ตัวรับรู้

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
สำหรับความหมายอื่น ดูที่ เซ็นเซอร์

ตัวรับรู้ หรือ เซ็นเซอร์ (อังกฤษ: sensor) เป็นตัวแปลงที่วัดปริมาณทางกายภาพ (อังกฤษ: physical quantity) แล้วแปลงไปเป็นสัญญาณที่สามารถอ่านได้โดยผู้เฝ้าดูหรือด้วยเครื่องมือ(ที่ส่วนใหญ่ในปัจจุบันเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์) ตัวอย่างเช่น ปรอทในเทอร์โมมิเตอร์แก้วจะแปลงอุณหภูมิที่วัดได้ด้วยการขยายหรือหดตัวของปรอทซึ่งผู้เฝ้าดูสามารถอ่านได้บนสเกลที่ผ่านการสอบเทียบมาแล้ว อีกตัวอย่างหนึ่งคือตัวเชื่อมอุณหภูมิ(อังกฤษ: thermocouple) จะแปลงค่าอุณหภูมิให้เป็นแรงดันไฟฟ้า ซึ่งสามารถอ่านได้ด้วยโวลต์มิเตอร์ เพื่อความแม่นยำในการวัด เซ็นเซอร์ทุกชนิดจะต้องผ่านการสอบเทียบ (อังกฤษ: calibrate) โดยเทียบกับค่ามาตรฐานที่เป็นที่ยอมรับ

เซนเซอร์ถูกใช้ในอุปกรณ์ประจำวัน เช่นปุ่มกดลิฟท์ที่ไวต่อการสัมผัส(เซ็นเซอร์สัมผัส) และโคมไฟที่สลัวหรือสว่างขึ้นโดยการสัมผัสที่ฐาน นอกจากนี้ยังมีการใช้งานเซ็นเซอร์ที่นับไม่ถ้วนที่คนส่วนใหญ่ไม่ได้รับรู้ การใช้งานรวมถึงรถยนต์, เครื่องไฟฟ้า, การบินและอวกาศ, การแพทย์, การผลิต และหุ่นยนต์

เซ็นเซอร์เป็นอุปกรณ์อย่างหนึ่งที่ตอบสนองต่อปริมาณที่นำเข้าโดยการสร้างเอาท์พุทที่เกี่ยวข้องกับการทำงาน ที่มักจะอยู่ในรูปของสัญญาณไฟฟ้าหรือสัญญาณแสง ความไวของเซ็นเซอร์แสดงให้เห็นด้วยปริมาณการเปลี่ยนแปลงของเอาท์พุทที่จะเปลี่ยนแปลงเมื่อปริมาณที่กำลังทำการวัด เปลี่ยนแปลงไป ตัวอย่างเช่น ถ้าสารปรอทในเทอร์โมมิเตอร์ขยับไป 1 ซม.เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง 1 องศาเซลเซียส ดังนั้นความไวจะเป็น 1 ซม./°C (มันเป็นอัตรส่วนพื้นฐาน Dy/Dx สมมติว่าเป็นลักษณะเชิงเส้น) เซ็นเซอร์ที่สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงขนาดเล็กมาก เซ็นเซอร์นั้นจะต้องมีความไวที่สูงมาก เซ็นเซอร์ยังมีผลกระทบต่อสิ่งที่พวกมันวัดอีกด้วย; เช่นเทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้วัดอุณหภูมิห้องเมื่อถูกใส่ลงในถ้วยของของเหลวที่ร้อนจะทำให้ของเหลวเย็นตัวลง ในขณะที่ของเหลวทำให้เทอร์โมมิเตอร์ร้อนขึ้น เซ็นเซอร์จะต้องถูกออกแบบให้มีผลกระทบกับสิ่งที่ถูกวัดเพียงเล็กน้อย ทำให้เซ็นเซอร์ที่มีขนาดเล็กกว่า มักจะดีกว่า และอาจทำให้เกิดประโยชน์อื่น ๆ ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีช่วยให้มีเซ็นเซอร์มากขึ้นเรื่อยๆในการผลิตในระดับ microscopic ให้เป็น microsensors ใช้เทคโนโลยี MEMS ในกรณีส่วนใหญ่ Microsensor ทำงานด้วยความเร็วที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และด้วยความไวเมื่อเทียบกับวิธี macroscopic

การจำแนกประเภทของข้อผิดพลาดในการวัด[แก้]

