WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |

«ИНДЕКС УДК 53.087;543.27.-8; 544; 621.37;681.2 ХИМИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ © Егоров А.А., Егоров М.А., Царева Ю.И. ...»

-- [ Страница 1 ] --

Физико-химическая кинетика в газовой динамике www.chemphys.edu.ru/pdf/2008-01-14-001.pdf

ИНДЕКС УДК 53.087;543.27.-8; 544; 621.37;681.2

ХИМИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ:

КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

© Егоров А.А., Егоров М.А., Царева Ю.И.

yegorov@kapella.gpi.ru

Аннотация Представлен краткий обзор химических сенсоров. Дана их классификация, описаны принципы работы некоторых датчиков и области их применения. Особое внимание уделено электрохимическим сенсорам, биосенсорам и оптическим химическим сенсорам.

Рассмотрены фундаментальные явления, лежащие в основе действия оптических химических сенсоров. Описан принцип работы интегрально-оптического химического датчика абсорбционного типа. Подчеркнуты потенциальные возможности применения интегральнооптических датчиков, например, в химической промышленности, микроэлектронной промышленности, экологии и медицине.

CHEMICAL SENSORS:

CLASSIFICATION, PRINCIPLES OF WORK, AREA OF APPLICATION

The brief review of chemical sensors is represented. The classification of chemical sensors is given, the principles of work of some sensors and areas of their application are described. The special attention is given to electrochemical sensors, biosensors and integrated-optical chemical sensors. The fundamental phenomena underlying operations of optical chemical sensors are considered. The principle of work of the integrated-optical chemical sensor is circumscribed. The potential possibilities of application of integrated-optical sensors, for example, in a chemical industry, microelectronic industry, ecology and medicine are underlined.

Ключевые слова: датчик, химический сенсор, экологические приборы, интегральнооптический датчик, лазерное излучение, обработка данных 1 Введение Датчики (сенсоры) позволяют собирать, фиксировать, предавать, обрабатывать и распределять информацию о состояниях физических систем. Это может быть информация о химическом составе, форме, строении, положении и динамике. Существуют различные виды датчиков. Принципы их действия базируются на определенных физических или химических явлениях и свойствах. Примерами могут быть температурные датчики, радары, эхолоты, датчики уровня радиации, датчики давления, гигрометры и др. [1-15].

Успехи в смежных областях (лазерная физика, физика твердого тела, микроэлектроника, микропроцессорная техника, материаловедение, квантовая электроника, интегральная оптика) привели к развитию нового направления в разработке датчиков – созданию химических сенсоров [4]. Одним из самых перспективных видов химических сенсоров по-нашему мнению являются оптические химические сенсоры [3]. Интегральнооптические химические датчики по-нашему мнению являются среди них наиболее перспективными [9-12]. Принцип работы интегрально-оптических химических датчиков Физико-химическая кинетика в газовой динамике www.chemphys.edu.ru/pdf/2008-01-14-001.pdf абсорбционного типа основан на регистрации изменения интенсивности лазерного излучения волноводной моды, распространяющейся через исследуемую среду, на длинах волн, характерных для данного вещества.

Актуальность настоящего обзора обусловлена перспективностью обнаружения целого ряда других критически важных для безопасности людей газов с помощью химических сенсоров. Решение этой проблемы имеет приоритетное значение для химической промышленности, нефтегазовой промышленности (добыча, транспортировка, хранение), экологии, медицины, военных технологий и др.

2 Классификации датчиков При классификации датчиков часто рассматривают принцип их действия, который может быть обусловлен физическими или химическими явлениями и свойствами. На рис. приведена обобщенная функциональная схема измерения с помощью химического датчика.

Рис. 1 Функциональная схема измерения с помощью химического сенсора: 0 – исследуемая среда, 1 – химически чувствительный слой; 2 – преобразователь аналитического сигнала; 3 – электронный блок обработки и аналогоцифрового преобразования сигнала; 4 – компьютер.

Существует множество явлений, эффектов и видов преобразования энергии, которые могут быть использованы для построения датчиков [1-17]. В Таблице 1 приведены примеры таких явлений и эффектов (см., например, [1-4]).

