Классификация датчиков и биосенсоров

Введение 2
Глава 1. Датчики 4
1. 1. Понятие датчика 4
2.1. Датчики температуры 6
2.2. Датчики давления 6
2. 2. 1. Кремниевые датчики 6
2.2.2. Электронный барометр 7
2. 3. Датчики расхода и скорости 8
2. 3. 1. Терморезисторный анемометр 9
2. 3. 2. Датчик расхода 10
2. 3. 3. Датчик направления 10
2. 4. Газовые датчики 11
2. 4. 1. Термохимическая ячейка 11
2. 4. 2. Полупроводниковые датчики. 13
2.5. Датчики магнитного поля 14
2.6. Оптические датчики 15
2.7. Датчики положения 17
2. 8. Датчики ИК- излучения 19
Глава 3. Биосенсоры 22
3.1. Понятие биосенсора 22
3. 2. Классификация биосенсоров 23
Список литературы 26

1. 1. Понятие датчика
Согласно общепринятому определению, датчик, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину (давление, температуру, частоту, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т.п.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы. В состав датчика входят воспринимающий (чувствительный) орган и один или несколько промежуточных преобразователей. Часто датчик состоит только из одного воспринимающего органа (например, термопара, термометр сопротивления и др.). Выходные сигналы различаются по роду энергии - электрические, механические, пневматические (реже гидравлические), и по характеру модуляции потока энергии - амплитудные, время-импульсные, частотные, фазовые, дискретные (кодовые).
...

2.1. Датчики температуры
Важнейшей разновидностью датчиков являются дат­чики температуры, поскольку многие процессы, в том числе и в повседневной жизни, регулируются темпе­ратурой, например:
• регулирование отопления на основания измере­ния температуры теплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружной тем­пературы;
• регулирование температуры воды в стиральной машине;
• регулирование температуры электроутюга, элек­троплитки, духовки и т. п.
Кроме того, путем измерения температуры можно косвенно определять и другие параметры, например поток, уровень и т. п.
При использовании такого рода датчиков темпе­ратура измеряется, как правило, на основании зави­симости электрического сопротивления от темпера­туры. В зависимости от того, возрастает или пони­жается электросопротивление датчика при повышении температуры, различают полупроводниковые датчики соответственно с положительным или отрица­тельным температурным коэффициентом сопротивле­ния.
...

2. 2. 1. Кремниевые датчики
Для любительской практики представляют инте­рес лишь относительно недорогие кремниевые дат­чики давления, имеющие выходной сигнал чаще всего порядка нескольких вольт. Обычно такой датчик из­готовляют из кремниевой пластины, часть которой вытравливают до образования тонкой мембраны. Ме­тодом ионной имплантации на мембране выполняют резистивные элементы с межсоединениями. При из­менении давления мембрана прогибается, и под дей­ствием пьезоэлектрического эффекта происходит из­менение сопротивления резистивных элементов. Тол­щина мембраны, как и геометрическая форма рези­сторов, определяется областью допустимых давлений. Преимуществами широко распространенных датчиков этого типа являются:
• высокая чувствительность
• хорошая линейность
• малое время срабатывания
• компактная инструкция
• экономичная планарная технология изготовления.
...

2.2.2. Электронный барометр
Существуют некоторые интересные варианты при­менения датчиков давления. К их числу относится измерение атмосфер­ного давления или высоты.
Барометрический прибор приго­ден для точного измерения давления атмосферного воздуха, которое на уровне моря равно 1013 мбар. С увеличением высоты (например, в горах) или при переменном состоянии погоды давление воздуха силь­но изменяется. На высоте 10 км, например, оно па­дает до 264 мбар, а на 20 км — до 55 мбар. Измене­ние давления воздуха в зависимости от высоты (от­носительно уровня моря) описывается так называе­мым барометрическим уравнением высоты:
PL=P0 exp (-h/ H),
где Pl — давление воздуха на высоте Л, Ро — давле­ние воздуха на уровне моря (1013 мбар), Н — кон­станта. Зависимость давления воздуха от высоты ил­люстрируется данными табл. 3.2.1.

