Convertidor que mide una cantidad física y la convierte en señal
Un sensor es un dispositivo que produce una señal de salida con el fin de detectar un fenómeno físico.
En la definición más amplia, un sensor es un dispositivo, módulo, máquina o subsistema que detecta eventos o cambios en su entorno y envía la información a otros dispositivos electrónicos, frecuentemente un procesador de computadora.
Los sensores se utilizan en objetos cotidianos como botones de ascensor sensibles al tacto ( sensor táctil ) y lámparas que se atenúan o iluminan al tocar la base, y en innumerables aplicaciones de las que la mayoría de la gente nunca es consciente. Con los avances en micromaquinaria y plataformas de microcontroladores fáciles de usar , los usos de los sensores se han expandido más allá de los campos tradicionales de medición de temperatura, presión y flujo, [1] por ejemplo, a los sensores MARG .
Los sensores analógicos, como los potenciómetros y las resistencias de detección de fuerza, todavía se utilizan ampliamente. Sus aplicaciones incluyen fabricación y maquinaria, aviones y aeroespacial, automóviles, medicina, robótica y muchos otros aspectos de nuestra vida cotidiana. Existe una amplia gama de otros sensores que miden las propiedades químicas y físicas de los materiales, incluidos sensores ópticos para medir el índice de refracción, sensores vibratorios para medir la viscosidad de los fluidos y sensores electroquímicos para monitorear el pH de los fluidos.
La sensibilidad de un sensor indica cuánto cambia su salida cuando cambia la cantidad de entrada que mide. Por ejemplo, si el mercurio en un termómetro se mueve 1 cm cuando la temperatura cambia 1 °C, su sensibilidad es 1 cm/°C (básicamente es la pendiente dy/dx suponiendo una característica lineal). Algunos sensores también pueden afectar lo que miden; por ejemplo, un termómetro a temperatura ambiente insertado en una taza de líquido caliente enfría el líquido mientras el líquido calienta el termómetro. Los sensores suelen estar diseñados para tener un pequeño efecto sobre lo que se mide; Hacer el sensor más pequeño a menudo mejora esto y puede introducir otras ventajas. [2]
El progreso tecnológico permite fabricar cada vez más sensores a escala microscópica como microsensores utilizando tecnología MEMS . En la mayoría de los casos, un microsensor alcanza un tiempo de medición significativamente más rápido y una mayor sensibilidad en comparación con los enfoques macroscópicos . [2] [3] Debido a la creciente demanda de información rápida, asequible y confiable en el mundo actual, los sensores desechables (dispositivos de bajo costo y fáciles de usar para monitoreo a corto plazo o mediciones de disparo único) recientemente han ganado cada vez más popularidad. importancia. Con esta clase de sensores, cualquier persona puede obtener información analítica crítica, en cualquier lugar y en cualquier momento, sin necesidad de recalibración ni de preocuparse por la contaminación. [4]
Clasificación de errores de medición.
Un buen sensor obedece las siguientes reglas: [4]
es sensible a la propiedad medida
es insensible a cualquier otra propiedad que pueda encontrarse en su aplicación, y
no influye en la propiedad medida.
La mayoría de los sensores tienen una función de transferencia lineal . Luego, la sensibilidad se define como la relación entre la señal de salida y la propiedad medida. Por ejemplo, si un sensor mide temperatura y tiene salida de voltaje, la sensibilidad es constante con las unidades [V/K]. La sensibilidad es la pendiente de la función de transferencia. Para convertir la salida eléctrica del sensor (por ejemplo, V) a las unidades medidas (por ejemplo, K), es necesario dividir la salida eléctrica por la pendiente (o multiplicarla por su recíproco). Además, con frecuencia se suma o resta una compensación. Por ejemplo, se debe agregar −40 a la salida si la salida de 0 V corresponde a la entrada de −40 C.
Para que la señal de un sensor analógico pueda procesarse o utilizarse en equipos digitales, es necesario convertirla en una señal digital mediante un convertidor de analógico a digital .
Desviaciones del sensor
Dado que los sensores no pueden replicar una función de transferencia ideal , pueden ocurrir varios tipos de desviaciones que limitan la precisión del sensor :
Dado que el rango de la señal de salida siempre es limitado, la señal de salida eventualmente alcanzará un mínimo o un máximo cuando la propiedad medida exceda los límites. El rango de escala completa define los valores máximo y mínimo de la propiedad medida. [ cita necesaria ]
En la práctica, la sensibilidad puede diferir del valor especificado. Esto se llama error de sensibilidad. Este es un error en la pendiente de una función de transferencia lineal.
Si la señal de salida difiere del valor correcto en una constante, el sensor tiene un error de compensación o polarización . Este es un error en la intersección y de una función de transferencia lineal.
La no linealidad es la desviación de la función de transferencia de un sensor de una función de transferencia en línea recta. Por lo general, esto se define por la diferencia entre la salida y el comportamiento ideal en todo el rango del sensor, a menudo expresado como un porcentaje del rango completo.
La desviación causada por cambios rápidos de la propiedad medida a lo largo del tiempo es un error dinámico . A menudo, este comportamiento se describe con un diagrama de Bode que muestra el error de sensibilidad y el cambio de fase en función de la frecuencia de una señal de entrada periódica.
