сензори - вид

Акустични сензори - слух

Сензори за гас - мирис

Хемијски сензори - укус

Сензори осетљиви на притисак, температуру, сензори за течност - додир

①Физички сензори: засновани на физичким ефектима као што су сила, топлота, светлост, електрицитет, магнетизам и звук;

②Хемијски сензори: засновани на принципима хемијских реакција;

③Биолошки сензори: засновани на функцијама молекуларног препознавања као што су ензими, антитела и хормони.

У компјутерском добу, људи су решили проблем симулације мозга, што је еквивалентно коришћењу 0 и 1 за дигитализацију информација и коришћење Булове логике за решавање проблема; сада је доба пост-компјутера и почињемо да симулирамо пет чула.

Али симулација пет чула особе је само живописнији израз за сензоре. Релативно зрела сензорска технологија су још увек физичке величине као што су сила, убрзање, притисак, температура итд. које се често користе у индустријским мерењима. За права људска чула, укључујући вид, слух, додир, мирис и укус, већина њих није баш зрела из перспективе сензора.

Вид и слух се могу сматрати физичким величинама, које су релативно добре, док је додир релативно лош. Што се тиче мириса и укуса, будући да подразумевају мерење биохемијских величина, механизам рада је релативно сложен и далеко је од фазе техничке зрелости.

Тржиште сензора је заправо вођено апликацијама. На пример, у хемијској индустрији тржиште сензора притиска и протока је прилично велико; у аутомобилској индустрији, тржиште сензора као што су брзина ротације и убрзање је веома велико. Сензори убрзања засновани на микро-електромеханичким системима (МЕМС) су сада релативно зрели у технологији и у великој мери су допринели потражњи за аутомобилском индустријом.

Пре него што се „појавио” концепт сензора, у раним мерним инструментима су заправо постојали сензори, али су се појавили као компонента у целом сету инструмената. Стога се пре 1980. године уџбеник који уводи сензоре у Кини звао „Електрично мерење неелектричних величина“.

Појава концепта сензора заправо је резултат постепене модуларизације мерних инструмената. Од тада, сензори су одвојени од целог система инструмената и проучавани, произведени и продати као функционални уређаји.

05. Уобичајени стручни термини за сензоре

Како сензори настављају да расту и развијају се, имамо их дубље разумевање. Сажето је следећих 30 уобичајених појмова:

1. Опсег: алгебарска разлика између горње и доње границе мерног опсега.

2. Тачност: степен конзистентности измереног резултата и праве вредности.

3. Обично се састоји од осетљивих елемената и елемената конверзије:

Осетљиви елементи се односе на део сензора који може директно (или реаговати на) измерену вредност.

Елементи за конверзију се односе на део сензора који може да конвертује измерену вредност коју осети (или реагује) осетљиви елемент у електрични сигнал за пренос и (или) мерење.

Када је излаз специфицирани стандардни сигнал, назива се предајник.

4. Мерни опсег: опсег измерених вредности унутар границе дозвољене грешке.

5. Поновљивост: степен конзистентности између резултата вишеструких узастопних мерења исте мерене величине под свим следећим условима:

Иста група мерења, исти посматрач, исти мерни инструмент, иста локација, исти услови коришћења и понављање у кратком временском периоду.

6. Резолуција: Минимална промена у измереној количини коју сензор може да детектује у оквиру наведеног опсега мерења.

7. Праг: Минимална промена у измереној количини која може проузроковати да излаз сензора произведе мерљиву промену.

8. Нулта позиција: Стање које чини апсолутну вредност излаза минималном, као што је стање равнотеже.

9. Линеарност: Степен до ког је калибрациона крива конзистентна са одређеном границом.

10. Нелинеарност: Степен до којег калибрациона крива одступа од одређене одређене праве линије.

11. Дугорочна стабилност: Способност сензора да одржи толеранцију унутар одређеног времена.

12. Природна фреквенција: Слободна (без спољне силе) фреквенција осциловања сензора када нема отпора.

13. Одговор: Карактеристика мерене величине која се мења током излаза.

14. Компензовани температурни опсег: Опсег температуре компензован да сензор одржава нулту равнотежу унутар опсега и специфицираних граница.

15. Пузање: Промена излазне снаге унутар одређеног времена када услови околине мерене машине остају константни.

16. Отпор изолације: Ако није другачије назначено, односи се на вредност отпора измерена између специфицираних изолационих делова сензора када се на собној температури примењује специфицирани једносмерни напон.