При подъеме от 0 до 500 м давление воздуха сни­жается примерно на 58 мбар. В среднем получается 0,12 мбар/м.
...

2. 3. Датчики расхода и скорости
В промышленной измерительной технике требуются очень точные методы определения расхода и скоро­сти потока. При этом допустимые погрешности не должны превышать одного процента, а иногда и од­ной десятой процента. Довольно точные измерители расхода требуются иногда и в быту. При таких требованиях к точности при­меняют чаше всего механические измерительные при­боры. Лишь в самое последнее время появились оптоэлектронные измерители расхода и скорости, рабо­тающие на оптическом эффекте Допплера. Эти лазер­ные допплеровские анемометры исполь­зуют особый вид рассеяния света (эффект Доппле­ра). В данном случае луч лазера разделяется светоделительной пластинкой па два отдельных световых пучка, которые фокусируются затем с помощью линзы в протекающей среде. Рассе­янный потоком свет попадает далее на фотодетектор (фотоумножитель), где он преобразуется в электри­ческий ток.
...

2. 3. 2. Датчик расхода
Измерение расхода жидкостей или газов чрезвы­чайно важно во многих областях техники, так как оно позволяет судить об эффективности процессов по расходу материалов. Хорошим примером служит измери­тельная установка на основе автомобильного двига­теля внутреннего сгорания. Здесь в карбюраторный двигатель непрерывно подаются кислород воздуха и топливо (бензин). Для достижения оптимального — прежде всего по количеству выхлопных газов — ре­жима работы необходимо определенное соотношение подаваемых количеств воздуха и топлива. Это соот­ношение можно определить, например, путем измере­ния содержания СО датчиком при одновременном регулировании карбюратора, при раз­личных режимах движения (езда по городу или по шоссе) это соотношение, разумеется, изменится, по­этому желателен такой контроль с помощью датчи­ков в процессе движения.
...

2. 3. 3. Датчик направления
Вышеописанные датчики расхода и скорости не­зависимо от направления потока всегда показывали одинаково положительное напряжение. Используя два взаимосвязанных датчика, можно сконструиро­вать датчик расхода, который будет формировать либо положительное, либо отрицательное выходное напряжение в зависимости от направления потока. Конструкция такого датчика состоит из двух терморезистор­ных бусинок и 2 напаянных на двустороннюю пе­чатную плату. В месте размещения терморезисторов в плате выполнено отверстие, через которое может проходить ноток. На каждой стороне платы находит­ся еще по специальной насадке, служащей для меха­нической защиты терморезистора и для придания оп­ределенной формы потоку. Все устройство соединяется на клею. Выводы терморезистора выводятся через места склеивания. Оба терморезистора находятся в одном плече измерительного моста пи­таемого постоянным напряжением.
2. 4.
...

2. 4. Газовые датчики
Обнаружение различных газов в помещениях или в составе выхлопных газов осуществляется с помощью газовых датчиков. В присутствии определенных газов (например, СО2, СО, О2 или Н2) они вырабатывают электрические сигналы, которые более или менее спе­цифичны для различных веществ При этом используются различные физические и химические эффекты, которые более или менее подробно будут описаны ниже. Кроме этих простых и надежных газовых де­текторов для более ответственных применений суще­ствуют еще оптические фотометры, превосходящие га­зовые детекторы по селективности и точности. Правда, они гораздо дороже и сложнее по устройству.
...

2. 4. 1. Термохимическая ячейка
Термохимическая ячейка обеспечивает часто необходимую потребность в измерении содержания горючих газов - особенно монооксида углерода (СО).

