¿Cuáles son las estructuras, principios y características de los sensores del medio marino?

Sensor 1. Definición de sensor (transductor) La norma nacional GB7665-87 define un sensor como: "un dispositivo o dispositivo que puede detectar el valor medido especificado y convertirlo en una señal utilizable de acuerdo con ciertas reglas , generalmente compuesto por componentes sensibles y componentes de conversión". Un sensor es un dispositivo de detección que puede detectar la información medida y convertir la información detectada en señales eléctricas u otras formas requeridas de salida de información de acuerdo con ciertas reglas para satisfacer las necesidades de transmisión, procesamiento, almacenamiento, visualización, registro y requisitos de control de la información. Es el enlace principal para realizar la detección y el control automáticos. 2. Clasificación de los sensores Los sensores se pueden clasificar desde diferentes perspectivas: sus principios de conversión (los efectos físicos o químicos básicos del funcionamiento del sensor, sus tipos de señales de salida y los materiales y procesos utilizados para fabricarlos, etc.); Según el principio de funcionamiento del sensor, se puede dividir en dos categorías: sensor físico y sensor químico Clasificación del principio de funcionamiento del sensor: Los sensores físicos aplican efectos físicos, como efecto piezoeléctrico, fenómeno de magnetoestricción, ionización, polarización. termoelectricidad, fotoelectricidad, magnetismo, efectos eléctricos. Pequeños cambios en la cantidad de señal medida se convertirán en señales eléctricas. Los sensores químicos incluyen aquellos que están causalmente relacionados con fenómenos como la adsorción química y las reacciones electroquímicas. Los pequeños cambios en la cantidad de señal medida también se convierten en señales eléctricas. Algunos sensores no se pueden clasificar en categorías físicas o químicas. La mayoría de los sensores funcionan según principios físicos. Hay muchos problemas técnicos con los sensores químicos, como problemas de confiabilidad, la posibilidad de producción a gran escala, problemas de precios, etc. Si estos problemas se resuelven, la aplicación de sensores químicos experimentará un enorme crecimiento. Los campos de aplicación y principios de funcionamiento de los sensores comunes se enumeran en la Tabla 1.1. Según sus usos, los sensores se pueden clasificar en: sensores sensibles a la presión y a la fuerza, sensores de posición, sensores de nivel de líquido, sensores de consumo de energía, sensores de velocidad, sensores térmicos, sensores de aceleración, sensores de radiación, sensores de vibración, sensores de humedad, magnéticos sensores, sensores de gas, sensores de vacío, biosensores, etc. Los sensores se pueden dividir en: Sensores analógicos: convierten cantidades no eléctricas medidas en señales eléctricas analógicas en función de sus señales de salida. Sensor digital: convierte la cantidad no eléctrica medida en una señal de salida digital (incluida la conversión directa e indirecta). Sensor digital: convierte la cantidad de señal medida en una señal de frecuencia o una señal de salida de período corto (incluida la conversión directa o indirecta). Sensor de conmutación: cuando una señal medida alcanza un cierto umbral, el sensor emite una señal establecida de nivel bajo o alto en consecuencia. Bajo la influencia de factores externos, todos los materiales reaccionarán de manera correspondiente y característica. Para fabricar los elementos sensibles del sensor se utilizan aquellos materiales entre ellos que son más sensibles a los efectos externos, es decir, aquellos con propiedades funcionales. Desde la perspectiva de los materiales utilizados, los sensores se pueden dividir en las siguientes categorías: (1) Según el tipo de materiales utilizados, se clasifican en mezclas de metal, polímero y cerámica (2) Según las propiedades físicas de los materiales, se clasificados en conductores, aislantes, materiales magnéticos semiconductores (3) Según los materiales El trabajo de desarrollo de sensores estrechamente relacionado con la estructura cristalina de materiales amorfos policristalinos monocristalinos y el uso de nuevos materiales se puede resumir en las siguientes tres direcciones: (1) Explorar nuevos fenómenos, efectos y reacciones en materiales conocidos y luego utilizarlos. Pueden encontrar un uso práctico en la tecnología de sensores. (2) Explorar nuevos materiales y aplicar aquellos fenómenos, efectos y reacciones conocidos para mejorar la tecnología de sensores. (3) Explorar nuevos fenómenos, nuevos efectos y reacciones basándose en la investigación de nuevos materiales e implementarlos en la tecnología de sensores. El progreso de la fabricación moderna de sensores depende de la intensidad del desarrollo de nuevos materiales y componentes sensibles para la tecnología de sensores. Las tendencias básicas en el desarrollo de sensores están estrechamente relacionadas con la aplicación de materiales semiconductores y dieléctricos. La Tabla 1.2 muestra algunos materiales que se pueden utilizar en tecnología de sensores y que son capaces de convertir formas de energía.

