Классификация и основные характеристики датчиков

Как уже говорилось, датчики (сенсоры) информируют о состоянии внешней среды путём взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрические сигналы.

По принципу действия датчики укрупненно делятся на физические и химические. Первые построены на основе физических, вторые — на основе химических явлений. Но, строго говоря, имеются датчики, которые нельзя чётко отнести к тому или иному типу. Практически подавляющее большинство современных датчиков работает на основе физических принципов. Основные физические явления, положенные в основу преобразования физических величин в датчиках косвенного типа, предоставлены в таблице 1.1. Для химических датчиков характерно наличие многих проблем, связанных преимущественно с надёжностью, приспособленностью к массовому производству и стоимостью. В настоящее время многие из этих трудностей постепенно преодолеваются, поэтому в будущем химические датчики найдут широкое применение, в особенности как датчики запаха, вкуса или датчики медицинской электроники, вводимые в живой объект.

Таблица 1.1

Физические явления и преобразования энергии на их основе.

В настоящее время интенсивно ведётся разработка принципиально новых приборов, построенных с использованием биодатчиков.

Биодатчиками называют миниатюрные устройства, преобразующие информацию о количественном и качественном составе исследуемой среды в электрический сигнал с помощью биологических веществ, избирательно реагирующих на компоненты этой среды. В основе функционирования биодатчика лежит специфическая химическая реакция преобразования анализируемого компонента (окисление, восстановление, расщепление и т. д.) с помощью соответствующих ферментов в новое вещество или ряд веществ, одно из которых обнаруживается чаще всего электрохимическим датчиком.

Биодатчик представляет собой соединения биокатализатора с электрохимическим или другим типом датчика. В качестве биокатализатора используются не только ферменты, но и микроорганизмы, а также животные или растительные ткани. Чаще всего в биосенсорах используют те же принципы измерений, что и в других сенсорах, например электрохимических.

Эволюция развития живых существ привела к созданию очень чувствительных органов, реагирующих на присутствие в воздухе даже нескольких молекул определённых веществ. Чувствительные элементы, созданные людьми на основе биологически активных материалов, хотя и не обладают такой высокой чувствительностью, но в комбинации с другими детекторами (например, амперометрическими или тепловыми) могут качественно и количественно определять ряд биологических компонентов, таких как простейшие организмы, клетки, ткани, органеллы, мембраны, ферменты, рецепторы, антитела и нуклеиновые кислоты. По существу, биохимические датчики являются биореакторами, сформированными на основе обычных химических детекторов, поэтому их принцип действия базируется на процессах диффузии исследуемых растворов, на анализе продуктов реакции и на кинетике изучаемых процессов.

При изготовлении биодетекторов ключевой проблемой является прикрепление биоматериала к физическому преобразователю. При этом:

• — биоматериал должен удерживаться на поверхности чувствительного элемента в течение всего его срока службы;
• — должен быть обеспечен контакт биоматериала и исследуемого раствора;
• — продукты реакции должны беспрепятственно диффундировать с поверхности биоматериала;
• — исследуемый раствор и продукты реакции не должны менять свойства биоматериала.

Большинство биологически активных материалов являются протеинами или содержат протеины в своих структурах. Для прикрепления протеинов на поверхности детектора применяются два метода: связывание или физическое удержание. Адсорбция и установление ковалентных связей являются двумя вариантами метода связывания. Способ физического удержания заключается в отделении биоматериала от анализируемого раствора при помощи специального покрытия, нанесённого на поверхность детектора. Такое покрытие должно быть проницаемым для исследуемого состава и продуктов реакции, но не для биоматериала.

Датчики с энзимным слоем обладают высокой избирательной способностью. Энзимы (ферменты) являются катализаторами — протеинами с высоким молекулярным весом, найденными в живых организмах. Они обладают двумя замечательными свойствами:

• — имеют очень высокую селективность при соответствующем выборе подложки;
• — значительно повышают скорость химических реакций. Поэтому датчики, реализованные на их основе, имеют и хорошую избирательную способность, и высокий выходной сигнал. Максимальная скорость реакции пропорциональна концентрации ферментов.