ตัวรับส่งสัญญาณอินฟาเรด ที่มีชิ้นส่วนการ ตรวจจับและการส่งผ่านทางด้านซ้าย

เซ็นเซอร์ที่ดีต้องทำตามกฎต่อไปนี้

  • มีความไวต่อคุณสมบัติที่จะวัดเท่านั้น
  • มีความไวต่อคุณสมบัติอื่นใดๆที่อาจจะเกิดขึ้นในการประยุกต์ใช้ของมัน
  • ไม่ได้มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติที่ถูกวัด

เซ็นเซอร์ในอุดมคติจะถูกออกแบบมาให้เป็นเส้นตรงหรือเป็นเส้นตรงกับบางฟังก์ชั่นทางคณิตศาสตร์อย่างง่ายของการวัด, ปกติเป็นลอการิทึม เอาท์พุทของเซ็นเซอร์ดังกล่าวเป็นสัญญาณแอนะล็อกและเป็นสัดส่วนเส้นตรงกับค่าหรือฟังก์ชั่นที่เรียบง่ายของคุณสมบัติที่ถูกวัด จากนั้น ความไวจะถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนระหว่างสัญญาณเอาท์พุท กับคุณสมบัติที่ถูกวัด ตัวอย่างเช่น ถ้าเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ และมีเอาท์พุทแรงดันค่าหนึ่ง ความไวเป็นค่าคงที่กับหน่วย [V/K]; เซ็นเซอร์นี้เป็นเส้นตรง เพราะอัตราส่วนเป็นค่าคงที่ที่ทุกจุดของการวัด

สำหรับสัญญาณเซ็นเซอร์อนาล็อกที่ต้องถูกดำเนินการหรือใช้ในอุปกรณ์ดิจิทัล จะต้องถูกแปลงให้เป็นสัญญาณดิจิทัล โดยใช้ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิตอล(อังกฤษ: analog-to-digital converter หรือ ADC)

การเบี่ยงเบนของเซ็นเซอร์[แก้]

ถ้าเซ็นเซอร์ไม่เป็นอุดมคติ การเบี่ยงเบนหลายประเภทสามารถถูกสังเกตได้ :

  • ความไวในการปฏิบัติอาจแตกต่างจากค่าที่ระบุไว้ สิ่งนี้เรียกว่าข้อผิดพลาดของความไว แต่ เซ็นเซอร์ยังคงเป็นเชิงเส้น
  • เนื่องจาก ช่วงของสัญญาณเอาท์พุทจะถูกจำกัดเสมอ ในที่สุดสัญญาณเอาท์พุทก็จะตกลงถึง ขั้นต่ำสุดหรือขึ้นถึงขั้นสูงสุดเมื่อคุณสมบัติที่ถูกวัดมีค่าเกินขีดจำกัด ช่วงเต็มสเกลจะกำหนดค่า สูงสุด และต่ำสุดของคุณสมบัติที่ถูกวัด
  • ถ้าสัญญาณเอาท์พุทไม่เป็นศูนย์เมื่อคุณสมบัติที่ถูกวัดเป็นศูนย์ เซ็นเซอร์จะมีไบอัสหรือชดเชย สิ่งนี้ถูกกำหนดว่าเป็นเอาท์พุทของเซ็นเซอร์ที่อินพุทเป็นศูนย์
  • ถ้าความไวไม่คงที่ในช่วงการทำงานของเซ็นเซอร์ สิ่งนี้เรียกว่า ไม่เป็นเชิงเส้น ปกติสิ่งนี้มักจะถูกกำหนดโดยปริมาณเอาท์พุทที่แตกต่างจากพฤติกรรมในอุดมคติในช่วงที่เต็มสเกลของเซ็นเซอร์ ที่มักจะถูกตั้งข้อสังเกตว่าร้อยละของการเต็มสเกล
  • ถ้าค่าความเบี่ยงเบนเกิดจากการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของคุณสมบัติที่ถูกวัดเมื่อเวลาผ่านไป มันจะมีข้อผิดพลาดแบบไดนามิก บ่อยครั้งที่พฤติกรรมนี้จะถูกอธิบายด้วยการพล็อตกร๊าฟที่เป็นลางแสดงให้เห็นข้อผิดพลาดที่มีความไวกับเฟสชิฟที่เป็นฟังชั่นของความถี่ของสัญญาณอินพุทเป็นระยะๆ
  • ถ้าสัญญาณเอาท์พุทเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆเป็นอิสระกับคุณสมบัติที่ถูกวัด สิ่งนี้ถูกกำหนดให้เป็น 'ดริฟท์'
  • ดริฟท์ในระยะยาวมักจะบ่งบอกถึงการย่อยสลายช้าๆของคุณสมบัติของเซ็นเซอร์ตลอดช่วงระยะ เวลา
  • เสียงรบกวนเป็นส่วนเบี่ยงเบนแบบสุ่มของสัญญาณที่แปรตามเวลา
  • hysteresis เป็นข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นโดยเมื่อคุณสมบัติที่ถูกวัดเปลี่ยนทิศทาง แต่มีความล่าช้าที่แน่นอนบางอย่างในเวลาสำหรับตัวเซ็นเซอร์ที่จะตอบสนอง เป็นการสร้างข้อผิดพลาดชดเชยที่แตกต่างกันในทิศทางหนึ่งมากกว่าอีกทิศทางหนึ่ง
  • ถ้าเซ็นเซอร์มีสัญญาณเอาท์พุทเป็นดิจิทัล เอาท์พุทเป็นค่าประมาณที่สำคัญของคุณสมบัติที่ถูกวัด ข้อผิดพลาดโดยประมาณจะถูกเรียกว่า ข้อผิดพลาดจากการแปลงเป็นค่าดิจิทัล(อังกฤษ: digitization error)
  • ถ้าสัญญาณถูกตรวจสอบแบบดิจิทัล ข้อจำกัดของความถี่ในการทำ sampling ยังสามารถทำให้เกิดข้อผิดพลาดแบบไดนามิก หรือถ้าเสียงรบกวนที่แปรหรือเพิ่มเข้ามามีการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะที่ความถี่ที่ใกล้หลายอัตราการสุ่มตัวอย่างอาจก่อให้เกิดข้อผิดพลาด aliasing
  • เซ็นเซอร์ในบางขอบเขตอาจไวต่อคุณสมบัติอื่นนอกจากคุณสมบัติที่ถูกวัด ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์ส่วนใหญ่ได้รับอิทธิพลจากอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมของพวกมัน
  • การเบี่ยงเบนทั้งหมดนี้สามารถแบ่งได้เป็นข้อผิดพลาดที่เป็นระบบ หรือข้อผิดพลาดจากการสุ่ม ข้อผิดพลาดที่เป็นระบบบางครั้งอาจจะได้รับการชดเชยด้วยวิธีการบางชนิดของกลยุทธ์การสอบเทียบ เสียงรบกวนเป็นข้อผิดพลาดแบบสุ่มที่สามารถถูกลดลงได้โดยการประมวลผลสัญญาณ เช่นการกรอง ปกติจะอยู่ที่ค่าใช้จ่ายของการทำงานแบบไดนามิกของเซ็นเซอร์