17. Побуда: Екстерна енергија (напон или струја) примењена да би сензор радио исправно.

18. Максимална побуда: Максимална вредност побудног напона или струје која се може применити на сензор у унутрашњим условима.

19. Улазна импеданса: Импеданса измерена на улазном крају сензора када је крај излаза кратко спојен.

20. Излаз: Количина електричне енергије коју генерише сензор која је функција спољашње мерене величине.

21. Излазна импеданса: Импеданса измерена на излазном крају сензора када је улазни крај кратко спојен.

22. Нулти излаз: Излаз сензора када је примењена мерена величина нула у урбаним условима.

23. Хистереза: Максимална разлика у излазу када се измерена вредност повећава и смањује унутар наведеног опсега.

24. Кашњење: Временско кашњење промене излазног сигнала у односу на промену улазног сигнала.

25. Дрифт: Количина промене у излазу сензора која није повезана са мерењем унутар одређеног временског интервала.

26. Померање нуле: Промена излаза нуле у одређеном временском интервалу иу условима у затвореном простору.

27. Осетљивост: Однос повећања излаза сензора и одговарајућег инкремента улаза.

28. Померање осетљивости: Промена нагиба калибрационе криве узрокована променом осетљивости.

29. Померање топлотне осетљивости: Померање осетљивости узроковано променом осетљивости.

30. Термални помак нуле: Помак нуле узрокован променом температуре околине.

06. Области примене сензора

Сензори су широко коришћени уређаји за детекцију, који се користе у мониторингу животне средине, управљању саобраћајем, здравственом здрављу, пољопривреди и сточарству, безбедности од пожара, производњи, ваздухопловству, електронским производима и другим пољима. Може да осети информације које се мере и може да трансформише добијене информације у електричне сигнале или друге потребне облике излаза информација у складу са одређеним правилима како би испунио захтеве преноса информација, обраде, складиштења, приказа, снимања и контроле.

①Индустријска контрола: индустријска аутоматизација, роботика, инструменти за тестирање, аутомобилска индустрија, бродоградња, итд.

Апликације индустријске контроле се широко користе, као што су различити сензори који се користе у производњи аутомобила, контрола процеса производа, индустријске машине, специјална опрема и аутоматизована производна опрема, итд., који мере процесне варијабле (као што су температура, ниво течности, притисак, проток, итд.). итд.), мере електронске карактеристике (струја, напон, итд.) и физичке величине (кретање, брзина, оптерећење и интензитет), а традиционални сензори близине/позиционирања се брзо развијају.

Истовремено, паметни сензори могу да пробију ограничења физике и науке о материјалима повезујући људе и машине, комбинујући софтвер и анализу великих података, и промениће начин на који свет функционише. У визији Индустрије 4.0, енд-то-енд сензорска решења и услуге су оживљене у производном месту. Промовише паметније доношење одлука, побољшава оперативну ефикасност, повећава производњу, побољшава инжењерску ефикасност и у великој мери побољшава пословне перформансе.

②Електронски производи: паметни носиви уређаји, комуникациона електроника, потрошачка електроника итд.

Сензори се углавном користе у паметним носивим уређајима и 3Ц електроници у електронским производима, а мобилни телефони заузимају највећи удео у области примене. Значајан раст производње мобилних телефона и континуирано повећање нових функција мобилних телефона донели су могућности и изазове тржишту сензора. Све већи тржишни удео мобилних телефона са екраном у боји и телефона са камером повећао је удео сензорских апликација у овој области.

Поред тога, ултразвучни сензори који се користе у групним телефонима и бежичним телефонима, сензори магнетног поља који се користе у магнетним медијима за складиштење, итд.

У погледу носивих апликација, сензори су битне компоненте.

На пример, уређаји за праћење фитнеса и паметни сатови постепено постају уређаји за свакодневни живот који нам помажу да пратимо ниво наше активности и основне здравствене параметре. У ствари, постоји много технологије у тим сићушним уређајима који се носе на зглобу како би помогли људима да мере нивое активности и здравље срца.

Свака типична фитнес наруквица или паметни сат има око 16 уграђених сензора. У зависности од цене, неки производи могу имати више. Ови сензори, заједно са другим хардверским компонентама (као што су батерије, микрофони, екрани, звучници, итд.) и моћним софтвером врхунског квалитета, чине фитнес трацкер или паметни сат.

Данас се поље примене носивих уређаја шири од екстерних сатова, наочара, ципела итд. на шире поље, као што је електронска кожа итд.