Si la señal de salida cambia lentamente independientemente de la propiedad medida, esto se define como deriva . La deriva a largo plazo durante meses o años es causada por cambios físicos en el sensor.
El ruido es una desviación aleatoria de la señal que varía en el tiempo.
Un error de histéresis hace que el valor de salida varíe dependiendo de los valores de entrada anteriores. Si la salida de un sensor es diferente dependiendo de si se alcanzó un valor de entrada específico aumentando o disminuyendo la entrada, entonces el sensor tiene un error de histéresis.
Si el sensor tiene una salida digital, la salida es esencialmente una aproximación de la propiedad medida. Este error también se denomina error de cuantificación .
Si la señal se monitorea digitalmente, la frecuencia de muestreo puede causar un error dinámico, o si la variable de entrada o el ruido agregado cambia periódicamente a una frecuencia cercana a un múltiplo de la frecuencia de muestreo, pueden ocurrir errores de aliasing .
El sensor puede, hasta cierto punto, ser sensible a propiedades distintas a la propiedad que se está midiendo. Por ejemplo, la mayoría de los sensores están influenciados por la temperatura de su entorno.
Todas estas desviaciones se pueden clasificar como errores sistemáticos o errores aleatorios . En ocasiones, los errores sistemáticos pueden compensarse mediante algún tipo de estrategia de calibración . El ruido es un error aleatorio que puede reducirse mediante el procesamiento de señales , como el filtrado, normalmente a expensas del comportamiento dinámico del sensor.
Resolución
La resolución del sensor o resolución de medición es el cambio más pequeño que se puede detectar en la cantidad que se está midiendo. La resolución de un sensor con salida digital suele ser la resolución numérica de la salida digital. La resolución está relacionada con la precisión con la que se realiza la medición, pero no son lo mismo. La precisión de un sensor puede ser considerablemente peor que su resolución.
El sensor puede, hasta cierto punto, ser sensible a propiedades distintas a la propiedad que se está midiendo. Por ejemplo, la mayoría de los sensores están influenciados por la temperatura de su entorno.
sensor químico
Un sensor químico es un dispositivo analítico autónomo que puede proporcionar información sobre la composición química de su entorno, es decir, una fase líquida o gaseosa . [5] [6] La información se proporciona en forma de una señal física mensurable que se correlaciona con la concentración de una determinada especie química (denominada analito ). En el funcionamiento de un sensor químico intervienen dos pasos principales: reconocimiento y transducción . En la etapa de reconocimiento, las moléculas de analito interactúan selectivamente con moléculas receptoras o sitios incluidos en la estructura del elemento de reconocimiento del sensor. En consecuencia, varía un parámetro físico característico y esta variación se reporta mediante un transductor integrado que genera la señal de salida. Un sensor químico basado en material de reconocimiento de naturaleza biológica es un biosensor . Sin embargo, como los materiales biomiméticos sintéticos van a sustituir en cierta medida a los biomateriales de reconocimiento, resulta superflua una distinción tajante entre un biosensor y un sensor químico estándar. Los materiales biomiméticos típicos utilizados en el desarrollo de sensores son polímeros y aptámeros de impresión molecular . [7]
Conjunto de sensores químicos
Una matriz de sensores químicos es una arquitectura de sensor con múltiples componentes de sensor que crean un patrón para la detección de analitos a partir de las respuestas aditivas de componentes de sensor individuales. Existen varios tipos de conjuntos de sensores químicos, incluidos dispositivos electrónicos, ópticos, de ondas acústicas y potenciométricos. Estos conjuntos de sensores químicos pueden emplear múltiples tipos de sensores que tienen reacción cruzada o están sintonizados para detectar analitos específicos. [8] [9] [10] [11]
Los sensores neuromórficos son sensores que imitan físicamente estructuras y funciones de entidades neuronales biológicas. [12] Un ejemplo de esto es la cámara de eventos .
La tecnología MOS es la base de los sensores de imagen modernos , incluido el dispositivo de carga acoplada (CCD) y el sensor de píxeles activos CMOS (sensor CMOS), utilizados en imágenes digitales y cámaras digitales . [17] Willard Boyle y George E. Smith desarrollaron el CCD en 1969. Mientras investigaban el proceso MOS, se dieron cuenta de que una carga eléctrica era la analogía de la burbuja magnética y que podía almacenarse en un pequeño condensador MOS. Como era bastante sencillo fabricar una serie de condensadores MOS seguidos, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera pasar de uno al siguiente. [17] El CCD es un circuito semiconductor que posteriormente se utilizó en las primeras cámaras de vídeo digitales para retransmisiones televisivas . [18]
El sensor de píxeles activos (APS) MOS fue desarrollado por Tsutomu Nakamura en Olympus en 1985. [19] El sensor de píxeles activos CMOS fue desarrollado posteriormente por Eric Fossum y su equipo a principios de los años 1990. [20]
Los sensores de imagen MOS se utilizan ampliamente en la tecnología de ratones ópticos . El primer ratón óptico, inventado por Richard F. Lyon en Xerox en 1980, utilizaba un chip sensor NMOS de 5 μm . [21] [22] Desde el primer ratón óptico comercial, el IntelliMouse introducido en 1999, la mayoría de los dispositivos de ratón óptico utilizan sensores CMOS. [23]
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