Физико-химическая кинетика в газовой динамике www.chemphys.edu.ru/pdf/2008-01-14-001.pdf Таблица 1.

Эффект, явление, свойство Физическая сущность преобразования Теплопроводность (тепловая энергия Переход теплоты внутри физического объекта изменение физических свойств) из области с более высокой в область с более низкой температурой Тепловое излучение (тепловая энергия Оптическое излучение при повышении инфракрасные лучи) температуры физического объекта Эффект Зеебека (температура электричество) Возникновение ЭДС в цепи с биметаллическими соединениями при разной Пироэлектрический эффект (температура Возникновение электрических зарядов на Эффект фотопроводимости (свет Изменение электрического сопротивления электрическое сопротивление) полупроводника при его облучении светом Пьезоэлектрический эффект (давление Возникновение разности потенциалов на Эффект Доплера (звук, свет частота) перемещении объектов по сравнению с Химические свойства (информация о химических информацию о химических связях в Не претендуя на полноту охвата проблемы, приведем некоторую полезную классификацию сенсоров [1-15].

Энергетические свойства входных величин датчиков позволяют разделить их по виду входных величин на активные и пассивные. В активных датчиках входные величины имеют энергетическую природу (напряжение, сила и т. д.), в пассивных же входные величины имеют неэнергетический характер (электрические ёмкость, сопротивление и др.).

По числу воспринимаемых и преобразуемых величин можно выделить одномерные датчики, оперирующие с одной величиной, и n-мерные (многомерные), воспринимающие несколько (n) входных величин. При этом многомерные сенсоры могут иметь общие элементы и поэтому быть проще совокупности одномерных датчиков, воспринимающих столько же величин.

По числу выполняемых (измерительных) функций можно выделить однофункциональные и многофункциональные датчики. Многофункциональные могут помимо основной функции (восприятие величины и формирование измерительного сигнала) выполнять ряд дополнительных функций.

Многофункциональные датчики иногда называют также интеллектуальными. К таким датчикам, в принципе можно отнести аналоговые и цифровые датчики с суммированием сигналов, с перестраиваемыми адаптивными режимами работы и параметрами, с аналогоцифровым преобразованием, с метрологическим обслуживанием и датчики со встроенными микропроцессорами.

К дополнительным функциям многофункциональных сенсоров можно отнести следующие:

Физико-химическая кинетика в газовой динамике www.chemphys.edu.ru/pdf/2008-01-14-001.pdf операции обработки данных и фильтрацию;

коррекцию погрешностей;

• хранение сигналов;

• преобразование «поля» сигналов в изображение;

• защиту от влияния помех;

По числу преобразований энергии и вещества датчики можно разделить на одноступенчатые и многоступенчатые.

По технологии изготовления сенсоры можно разделить на элементные, изготавливаемые из набора отдельных элементов, и интегральные, в которых все составные элементы датчика изготавливаются одновременно по интегральной технологии.

Особо выделяются биологические датчики, в которых в качестве чувствительных элементов используется рецепторная часть биологических органов чувств, ферменты и другие вещества, а также – электронная часть, формирующая измерительные сигналы.

По взаимодействию с источниками информации датчики делятся на контактные и бесконтактные (дистанционного действия).

По виду измерительных сигналов датчики делятся на аналоговые и цифровые. Для анализа работы аналоговых и цифровых датчиков должен быть использован соответствующий виду анализируемых сигналов математический аппарат.

В настоящее время существует тенденция увеличения числа и усложнения функций, выполняемых сенсорами. Особенно это характерно для интегральных датчиков, которые могут включать в свой состав дополнительные устройства. Такие датчики способны служить основой для создания измерительных систем, позволяющих осуществлять сбор, обработку, хранение и распределение информации (см., например, [2, 12]).

