Повна версія

Головна arrow Екологія arrow ЕКОЛОГІЧНИЙ МОНІТОРИНГ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

СЕНСОРИ

На рис. 9.6 як приклад показана блок-схема температурного сенсора. Він працює таким чином. Нехай мірою будь-якої величини Ф є температура (перетворення Ф -> 7), тоді вплив температури на терморезистор викликає зміна його опору (перетворення Т -> R). У свою чергу, зміна опору призводить до разбалансу моста і появи різниці напруг U, тобто /? -> [/. Надалі цю напругу, пропорційне величині Ф, посилюється, лінеарізуется, компенсується і т.д., а також проводиться аналого цифрове перетворення вихідного сигналу. При цьому сенсор може видавати як аналоговий, так і цифровий сигнал.

Блок-схема температурного сенсора

Мал. 9.6. Блок-схема температурного сенсора:

  • 1 - перетворювач сигналу; 2 - терморезистор; 3 - міст опорів;
  • 4 - підсилювач; 5 - лінеарізатор, нормуючий перетворювач, компаратор і т.д .;
  • 6 - АЦП

Сенсор - це один з видів інтелектуальних ІП, що забезпечує додаткові функції в порівнянні з тими, які необхідні для створення правильного відображення сприймається або контрольованої величини (IEEE 1451.2).

Сенсор включає в себе;

  • • ПІП, що генерує електричні сигнали як відгук фізичних властивостей об'єкта вимірювання;
  • • ІП, службовець для формування сигналу і перетворення даних - сигнал модифікують, підсилюють і перетворять в потік квантування за часом цифрових даних, що надходять далі в мікропроцесор;
  • • мікропроцесор з власною пам'яттю і програмним забезпеченням.

Сенсорами є чутливі елементи невеликих розмірів, що генерують аналітичний сигнал, інтенсивність якого залежить від концентрації визначуваної речовини в об'єкті. На відміну від тест-методів, сенсори дозволяють проводити не візуальне, а кількісний вимір змісту речовини.

Існує три типи сенсорів: фізичні, хімічні і біосенсори. У фізичних сенсорах будь-які реакції відсутні, а під впливом аналізованого речовини змінюються його електричні, теплові, магнітні, спектральні та інші характеристики.

Сенсори також класифікують па основі способу реєстрації аналітичного сигналу: електричні, електрохімічні, оптичні, чутливі до вимірювання маси і т.д.

До електричних сенсорів відносять напівпровідникові пристрої з електронною провідністю на основі оксидів Sn, Zn, Cd, Cr, Ti, W, V, органічні напівпровідники (хелати фталоцианинов, порфина і інші органічні сполуки), польові транзісторои і ін. Найбільш перспективними є польові транзистори, в яких металевий контакт затвора замінений хімічно чутливим шаром і електродом порівняння. До їх головних достоїнств відносять невеликі розміри (1-2 мм 2 ) і масу, швидкодія.

В електрохімічних сенсорах хімічне перетворення і генерація аналітичного вихідного сигналу протікають в мініатюрній електрохімічної осередку, яка виконує роль ионоселективного електрода з рідкої або твердої мембраною. Найбільш поширені потенциометрические і амперометричні сенсори, мембрани яких можуть містити як хімічні, так і біохімічні компоненти. За допомогою електрохімічних сенсорів визначають іонні і нейтральні з'єднання органічної і неорганічної природи, а також гази і біологічно активні речовини в широкому діапазоні концентрацій (2-4 порядку).

Дія оптичних сенсорів (оптодов - оптичних електродів) засновано на вимірі поглинання і відбиття падаючого світлового потоку, люмінесценції або теплового ефекту, супроводжуючого поглинання світла рецептором. У волоконно-оптичних сенсорах фоточувстві- вальний реагент може бути иммобилизован на поверхні волокна світловода. Розроблено оптичні сенсори для визначення pH, іонів металів, аніонів, глюкози, сечовини, пероксиду водню, газів, деяких органічних сполук в об'єктах ОС, медицині, промисловості.

