Ein Sensor ist ein Erfassungsgerät, das die gemessenen Informationen erfassen und diese erfassten Informationen nach bestimmten Gesetzen in ein elektrisches Signal oder eine andere erforderliche Form der Informationsausgabe umwandeln kann, um die Anforderungen der Informationsübertragung, -verarbeitung, -speicherung, -anzeige, -aufzeichnung und -steuerung zu erfüllen.
Die Existenz und Entwicklung von Sensoren, sodass Objekte über Tast-, Geschmacks- und Geruchssinn verfügen und somit lebendig werden, stellen eine Erweiterung menschlicher Eigenschaften dar.
Der Sensor verfügt über die Eigenschaften Miniaturisierung, Digitalisierung, Intelligenz, Multifunktionalität, Systematisierung, Vernetzung usw. Er ist das primäre Bindeglied zur Realisierung der automatischen Erkennung und automatischen Steuerung.
Der neue Aluminiumnitridsensor ist für den Betrieb bei hohen Temperaturen bis zu 900 Grad Celsius geeignet.
Der nationale Standard GB7665-87 definiert einen Sensor als: „Ein Gerät oder eine Vorrichtung, die in der Lage ist, einen vorgegebenen Messwert wahrzunehmen und nach einer bestimmten Gesetzmäßigkeit (mathematische Funktionsregel) in ein nutzbares Signal umzuwandeln, üblicherweise bestehend aus einem sensitiven Element und einem Umwandlungselement.“
Die China Internet of Things School-Enterprise Alliance ist davon überzeugt, dass die Existenz und Entwicklung von Sensoren Objekten Sinne wie Tast-, Geschmacks- und Geruchssinn verleiht und sie langsam zum Leben erweckt.“
Unter „Sensor“ versteht man „das Empfangen von Strom von einem System, üblicherweise in einer anderen Form, an ein Gerät in einem zweiten System“.
Hauptklassifizierung
Nach Verwendungszweck
Druck- und Kraftsensoren, Positionssensoren, Flüssigkeitsstandssensoren, Energieverbrauchssensoren, Geschwindigkeitssensoren, Beschleunigungssensoren, Strahlungssensoren, Wärmesensoren.
Grundsätzlich
Vibrationssensor, Feuchtigkeitssensor, Magnetsensor, Gassensor, Vakuumsensor, biologischer Sensor usw.
Pro Ausgang
Digitaler Sensor: Wandelt die gemessene nichtelektrische Größe in ein digitales Ausgangssignal um (einschließlich direkter und indirekter Umwandlung).
Pseudodigitaler Sensor: Die Ausgabe des gemessenen Semaphors in ein Frequenzsignal oder ein kurzperiodisches Signal (einschließlich direkter oder indirekter Umwandlung).
Schaltsensor: Wenn ein gemessenes Signal einen bestimmten Schwellenwert erreicht, gibt der Sensor entsprechend ein festgelegtes Signal mit niedrigem oder hohem Pegel aus.
Nach seinem Herstellungsverfahren
Integrierte Sensoren werden mit Standardverfahren für die Produktion von integrierten Halbleiterschaltkreisen auf Siliziumbasis hergestellt. Normalerweise ist ein Teil des Schaltkreises, der für die anfängliche Verarbeitung des zu testenden Signals verwendet wird, ebenfalls auf demselben Chip integriert.
Dünnschichtsensoren werden hergestellt, indem auf einem dielektrischen Träger (Substrat) ein dünner Film des entsprechenden empfindlichen Materials abgeschieden wird. Bei Verwendung des Hybridverfahrens kann auf diesem Substrat auch ein Teil der Schaltung hergestellt werden.
Der Dickschichtsensor besteht aus einer Aufschlämmung des entsprechenden Materials, die auf ein Keramiksubstrat (normalerweise aus Al2O3) aufgetragen und dann durch Wärmebehandlung zur Bildung der Dickschicht behandelt wird.
Keramiksensoren werden mit Standardkeramikverfahren oder Varianten davon (Sol, Gel usw.) hergestellt.
Nach Abschluss der entsprechenden Vorbereitungsarbeiten werden die geformten Komponenten bei hohen Temperaturen gesintert. Die beiden Verfahren Dickschicht- und Keramiksensor haben viele Gemeinsamkeiten, und in mancher Hinsicht kann das Dickschichtverfahren als Variante des Keramikverfahrens betrachtet werden.