③ Ваздухопловство и војска: ваздухопловна технологија, војни инжењеринг, истраживање свемира итд.

У области ваздухопловства, безбедност и поузданост уграђених компоненти су изузетно високе. Ово посебно важи за сензоре који се користе на различитим местима.

На пример, када ракета полети, ваздух ствара огроман притисак и силе на површину ракете и тело ракете због веома велике брзине полетања (преко 4 маха или 3000 мпх), стварајући изузетно сурово окружење. Због тога су потребни сензори притиска за праћење ових сила како би се осигурало да оне остану у границама пројектованог тела. Током полетања, сензори притиска су изложени ваздуху који струји преко површине ракете, чиме се мере подаци. Ови подаци се такође користе за вођење будућих дизајна каросерије како би били поузданији, чврсти и сигурнији. Поред тога, ако нешто крене наопако, подаци са сензора притиска ће постати изузетно важан алат за анализу.

На пример, у склапању авиона, сензори могу да обезбеде бесконтактно мерење рупа за заковице, а постоје сензори померања и положаја који се могу користити за мерење стајног трапа, компоненти крила, трупа и мотора мисија авиона, што може да обезбеди поуздане и прецизне одређивање мерних вредности.

④ Живот у кући: паметна кућа, кућни апарати итд.

Постепена популаризација бежичних сензорских мрежа је промовисала брзи развој информационих уређаја и мрежне технологије. Главна опрема кућних мрежа се проширила са једне машине на више кућних апарата. Контролни чвор паметне кућне мреже заснован на бежичним сензорским мрежама пружа основну платформу за повезивање интерних и екстерних мрежа у дому и повезивање информационих уређаја и опреме између интерних мрежа.

Уграђивање сензорских чворова у кућне апарате и њихово повезивање на Интернет путем бежичних мрежа омогућиће људима удобније, погодније и хуманије окружење за паметну кућу. Систем даљинског надзора се може користити за даљинско управљање кућним апаратима, а безбедност породице може се пратити у било ком тренутку преко уређаја за детекцију слике. Сензорска мрежа се може користити за успостављање паметног вртића, праћење окружења раног образовања деце и праћење путање активности деце.

⑤ Управљање саобраћајем: транспорт, градски превоз, паметна логистика итд.

У управљању саобраћајем, бежични сензорски мрежни систем инсталиран са обе стране пута може се користити за праћење стања на путу, стања акумулације воде, буке, прашине, гаса и других параметара на путу у реалном времену како би се постигла сврха заштите пута, заштите животне средине и заштите здравља пешака.

Интелигентни транспортни систем (ИТС) је нова врста транспортног система развијена на бази традиционалног транспортног система. Он интегрише информационе, комуникационе, контролне и рачунарске технологије и друге модерне комуникационе технологије у области транспорта и органски комбинује „људи-возило-пут-средина”. Додавање технологије бежичне сензорске мреже постојећим транспортним објектима биће у могућности да суштински ублажи проблеме безбедности, глаткоће, уштеде енергије и заштите животне средине који муче савремени транспорт, а истовремено ће побољшати ефикасност транспортног рада.

⑥ Мониторинг животне средине: праћење и предвиђање животне средине, испитивање времена, хидролошка испитивања, енергетска заштита животне средине, испитивање земљотреса, итд.

У погледу праћења и предвиђања животне средине, бежичне сензорске мреже могу се користити за праћење услова наводњавања усева, услова ваздуха у земљишту, животне средине стоке и живине и услова миграције, бежичне екологије земљишта, праћења великих површина итд., и могу се користити за планетарна истраживања, метеоролошка и географска истраживања, праћење поплава, итд. На основу бежичних сензорских мрежа, падавине, ниво воде у рекама и влажност земљишта могу се пратити преко неколико сензора, а бујне поплаве се могу предвидети како би се описала еколошка разноврсност, чиме се спроводи еколошки мониторинг станишта животиња. Сложеност популације се такође може проучавати праћењем птица, малих животиња и инсеката.

Како људи обраћају више пажње на квалитет животне средине, у стварном процесу испитивања животне средине, људима је често потребна аналитичка опрема и инструменти који су лаки за ношење и могу да реализују континуирано динамичко праћење вишеструких објеката за испитивање. Уз помоћ нове сензорске технологије, горе наведене потребе могу бити задовољене.

На пример, у процесу атмосферског мониторинга, нитриди, сулфиди итд. су загађивачи који озбиљно утичу на производњу и живот људи.