Según su proceso de fabricación, los sensores se pueden distinguir en: Sensores integrados Sensores de película delgada Sensores de película gruesa Sensores cerámicos Los sensores integrados se fabrican utilizando tecnología de proceso estándar para la producción de circuitos integrados semiconductores basados ​​en silicio. Normalmente, algunos circuitos utilizados para el procesamiento preliminar de la señal medida también están integrados en el mismo chip. Los sensores de película delgada se forman depositando películas delgadas de materiales sensibles correspondientes sobre un sustrato dieléctrico (sustrato). Cuando se utiliza un proceso híbrido, parte del circuito también se puede fabricar sobre este sustrato. Los sensores de película gruesa se fabrican recubriendo la suspensión de los materiales correspondientes sobre un sustrato cerámico. El sustrato generalmente está hecho de Al2O3 y luego se trata térmicamente para formar una película gruesa. Los sensores cerámicos se producen mediante procesos cerámicos estándar o alguna variante de los mismos (sol-gel, etc.). Después de las correspondientes operaciones preparatorias, las piezas moldeadas se sinterizan a altas temperaturas. Existen muchas similitudes entre los dos procesos de sensores cerámicos y de película gruesa. En algunos aspectos, el proceso de película gruesa puede considerarse una variante del proceso cerámico. Cada tecnología de proceso tiene sus propias ventajas y desventajas. Debido a la baja inversión de capital requerida para la investigación, el desarrollo y la producción, así como a la alta estabilidad de los parámetros del sensor, el uso de sensores cerámicos y de película gruesa es más razonable. 3. Características estáticas del sensor Las características estáticas del sensor se refieren a la relación mutua entre la señal de entrada estática, la cantidad de salida del sensor y la cantidad de entrada. Debido a que la cantidad de entrada y la cantidad de salida son independientes del tiempo en este momento, la relación entre ellas, es decir, las características estáticas del sensor, se puede usar como una ecuación algebraica sin variables de tiempo, o la cantidad de entrada se puede usar como abscisa. , y la cantidad de salida correspondiente es. Se describe la curva característica dibujada a lo largo de la ordenada. Los principales parámetros que caracterizan las características estáticas del sensor son: linealidad, sensibilidad, resolución e histéresis. 4. Características dinámicas del sensor Las llamadas características dinámicas se refieren a las características de la salida del sensor cuando cambia la entrada. En el trabajo real, las características dinámicas de un sensor a menudo se expresan por su respuesta a ciertas señales de entrada estándar. Esto se debe a que la respuesta del sensor a la señal de entrada estándar es fácil de obtener experimentalmente y existe una cierta relación entre su respuesta a la señal de entrada estándar y su respuesta a cualquier señal de entrada. Conocer la primera a menudo puede inferir la segunda. Las señales de entrada estándar más comúnmente utilizadas son señales escalonadas y señales sinusoidales, por lo que las características dinámicas del sensor también se expresan comúnmente en términos de respuesta escalonada y respuesta de frecuencia. 5. Linealidad del sensor Normalmente, la salida característica estática real del sensor es una curva en lugar de una línea recta. En el trabajo real, para que el instrumento tenga una lectura de escala uniforme, a menudo se utiliza una línea recta ajustada para representar aproximadamente la curva característica real. La linealidad (error no lineal) es un índice de rendimiento de esta aproximación. Hay muchas maneras de seleccionar la línea recta adecuada. Por ejemplo, la línea recta teórica que conecta los puntos de entrada cero y salida de escala completa se utiliza como línea recta de ajuste o la línea recta teórica con la suma más pequeña de desviaciones cuadradas de cada punto de la curva característica se utiliza como recta de ajuste; línea Esta línea recta de ajuste se llama método de mínimos cuadrados. 6. Sensibilidad del sensor La sensibilidad se refiere a la relación entre el cambio de salida △y del sensor y el cambio de entrada △x en condiciones de funcionamiento en estado estable. Es la pendiente de la curva característica salida-entrada. Si existe una relación lineal entre la salida y la entrada del sensor, la sensibilidad S es una constante. De lo contrario, cambiará con la cantidad ingresada. La dimensión de la sensibilidad es la relación entre las dimensiones de las cantidades de salida y de entrada. Por ejemplo, si un sensor de desplazamiento tiene un cambio de voltaje de salida de 200 mV cuando el desplazamiento cambia en 1 mm, su sensibilidad debe expresarse como 200 mV/mm. Cuando las dimensiones de salida y entrada del sensor son las mismas, la sensibilidad puede entenderse como el factor de amplificación. Mejorar la sensibilidad puede conducir a una mayor precisión de la medición. Sin embargo, cuanto mayor sea la sensibilidad, más estrecho será el rango de medición y peor será la estabilidad. 7. Resolución del sensor La resolución se refiere a la capacidad del sensor para detectar el cambio más pequeño en el valor medido. Es decir, si la cantidad de entrada cambia lentamente desde algún valor distinto de cero. Cuando el valor de cambio de entrada no excede un cierto valor, la salida del sensor no cambiará, es decir, el sensor no puede distinguir el cambio en la cantidad de entrada. Sólo cuando el cambio en la entrada exceda la resolución, la salida cambiará.