К современным сенсорам предъявляются следующие основные требования:

• высокие качественные характеристики: чувствительность, точность, линейность, воспроизводимость показаний, скорость отклика, взаимозаменяемость, отсутствие гистерезиса и большое отношение сигнал-шум;

• высокая надежность: длительный срок службы, устойчивость к внешней среде, безотказность в работе;

• технологичность: малые габариты и масса, простота конструкции, интегральное исполнение, низкая себестоимость.

К настоящему времени разработано огромное количество самых разнообразных химических сенсоров. Началом истории химических сенсоров можно считать конец XIX – начало XX века.

Началом истории химических сенсоров можно считать конец XIX – начало XX века. В это время появился прообраз катарометра (1880 г.), который использовался для определения содержания водорода в водяном паре; двухэлектродная ячейка Кольрауша (1885 г.), металлические электроды Нернста (1888 г.) и стеклянный электрод Кремера (1906 г.). В конце XIX - начале XX вв. под сенсорами (слово «сенсор» от английского слова sense – чувство, ощущение) понимали портативные устройства для определения химического состава среды. Типичная конструкция сенсора включала чувствительный элемент и преобразователь [4].

В то время процедура стандартного химического анализа представляла собой многостадийный процесс, основанный на химических реакциях. Таким образом, химический анализ был тогда в полной мере «химическим». А уже в первых сенсорах использовались Физико-химическая кинетика в газовой динамике www.chemphys.edu.ru/pdf/2008-01-14-001.pdf физические и физико-химические процессы.

Следующий этап в развитии химических сенсоров связан с появлением проточных методов анализа. В 50-х годах XX в. аналитическое приборостроение достигло такого уровня, что стало возможным создание проточных методов анализа. В 1952 г. Мартином и Джеймсом был предложен газовый хроматограф. Во всех случаях появилась острая необходимость в детекторах – приборах, которые позволили бы в автоматическом режиме определять концентрацию вещества в потоке газа или жидкости.

Следующим важным моментом в развитии сенсорного анализа можно считать предложение Бергфелда объединить чувствительную мембрану с затвором полевого транзистора. Это предложение привело к появлению ионоселективного полевого транзистора. Кроме того, появились перспективы того, что планарная технология, развитая в микроэлектронике, приведет к созданию и массовому производству дешевых сенсоров.

Миниатюрность и относительно небольшие размеры сенсоров позволяет создавать их наборы в небольшом объеме. Так, на одном полупроводниковом кристалле можно разместить несколько чувствительных элементов или в небольшом объеме несколько самостоятельных сенсоров. Таким образом, появилась возможность создания «лаборатории на чипе», снабженной микропроцессором для обработки результатов анализа (см., например, [4]).

3.2 Устройство и принципы работы химических сенсоров Химические сенсоры представляют собой датчики, в которых два типа преобразователей – химический и физический – находятся в тесном контакте между собой.



Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
 


Похожие работы:

«СПРАВКА о наличии учебной, учебно-методической литературы и иных библиотечно-информационных ресурсов и средств обеспечения образовательного процесса, необходимых для реализации заявленных к лицензированию образовательных программ Раздел 2. Обеспечение образовательного процесса учебной и учебно-методической литературой по заявленным к лицензированию образовательным программам Уровень, ступень Количество образования, экземпляров Число вид образовательной обучающихся, программы воспитанников,...»

«УТВЕРЖДАЮ Заместитель Министра образования Российской Федерации _ В.Д. Шадриков 10 марта 2000 г. Номер государственной регистрации 86 ЕН / СП ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Специальность 012300 БИОХИМИЯ Квалификация – БИОХИМИК По специальности 012300 БИОХИМИЯ Вводится с момента утверждения Москва, 2000 2 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПЕЦИАЛЬНОСТИ 012300 БИОХИМИЯ 1.1. Специальность утверждена приказом Министерством образования Российской Федерации от...»

«Сергиенко Любовь Ивановна Библиографический указатель Волжский 2014 Сергиенко Любовь Ивановна : библиографический указатель /под ред. З.И. Жидких/ ; Библиотека ВГИ (филиал) ВолГУ. - г. Волжский, 2014 г. - ??? с. Библиографический указатель литературы составлен в связи с юбилеем Любови Ивановны Сергиенко - доктора сельскохозяйственных наук, профессора ВГИ (филиала) ВолГУ. Указатель содержит перечень работ ученого за период 1969—2013 гг. Принцип расположения материала — хронологический, внутри...»