Сенсори можуть входити до складу більш складних аналітичних приладів. Для підвищення вибірковості на вході сенсорів іноді поміщають селективні мембрани. Мембрана може також концентрувати визначається компонент і сприяти підвищенню чутливості його визначення.

На основі сенсорів розробляють аналізатори, які представляють собою сукупність паралельних каналів вимірювання з сенсорами, кожен їх яких дає інформацію про концентрацію окремого компонента. Такі аналізатори забезпечують аналіз складних багатокомпонентних сумішей.

Останнім часом з'явилося таке перспективний напрямок науки і техніки, як нанотехнологія.

Наносенсор - це будь-які біологічні, хімічні або інші сенсорні точки для передачі інформації про наночастицах на макроскопічний рівень. На даний момент наносенсори виготовляють декількома способами: низхідній літографією, висхідній складанням, молекулярної самосборке і ін.

Медичне застосування наносенсорів пов'язано з їх здатністю точно ідентифікувати необхідні клітини і області організму. За рахунок вимірювання змін обсягу, концентрації, зміщення і швидкості гравітаційних, електричних і магнітних сил, тиску або температури клітин організму наносенсори здатні розрізняти окремі клітини, в основному ракові, на молекулярному рівні з метою доставки препаратів або моніторингу розвитку певних областей організму. Прикладом наносеісора може служити сенсор, який використовує флуоресцентні властивості квантових точок селеніду кадмію для пошуку пухлин. У природі найбільш поширені і масово виробляються наносенсори відносяться до класу біологічних. Вони є природними рецепторами зовнішніх подразників. Наприклад, нюх, особливо у тварин, засноване на рецепторах, що уловлюють молекули нанорозмірів. Деякі рослини також використовують наносенсори для уловлювання ультрафіолету.

У хімічних наносенсорів використовують нанотрубки для детектування окремих властивостей молекул в газовій фазі. Карбонові нанотрубки застосовують для визначення іонізації молекул в газовій фазі, в той час як титанові нанотрубки детектируют концентрацію водню в атмосфері на молекулярному рівні.

Залежно від матеріалу, що становить основу наносенсорів, їх ділять па чотири групи: металооксидних, кремнієві, металеві та вуглецеві (табл. 9.4).

Таблиця 9.4

Вимірювальні перетворювачі на наносенсорів

Тип ІІ

Група наносенсорів

металооксидних

кремнієві

металеві

У глеродние

електричний

+

+

+

+

оптичний

+

+

-

+

акустичний

+

-

-

+

ІП всіх трьох типів застосовують в наносенсорів для контролю газового середовища. Разом з тим оптичні та акустичні ІП можуть бути використані для аналізу рідких середовищ.

Електронний ніс - це мікро-або Нанопристрій, яке розпізнає характерні компоненти запаху і проводить аналіз його хімічного складу. Електронний ніс складається з пристрою хімічного детектування (виявлення), наприклад матриці наносенсорів, і пристрої розпізнавання (речовини, запаху), наприклад нейронної мережі. Запах складається з молекул речовини, кожна з яких має певні розмір і форму. У кожній такій молекули в носі знаходяться відповідний її розміром і формою рецептор. Коли певний рецептор сприймає впливає на нього молекулу, він відправляє сигнал в мозок, який ідентифікує запах, пов'язаний з цією конкретною молекулою. Електронний ніс імітує біологічну модель носа: сенсори замінюють рецептори і пересилають сигнал в цифровий процесор.

На рис. 9.7 показаний сенсор, що складається з 16 паподатчіков, розташованих на кремнієвій підкладці. Кожен з них визначає концентрацію тільки одного хімічного елемента, але всі разом вони можуть виявити присутність цілого ряду досить складних хімічних сполук.

газовий сенсор

Мал. 9.7. газовий сенсор

 
<<   ЗМІСТ   >>