Por lo general, la resolución del sensor en cada punto dentro del rango de escala completa no es la misma. Por lo tanto, a menudo se usa el valor de cambio máximo en la cantidad de entrada que puede causar un cambio gradual en el valor de salida en el rango de escala completa. como indicador para medir la resolución. Si los indicadores anteriores se expresan como un porcentaje de la escala total, se llama resolución. 8. Sensor resistivo El sensor resistivo es un dispositivo que convierte cantidades físicas como desplazamiento, deformación, fuerza, aceleración, humedad, temperatura, etc. en valores de resistencia. Existen principalmente dispositivos sensores resistivos, como medidores de tensión de resistencia, tipo piezoresistivo, resistencia térmica, sensibles al calor, sensibles a los gases, sensibles a la humedad, etc. 9. Sensor extensímetro de resistencia El extensímetro de resistencia en el sensor tiene un efecto de deformación metálica, es decir, produce deformación mecánica bajo la acción de una fuerza externa, de modo que el valor de resistencia cambia en consecuencia. Hay dos tipos principales de galgas extensométricas de resistencia: metálicas y semiconductoras. Las galgas extensométricas metálicas se dividen en tipo alambre, tipo lámina y tipo película. Las galgas extensométricas para semiconductores tienen las ventajas de una alta sensibilidad (generalmente docenas de veces mayor que la de los tipos de alambre y lámina) y pequeños efectos laterales. 10. Sensor piezoresistivo El sensor piezorresistivo es un dispositivo fabricado mediante la difusión de resistencia sobre el sustrato de material semiconductor basándose en el efecto piezoresistivo del material semiconductor. El sustrato se puede utilizar directamente como elemento sensor de medición y la resistencia de difusión se conecta dentro del sustrato para formar un puente. Cuando el sustrato se deforma por una fuerza externa, cada valor de resistencia cambiará y el puente producirá una salida desequilibrada correspondiente. Los materiales de sustrato (o diafragma) utilizados como sensores piezoresistivos son principalmente obleas de silicio y obleas de germanio. Los sensores piezoresistivos de silicio hechos de obleas de silicio como materiales sensibles han atraído cada vez más atención, especialmente para medir la presión y los sensores piezoresistivos. son los más comúnmente utilizados. 11. Sensor de resistencia térmica El sensor de resistencia térmica utiliza principalmente la característica de que el valor de resistencia cambia con la temperatura para medir la temperatura y los parámetros relacionados con la temperatura. Este tipo de sensor es más adecuado en situaciones en las que se requiere que la precisión de la detección de temperatura sea relativamente alta. En la actualidad, los materiales de resistencia térmica más utilizados son el platino, el cobre, el níquel, etc. Tienen las características de un gran coeficiente de resistencia a la temperatura, buena linealidad, rendimiento estable, amplio rango de temperaturas de funcionamiento y fácil procesamiento. Se utiliza para medir temperaturas en el rango de -200°C a 500°C. 12. Características de histéresis del sensor Las características de histéresis representan el grado de inconsistencia entre las curvas características de salida-entrada del sensor entre las carreras directa (el volumen de entrada aumenta) y inversa (el volumen de entrada disminuye). habitualmente utilizado. La diferencia máxima ΔMAX se expresa como un porcentaje de la salida de escala completa F·S. La histéresis puede ser causada por la absorción de energía presente en los componentes internos del sensor.