«Мастер-классы для учителей химии и биологии г. Биробиджан, 2006 год Лидеры образования ЕАО - 2006. Мастер-классы для учителей химии и биологии. – Биробиджан: ОблИУУ, 2006, 44 с. Сборник рекомендован к печати и практическому применению в ОУ Еврейской автономной области решением редакционно-издательского совета областного ИУУ от 6.10.2006 года. Составитель Зуева Т.Г., методист ОблИУУ Ответственный редактор Файн Т.А., директор ОблИУУ, к.п.н., доцент, член-корреспондент МАНПО, почетный работник...»

«К ТРИДЦАТИЛЕТИЮ СОВЕТСКОЙ ФИЗИКИ ТРИДЦАТЬ ЛЕТ СОВЕТСКОЙ ОПТИКИ Т. П. Кравец 1 ОПТИКА В ДОРЕВОЛЮЦИОННОЙ РОССИИ. Интерес к оптике, практической и научной, отмечается уже на самых ранних стадиях развития русской науки, В Физико-математическом институте Академии Наук ещё недавно можно было видеть огромные вогнутые зеркала, шлифованные руками сподвижника Петра, известного Брюса. Член С.-Петербургской Академии Леонард Эйлер разработал здесь один из первых опытов волновой теории света, а другой её...»

«Предисловие _ 4 Введение 7 Немного о пище натуральной и искусственной 13 Биологически активные препараты Каталисис 33 Косметика и космецевтики _ 57 Косметика – линия Каталисис 72 Гранекс _ 80 Сикатрикс _ 106 Меланил 122 Реторна _ 134 Блю Кап 146 Заключение 152 Список литературы _ 155 Приложения _ 167 3 Предисловие О многообразии растительных и животных продуктов, употребляемых человеком в пищу, написано очень и очень много, и, очевидно, это вечная тема, так как пища является не только...»

«В.В. Войцеховский, Ю.С. Ландышев, А.А. Григоренко БРОНХОЛЕГОЧНЫЕ ОСЛОЖНЕНИЯ ХРОНИЧЕСКОГО ЛИМФОЛЕЙКОЗА И МНОЖЕСТВЕННОЙ МИЕЛОМЫ Благовещенск – 2009 УДК 616.155.392.2+616-006.448:616.233 ББК (р) 54.11 Авторы: В.В. Войцеховский, Ю.С. Ландышев, А.А. Григоренко Бронхолегочные осложнения хронического лимфолейкоза и множественной миеломы. – Благовещенск: ОАО ПКИ Зея, 2009 г. – 303 с. Рецензенты: Директор научно-исследовательского института пульмонологии, заведующий кафедрой пульмонологии ФПО...»

«Раздел I. Общие положения Глава 1. Основные положения Статья 1. Основные понятия В настоящем Кодексе используются следующие основные понятия: вода - химическое соединение водорода и кислорода, существующее в жидком, твердом и газообразном состояниях; воды - вся вода, находящаяся в водных объектах; поверхностные воды - воды, постоянно или временно находящиеся в поверхностных водных объектах; подземные воды - воды, в том числе минеральные, находящиеся в подземных водных объектах; водные ресурсы -...»

«Аллергия. Мама, хочу быть здоровым! Тамара Парийская 2 Книга Тамара Парийская. Аллергия. Мама, хочу быть здоровым! скачана с jokibook.ru заходите, у нас всегда много свежих книг! 3 Книга Тамара Парийская. Аллергия. Мама, хочу быть здоровым! скачана с jokibook.ru заходите, у нас всегда много свежих книг! Тамара Владимировна Парийская Аллергия. Мама, хочу быть здоровым! 4 Книга Тамара Парийская. Аллергия. Мама, хочу быть здоровым! скачана с jokibook.ru заходите, у нас всегда много свежих книг!...»






 
© 2013 www.knigi.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.