ความละเอียด[แก้]

ความละเอียดของเซ็นเซอร์คือการเปลี่ยนแปลงที่เล็กที่สุดที่จะสามารถตรวจพบได้ในปริมาณที่กำลังวัด มักจะอยู่ในจอแสดงผลดิจิทัล ตัวเลขหลักที่สำคัญน้อยที่สุดจะเปลี่ยนแปลงขึ้นลง เป็นการแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของขนาดนั้นๆจะถูกแก้ไขเท่านั้น ความละเอียดเกี่ยวข้องกับความแม่นยำที่จะทำการวัด ตัวอย่างเช่นหัววัดการสแกนอุโมงค์(ปลายแหลมใกล้พื้นผิวใช้เก็บกระแสอุโมงค์อิเล็กตรอน) สามารถแก้ไขอะตอมและโมเลกุล

ชนิด[แก้]

บทความหลัก: List of sensors

เซ็นเซอร์ในธรรมชาติ[แก้]

ข้อมูลเพิ่มเติม: Sense

อวัยวะของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดมีเซ็นเซอร์ทางชีวภาพที่มีหน้าที่คล้ายกับอุปกรณ์เชิงกลที่ได้อธิบายไว้ เหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นเซลล์พิเศษมีความไวต่อ :

  • แสง, การเคลื่อนไหว, อุณหภูมิ, สนามแม่เหล็ก, แรงโน้มถ่วง, ความชื้น, การสั่นสะเทือน, แรงดัน, สนามไฟฟ้า, เสียงและลักษณะทางกายภาพอื่นๆของสภาพแวดล้อมภายนอก
  • ลักษณะทางกายภาพของสภาพแวดล้อมภายในเช่นแรงยืด, การเคลื่อนไหวของอวัยวะ และตำแหน่งของอวัยวะที่ยื่นออกมาจากร่างกาย (การรับรู้การเคลื่อนไหวของอวัยวะ)
  • โมเลกุลสิ่งแวดล้อมรวมทั้ง สารพิษ, สารอาหาร, และ ฟีโรโมน
  • การประมาณค่าของการปฏิสัมพันธ์สารชีวโมเลกุลและบางพารามิเตอร์จลนศาสตร์
  • สภาพแวดล้อมการเผาผลาญภายในเช่น ระดับน้ำตาล, ระดับออกซิเจน หรือ osmolality
  • โมเลกุลสัญญาณภายในเช่น ฮอร์โมน, สารสื่อประสาท และ cytokines
  • ความแตกต่างระหว่างโปรตีนของอวัยวะตัวเองและของสภาพแวดล้อมหรือสิ่งมีชีวิตต่างด้าว