Jede Prozesstechnologie hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Aufgrund des geringen Kapitaleinsatzes für Forschung, Entwicklung und Produktion sowie der hohen Stabilität der Sensorparameter ist der Einsatz von Keramik- und Dickschichtsensoren sinnvoller.
Nach Maß
Bei der Herstellung physikalischer Sensoren wird ausgenutzt, dass sich bestimmte physikalische Eigenschaften der zu messenden Substanz deutlich verändern.
Chemische Sensoren bestehen aus empfindlichen Elementen, die chemische Größen wie Zusammensetzung und Konzentration chemischer Substanzen in elektrische Größen umwandeln können.
Biosensoren sind Sensoren, die die Eigenschaften verschiedener Organismen oder biologischer Substanzen nutzen, um chemische Bestandteile in Organismen zu erkennen und zu identifizieren.
In seiner Zusammensetzung
Basissensor: Dies ist das einfachste einzelne Umwandlungsgerät.
Kombisensor: Dabei handelt es sich um einen Sensor, der aus verschiedenen einzelnen Umwandlungsgeräten zusammengesetzt ist.
Anwendungssensor: Es handelt sich um einen Sensor, der aus einem Basissensor oder einem kombinierten Sensor und weiteren Mechanismen besteht.
In Aktionsform
Nach der Wirkungsform kann man zwischen aktiven und passiven Sensoren unterscheiden.
Der aktive Sensor hat einen Aktionstyp und einen Reaktionstyp, die ein bestimmtes Erkennungssignal an das getestete Objekt aussenden und die Änderung des Erkennungssignals im getesteten Objekt erkennen können, oder das Signal wird durch das Erkennungssignal im getesteten Objekt gebildet. Der Modus zum Erkennen der Änderung des Erkennungssignals wird als Aktionstyp bezeichnet, und der Modus zum Erkennen der Reaktion und Bilden des Signals wird als Reaktionstyp bezeichnet. Radar- und Hochfrequenzbereichsdetektoren sind Beispiele für Aktionen, während Geräte zur Analyse photoakustischer Effekte und Laseranalysatoren Beispiele für Reaktionen sind.
Passive Sensoren empfangen nur Signale, die vom Messobjekt selbst erzeugt werden, wie beispielsweise Infrarot-Strahlungsthermometer und Infrarotkamerageräte.
Hauptmerkmale
Sensor statisch
1. Linearität: bezeichnet den Grad der Abweichung der tatsächlichen Beziehungskurve zwischen Sensorausgang und -eingang von der angepassten Geraden. Definiert als Verhältnis der maximalen Abweichung zwischen der tatsächlichen Kennlinie und der angepassten Geraden im Skalenendwert zum Skalenendwert des Ausgangs.
2. Empfindlichkeit: Die Empfindlichkeit ist ein wichtiger Indikator für die statischen Eigenschaften des Sensors. Sie wird definiert als das Verhältnis des Inkrements der Ausgangsgröße zum entsprechenden Inkrement der Eingangsgröße, das das Inkrement verursacht. Die Empfindlichkeit wird mit S bezeichnet.
3. Hysterese: Wenn sich das Eingangsvolumen des Sensors von klein nach groß ändert (positiver Hub) und das Eingangsvolumen von groß nach klein ändert (umgekehrter Hub), wird das Phänomen der Nichtübereinstimmung der Eingangs- und Ausgangskennlinien zur Hysterese. Bei gleicher Größe des Eingangssignals sind das positive und das negative Hubausgangssignal des Sensors nicht gleich, und dieser Unterschied wird als Hysteresewert bezeichnet.
4. Wiederholbarkeit: Unter Wiederholbarkeit versteht man den Grad der Inkonsistenz der Kennlinie, der erreicht wird, wenn die Eingangsgröße des Sensors im gesamten Bereich kontinuierlich in die gleiche Richtung geändert wird.
5. Drift: Der Drift des Sensors bedeutet, dass sich die Ausgabe des Sensors mit der Zeit ändert, wenn die Eingabe unverändert bleibt. Dies wird als Drift bezeichnet. Es gibt zwei Gründe für den Drift: Einer sind die strukturellen Parameter des Sensors selbst. Der zweite ist die Umgebung (wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw.).
6. Auflösung: Wenn der Eingang des Sensors langsam von einem Wert ungleich Null ansteigt, ändert sich der Ausgang nach Überschreiten eines bestimmten Inkrements erkennbar. Das Eingangsinkrement wird als Auflösung des Sensors bezeichnet, d. h. das minimale Eingangsinkrement.