Каталитическая ячейка для обнаружения горючим газов
Термохимическая ячейка (рисунок) имеет две измерительные платиновые спирали, включенные в измерительный мост, содержащий еще два постоян­ных сопротивления. Если одну из спиралей покрыть слоем активного катализатора, а вторую — слоем пас­сивного катализатора, то находящийся в атмосфере монооксид углерода (СО) будет реагировать с кис­лородом воздуха па активном катализаторе, образуя диоксид углерода (СО2). Выделяющаяся в резуль­тате этой реакции тепловая энергия вызывает повы­шение сопротивления активной спирали, а в итоге — заметный разбаланс моста. С помощью такого дат­чика можно обнаруживать весьма незначительные концентрации СО порядка 10-4 %. В атмосфере поме­щения минимальный возможный уровень измерения составляет 2·10-2 % СО.
...

2. 4. 2. Полупроводниковые датчики. 
В самых простых и дешевых газовых датчиках ис­пользуется изменение электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов, возникающее вследствие адсорбции газа. На рисунке по­казано принципиальное устройство такого полупроводникового датчика. Он состоит из керамической основы, способной выдерживать нагрев до 100..500 °С. На этой керамической основе находятся два электрода, между которыми наносится полупроводящий оксид металла. Если газ проходит над этим активированным слоем оксида металла, то проводимость последнего изменяется. С помощью мостовой схемы это изменение проводимости преобразуется в изме­нение напряжения. Важнейшим материалом для обнаружения различных газов среди чувствительных элементов некоторых датчиков является диоксид олова SiO2 с различными легирующими добавками. Подбором легирующей добавки и рабочей температуры можно до­стигнуть определенного повышения избирательности.
...

2.5. Датчики магнитного поля
Среди датчиков магнитного поля различают датчики трех типов, использующие различные физические эффекты, а именно: магниторезистивные датчики, датчики Холла и датчики Виганда.
В общем случае датчики магнитного поля отли­чаются простотой устройства и связанной с этим на­дежностью. Благодаря таким свойствам они особенно пригодны для применения в автомобилях и в бытовой технике. Важными и интересными применениями маг­нитных датчиков являются, например, измерения по­ложения, скорости вращения, давления и линейной скорости.
• Магниторезистивные датчики. Некоторые ферромагнитные материалы, например пермаллой (80 % Ni и 20 % Fe), изменяют свое электрическое сопротивление при воздействии магнитного поля. Степень этого изменения зависит от величины напряженности магнитного поля и угла между вектором напряженности и направлением тока. С по­мощью современной тонкопленочной технологии можно изготовить небольшие и очень дешевые магниторезистивные датчики.
...

2.6. Оптические датчики
Бесконтактное измерение ряда физических величин, как, например, перемещений, вибраций, температуры и т. д., оказывается возможным лишь с помощью оптических датчиков. При этом информация пере­дается не по кабелю, а световыми волнами, которые могут изменяться по интенсивности, фазе, цвету или геометрическому распределению в пространстве и благодаря этому оказываются пригодными для полу­чения и передачи информации. Чрезвычайно простым оптическим датчиком является, например, известная фотоячейка.
Фотоячейка состоит из источника света (лампы накаливания или светодиода) и приемника (фото­диода или фоторезистора). Нарушение передачи све­та от источника к приемнику служит информацией о нахождении объекта в фотоячейке. Если число им­пульсов отнести к единице времени, то, например, при конвейерном производстве можно получить ин­формацию о количестве деталей, изготовленных за час или за день.
...

2.7. Датчики положения
С помощью датчиков положения можно бесконтактным способом дистанционно регистрировать процессы перемещения и управлять ими. Пример применения такого датчика показан на рисунок 4.17. Например, нужно зарегистрировать изменение положения ка­кого-либо механизма в процессе работы. Для этого на нем в характерном ме­сте устанавливают светодиод (излучатель). Излучение этого светодиода с помощью отображающей оп­тики (например, линзы) фокусируется на датчике по­ложения.

Рисунок 4.17 – Схема устройства для регистрации изменения положения механизма в процессе работы
В принципе такой датчик состоит из удлиненного p/n-диода с двумя выходными электродами с одной стороны и одним электродом с противоположной стороны (рисунок 4.18). При неработающем механизме отображающая оп­тика юстируется таким образом, чтобы на обе части светодиода попадало излучение одинаковой интенсивности.
...