На рисунке 1.4 показана схема энзимного детектора.

Рис. 1.4. Схема энзимного детектора Роль чувствительного элемента может выполнять либо тепловой, либо электрохимический, либо оптический детектор. Энзимы действуют только в водной среде, поэтому они, как правило, размещаются в гидрогеле. Принцип действия таких детекторов заключается в том, что ферменты (катализаторы), удерживаемые в специальном слое, вступают в реакцию с элементами подложки, проникающими в этот слой за счёт процессов диффузии. Продукты этой реакции диффундируют в исследуемый раствор. Все остальные участники реакции попадают в реакционный слой и выводятся из него также диффузионным способом. В результате протекающих реакций меняются свойства энзимного слоя, что и регистрируется чувствительным элементом.

Во многих случаях необходимый межеранд (измеряемая величина или оцениваемое свойство) может быть непосредственно воспринят инвазивным или неинвазивным сенсором. Принцип такого преобразования показан на рисунке 1.5, а. Если требуемый межеранд недоступен для прямого измерения, то используют другой межеранд, который определённым образом связан с изучаемым, или же на объект измерения направляют энергию специфического вида, с помощью которой исследуемый межеранд становится доступным для измерения. Такой процесс реализуется с помощью датчиков косвенного типа, в которых явление, обусловленное непосредственным взаимодействием с внешней средой, преобразуется в другое явление (или ряд других), а последнее — в электрический сигнал (рис. 1.5, б).

С помощью таких косвенных методов измерения определяют величину сердечного выброса (объём крови, прокачиваемый сердцем за одну минуту), который получают по результатам измерения параметров дыхания и концентрации газов в крови или по данным разведения красителя. Другими примерами являются определение морфологических характеристик внутренних органов на основании анализа рентгеновских снимков, а также оценка параметров дыхания с помощью различных вариантов импедансной плетизмографии.

Рис. 1.5. Принцип работы датчика с прямым (а) и косвенным (б) преобразователем Таким образом, датчик — это техническое устройство, построенное на определённом физическом или химическом принципе действия, выполняющее одно частное измерительное преобразование. Работа датчика протекает в сложных условиях, так как объект измерения — это, как правило, сложный, многогранный процесс, характеризующийся множеством параметров, каждый из которых действует на датчик совместно с остальными параметрами. Нас же интересует только один параметр, который называется измеряемой величиной, а все остальные параметры процесса считаем помехами. Поэтому у каждого датчика целесообразно установить его естественную входную величину, которая лучше всего воспринимается им на фоне помех. Подобным образом можно выделить естественную выходную величину преобразователя.

По виду естественной выходной электрической величины датчики подразделяются на две большие группы: генераторные (с выходной величиной е =f (x) или i =f (x) и внутренним сопротивлением Z_ih = const) и параметрические (с ЭДС е = 0 и выходной величиной в виде изменения R, L или С функции измеряемой величины X).

Функция преобразования датчика — это функциональная зависимость выходной величины от входной, описываемая аналитическим выражением или графиком. Чаще всего стремятся иметь линейную характеристику преобразования, то есть прямую пропорциональность между изменением входной величины и соответствующим приращением выходной величины датчика.

Для описания линейной характеристики датчика L = U (X) = L_{0 + S х х X достаточно двух параметров: начального значения выходной величины L0 (нулевого уровня), соответствующего нулевому или какомулибо другому характерному значению входной величины X, и показа;}

с ^L~Lo

теля относительного наклона характеристики S--—, называемого чувствительностью датчика. ^

Чувствительность преобразователя — это, как правило, именованная величина с разнообразными единицами, зависящими от природы входной и выходной величины, например, Ом/мм, мВ/К, мм/мкА. Иногда удобно характеризовать датчик порогом чувствительности, под которым понимается изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение выходной величины. Наиболее характерным показателем качества датчика является полный диапазон датчика, _ х_н

определяемый как = —-, где х_н — естественный предел измерения, До Д₀ — порог чувствительности.

Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергий, которые можно использовать для создания датчиков.