เซ็นเซอร์เคมี[แก้]

เซ็นเซอร์เคมีเป็นอุปกรณ์การวิเคราะห์ตัวเองที่สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีของ สภาพแวดล้อมที่เป็นของเหลวหรือก๊าซ[1] ข้อมูลถูกจัดให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณ ทางกายภาพที่สามารถวัดได้ที่มีสหสัมพันธ์กับความเข้มข้นของสารเคมีชนิดหนึ่ง (เรียกว่าเป็นตัว วิเคราะห์) สองขั้นตอนหลักมีส่วนร่วมในการทำงานของเซ็นเซอร์ทางเคมีคือ การรับรู้ และการถ่ายเทกระแส ในขั้นตอนการรับรู้ โมเลกุลตัววิเคราะห์เลือกปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลหรือไซต์ของตัวรับที่รวมอยู่ในโครงสร้างขององค์ประกอบการรับรู้ของเซ็นเซอร์ ดังนั้นพารามิเตอร์คุณลักษณะทางกายภาพจะแปรเปลี่ยนและการแปรเลี่ยนนี้จะถูกรายงานโดยใช้วิธีการถ่ายเทกระแสแบบบูรณาการที่สร้างสัญญาณเอาท์พุท เซ็นเซอร์เคมีที่มีพื้นฐานจากวัสดุการรับรู้ของธรรมชาติทางชีวภาพเรียกว่าไบโอเซนเซอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อวัสดุสังเคราะห์ biomimetic กำลังจะแทนที่ บางส่วนของวัสดุ biomaterials เพื่อการรับรู้ ความแตกต่างที่คมชัดระหว่างไบโอเซนเซอร์และเซ็นเซอร์เคมีมาตรฐานคือ superfluous วัสดุ biomimetic ทั่วไปที่ถูกใช้ในการพัฒนาเซ็นเซอร์ เป็นโพลีเมอ และ aptamers ที่ถูกพิมพ์แบบโมเลกุล

ไบโอเซนเซอร์[แก้]

บทความหลัก: biosensor

ใน biomedicine และเทคโนโลยีชีวภาพ เซ็นเซอร์ที่ตรวจพบตัววิเคราะห์, ต้องขอบคุณองค์ประกอบทางชีวภาพ เช่น เซลล์, โปรตีน, กรดนิวคลีอิค หรือ โพลีเมอ biomimetic, จะถูกเรียกว่า ไบโอเซนเซอร์ ในขณะที่เซ็นเซอร์ที่ไม่ใช่ชีวภาพ, แม้ว่าจะเป็นอินทรีย์(= เคมีคาร์บอน) สำหรับตัววิเคราะห์ทางชีวภาพจะถูกเรียกว่านาโนเซ็นเซอร์ (เช่น microcantilevers) คำศัพท์นี้ใช้สำหรับทั้งงานในหลอดทดลองและในสัตว์ทดลอง การห่อหุ้มขององค์ประกอบทางชีวภาพใน ไบโอเซนเซอร์นำเสนอปัญหาที่แตกต่างกันเล็กน้อยจากพวกที่อยู่ในเซ็นเซอร์สามัญ มันก็สามารถทำได้ทั้งโดยวิธีการของอุปสรรค semipermeable เช่นเยื่อฟอกไตหรือไฮโดรเจลหรือพอลิเมอแมทริกซ์ 3 มิติ ซึ่งเป็นทั้งกายภาพจำกัดแมคโครโมเลกุลที่มีความไวหรือทางเคมีจำกัดแมคโครโมเลกุลโดยการผูกมัดมันเข้ากับนั่งร้าน

อ่านเพิ่มเติม[แก้]

  • Actuator
  • Data acquisition
  • Data logger
  • Machine olfaction
  • Nanoelectronics
  • Nanosensor
  • Transducer
  • Wireless sensor network

อ้างอิง[แก้]

  1. Bǎnicǎ, Florinel-Gabriel (2012). Chemical Sensors and Biosensors:Fundamentals and Applications. Chichester, UK: John Wiley & Sons. p. 576. ISBN 9781118354230.