7. Schwellenwert: Wenn der Eingang des Sensors langsam von Null ansteigt, ändert sich der Ausgang sichtbar, nachdem ein bestimmter Wert erreicht wurde, der als Schwellenspannung des Sensors bezeichnet wird.
Sensordynamik
Die sogenannten dynamischen Eigenschaften beziehen sich auf die Eigenschaften der Ausgabe des Sensors, wenn sich die Eingabe ändert. In der Praxis werden die dynamischen Eigenschaften eines Sensors häufig durch seine Reaktion auf einige Standardeingangssignale ausgedrückt. Dies liegt daran, dass die Reaktion des Sensors auf das Standardeingangssignal leicht experimentell ermittelt werden kann und eine bestimmte Beziehung zwischen seiner Reaktion auf das Standardeingangssignal und seiner Reaktion auf ein beliebiges Eingangssignal besteht. Oft kann aus der Kenntnis des ersteren auf das letztere geschlossen werden. Die am häufigsten verwendeten Standardeingangssignale sind Sprungsignale und Sinussignale, sodass die dynamischen Eigenschaften des Sensors häufig auch durch Sprungantwort und Frequenzgang ausgedrückt werden.
Linearität
Unter normalen Umständen ist die tatsächliche statische Kennlinienausgabe des Sensors eine Kurve und keine gerade Linie. In der Praxis wird, um dem Instrument eine einheitliche Skalenanzeige zu verleihen, häufig eine Anpassungslinie verwendet, um die tatsächliche Kennlinienkurve anzunähern. Die Linearität (nichtlinearer Fehler) ist ein Leistungsindex dieser Annäherung.
Es gibt viele Möglichkeiten, die Anpassungslinie auszuwählen. Beispielsweise wird die theoretische Linie, die den Null-Eingangspunkt und den Vollausschlags-Ausgangspunkt verbindet, als Anpassungslinie verwendet. Oder die theoretische Linie mit der kleinsten Summe der quadratischen Abweichungen von jedem Punkt auf der Kennlinie wird als Anpassungslinie verwendet. Diese wird als kleinste Quadrate-Anpassungslinie bezeichnet.
Empfindlichkeit
Unter Empfindlichkeit versteht man das Verhältnis der Änderung des Ausgangssignals △y zur Änderung des Eingangssignals △x im stationären Betrieb des Sensors.
Es handelt sich um die Steigung der Ausgangs-Eingangskennlinie. Wenn zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Sensors eine lineare Beziehung besteht, ist die Empfindlichkeit S eine Konstante. Andernfalls ändert sie sich mit der Eingangsgröße.
Die Dimension der Empfindlichkeit ist das Verhältnis der Dimensionen der Ausgangs- und Eingangsgrößen. Wenn sich beispielsweise bei einem Verschiebungssensor die Verschiebung um 1 mm ändert, ändert sich die Ausgangsspannung um 200 mV. Dann sollte seine Empfindlichkeit als 200 mV/mm ausgedrückt werden.
Wenn die Ausgangs- und Eingangsabmessungen des Sensors gleich sind, kann die Empfindlichkeit als Vergrößerung verstanden werden.
Eine höhere Messgenauigkeit kann durch Erhöhung der Empfindlichkeit erreicht werden. Allerdings ist mit zunehmender Empfindlichkeit auch der Messbereich kleiner und die Stabilität schlechter.
Auflösung
Die Auflösung bezieht sich auf die Fähigkeit des Sensors, kleinste gemessene Änderungen zu erfassen. Das heißt, wenn sich die Eingangsmenge langsam von einem Wert ungleich Null ändert. Wenn der Eingangsänderungswert einen bestimmten Wert nicht überschreitet, ändert sich die Ausgabe des Sensors nicht, das heißt, der Sensor kann die Änderung der Eingangsmenge nicht erkennen. Die Ausgabe ändert sich nur, wenn sich das Eingangsvolumen stärker ändert als die Auflösung.
Im Allgemeinen ist die Auflösung jedes Punkts im gesamten Skalenbereich des Sensors nicht gleich. Daher wird der maximale Änderungswert des Eingangs, der eine stufenweise Änderung des Ausgangs im gesamten Bereich bewirken kann, häufig als Indikator zur Messung der Auflösung verwendet. Wenn der obige Indikator als Prozentsatz des gesamten Bereichs ausgedrückt wird, spricht man von Auflösung. Die Auflösung korreliert negativ mit der Stabilität des Sensors.