2. 8. Датчики ИК- излучения
Для ИК-диапазона от 0,8 до 12 мкм существует множество датчиков излучения на основе селенида свинца (PbSe), сульфида свинца (PbS), арсенида индия (InAs), антимонида индия (InSb) и германия, а также пироэлектрические детекторы.
Важной областью применения таких детекторов является обнаружение нагретых частей детали при определении к ним положения. Пироэлектрический эффект возникает в резуль­тате смещения зарядов в некоторых кристаллах при их нагреве (рисунок 4.20). Этот эффект не аналогичен термоэлектрическому эффекту, так как в данном слу­чае не возникает постоянного напряжения.

Рисунок 4.20 – Пироэлектрический эффект (перераспределение заря­дов в нагретом кристалле)
При резком воздействии ИК-излучения на пиро­электрический детектор, вызывающем его нагрев, на­пряжение или ток (в зависимости от вида схемы) из­меняются лишь кратковременно, а затем спадают до нуля даже и при сохраняющемся действии облучения.
...

3.1. Понятие биосенсора
Это аналитический прибор, в котором для определения химических соединений используются реакции этих соединений, катализируемые ферментами,, иммунохимические реакции или реакции, проходящие в органеллах, клетках, тканях. В биосенсорах биологический компонент сочетается с физико-химическим преобразователем.
Биосенсоры состоят из трех частей:
1) Биоселективного элемента, материал биологического происхождения или биомимик. Чувствительный элемент может быть создан с помощью биоинженерии.
2) Преобразователя, который преобразует сигнал, появляющийся в результате взаимодействия аналита с биоселективным элементом, в другой сигнал, который проще измерить
3) Связанная электроника, которая отвечает в первую очередь за отображение результатов в удобном для пользователя виде.
...

3. 2. Классификация биосенсоров
В зависимости от типа преобразователя, биосенсоры классифицируют на оптические, акустические, калориметрические, термические и электрохимические. Электрохимические биосенсоры, в свою очередь, делят на потенциометрические, амперометрические и кондуктометрические.
Оптические биосенсоры
Значительная часть оптических биосенсоров основаны на явлении поверхностного плазмонного резонанса и используют свойство золотых и других материалов, а именно то, что тонкий слой золота, нанесенный на имеющую высокий коэффициент преломления стеклянную поверхность может абсорбировать лазерный свет, создавая электронные волны на золотой поверхности. Это происходит только при определенном угле падения и длине волны падающего света и в такой степени зависит от поверхности золотого слоя, что присоединение аналита к биологическому рецептору на поверхности этого слоя генерирует заметный сигнал.
...

1. Виглеб, Г. Датчики. Устройство и применение / Г. Виглеб. – М.: Издательство «Мир», 1989. – 192 с.
2. Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик-97). IХ научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов : Тезисы докладов / М-во общего и профессионального образования РФ; Госстандарт России; Под ред. В. Н. Азарова. — Гурзуф : МГИЭМ, 1997 .— 483 с.
3. Клаассен, Клаас Б. Основы измерений: датчики и электронные приборы : [учебное пособие] / К. Клаассен ; пер. с англ. Е. В. Воронова и А. Л. Ларина. — 4-е издание. — Долгопрудный : Издательский Дом "Интеллект", 2012 . — 350 с.
4. Тернер Э. Биосенсоры: основы и приложения / Э. Тернер, И. Карубе, Дж. Уилсон. – М.: Издательство «Мир», 1992. – 615 с.
5. Фрайден, Д. Современные датчики: справочник / Дж. Фрайден ; пер. с англ. Ю. А. Заболотной ; под ред. Е. Л. Свинцова. — М. : Техносфера, 2005 . — 588 с.
6. Эггинс, Б. Химические и биологические сенсоры: [учебное пособие] / Б. Эггинс ; пер. с англ. М. А. Слинкина с доп. Т. М. Зиминой, В. В. Лучинина . — М. : Техносфера, 2005 .— 335 с.