Међу азотним оксидима, СО2 је главни узрок киселих киша и киселе магле. Иако се традиционалним методама може мерити садржај СО2, метода је компликована и недовољно прецизна. Недавно су истраживачи открили да специфични сензори могу оксидирати сулфите, а део кисеоника ће се потрошити током процеса оксидације, што ће довести до смањења раствореног кисеоника у електроди и генерисања струјног ефекта. Коришћењем сензора може се ефикасно добити вредност садржаја сулфита, која је не само брза већ и веома поуздана.

За нитриде, сензори азотних оксида се могу користити за праћење. Принцип сензора азотних оксида је да користе кисеоникове електроде за генерисање специфичне бактерије која троши нитрите и израчунавање садржаја азотних оксида израчунавањем промене концентрације раствореног кисеоника. Пошто генерисане бактерије користе нитрат као енергију и користе само овај нитрат као енергију, он је јединствен у стварном процесу примене и неће бити под утицајем мешања других супстанци. Неки страни истраживачи су спровели дубља истраживања по принципу мембрана и индиректно мерили веома ниску концентрацију НО2 у ваздуху.

⑦ Медицинско здравље: медицинска дијагноза, медицинско здравље, здравствена заштита итд.

Многе медицинске истраживачке институције у земљи и иностранству, укључујући међународно познате гиганте медицинске индустрије, постигле су значајан напредак у примени сензорске технологије у медицинској области.

На пример, Технолошки институт Џорџије у Сједињеним Државама развија сензор уграђен у тело са сензорима притиска и бежичним комуникационим круговима. Уређај се састоји од проводног метала и изолационог филма, који може детектовати промене притиска у складу са променама фреквенције резонантног кола и раствориће се у телесним течностима након што одигра своју улогу.

Последњих година бежичне сензорске мреже имају широку примену у медицинским системима и здравственој заштити, као што је праћење различитих физиолошких података људског тела, праћење и праћење деловања лекара и пацијената у болницама и управљање лековима у болницама.

⑧ Безбедност од пожара: велике радионице, управљање складиштима, аеродроми, станице, докови, надзор безбедности великих индустријских паркова итд.

Због непрекидне поправке зграда може постојати извесна опасност по безбедност. Иако повремени мали потреси у земљиној кори можда неће изазвати видљива оштећења, потенцијалне пукотине се могу генерисати у стубовима, што може проузроковати урушавање зграде у следећем земљотресу. Инспекције које се користе традиционалним методама често захтевају затварање зграде на неколико месеци, док паметне зграде опремљене сензорским мрежама могу да кажу одељењима менаџмента своје информације о статусу и аутоматски изврше низ самопоправки према приоритету.

Континуираним напретком друштва, концепт безбедне производње је дубоко укорењен у срцима људи, а захтеви људи за безбедном производњом су све већи и већи. У грађевинској индустрији где су несреће честе, како обезбедити личну безбедност грађевинских радника и очување грађевинског материјала, опреме и друге имовине на градилишту је главни приоритет грађевинских јединица.

⑨Пољопривреда и сточарство: модернизација пољопривреде, сточарство итд.

Пољопривреда је још једна важна област за коришћење бежичних сензорских мрежа.

На пример, од имплементације „Прецизног система управљања за производњу повољних усева на северозападу“, посебна техничка истраживања, интеграција система и демонстрација типичне примене су спроведени углавном за доминантне пољопривредне производе у западном региону, као нпр. јабуке, киви, салвиа милтиоррхиза, диње, парадајз и друге важне културе, као и карактеристике сувог и кишног еколошког окружења на западу, а технологија бежичне сензорске мреже успешно се примењује у прецизној пољопривредној производњи. Ова напредна технологија сензорске мреже која прикупља окружење раста усева у реалном времену примењује се на пољопривредну производњу, пружајући нову техничку подршку развоју савремене пољопривреде.

⑩ Остале области: праћење сложених машина, лабораторијско праћење итд.

Бежична сензорска мрежа је једна од врућих тема у тренутном информационом пољу, која се може користити за прикупљање, обраду и слање сигнала у посебним окружењима; бежична мрежа сензора температуре и влажности заснована је на ПИЦ микроконтролеру, а хардверско коло мрежног чвора сензора температуре и влажности је дизајнирано коришћењем интегрисаног сензора влажности и дигиталног сензора температуре и комуницира са контролним центром преко бежичног примопредајног модула , тако да системски сензорски чвор има ниску потрошњу енергије, поуздану комуникацију података, добру стабилност и високу комуникациону ефикасност, која се може широко користити у детекцији животне средине.