sensor

Et sensorsignal i relation til påvirkningen kan typisk have et forløb som vist på figur 2 (a), hvor dynamisk område, linearitet og hysterese er forklaret.

Mange produkter har en meget simpel regulering baseret på en kontakt, der er sluttet når et sensorsignal er under en given værdi og afbrudt nå den er over denne værdi. Dette kan fx være til styring af temperaturen i et strygejern eller en el-radiator. I sådanne tilfælde vil sensor-karakteristikken se ud som vist i figur 2 (b).

En sensor vil ofte påvirkes af andet, end det der ønskes registreret. Det kan være elektriske eller magnetiske felter eller mekaniske vibrationer. Ofte vil sådanne forstyrrelser være transiente dvs. kortvarige med et atypisk forløb. Sådanne transienter kan der ofte tages højde for i signalbehandlingen.

Ethvert elektronisk system vil uundgåeligt udvise såkaldt Johnson-Nyquist støj (opkaldt efter de personer, der først påviste og forklarede støjen). Støjen skyldes de termiske bevægelser af elektronerne og kaldes også termisk støj. Figur 3 viser et eksempel på et sensorsignal, der registrerer en harmonisk svingning hvor der i sensoren også fremkommer en additiv støjkomponent. Skal frekvensen og amplituden af svingningen bestemmes vil støj medføre en usikkerhed på de estimerede værdier.

(consumer products)

En smartphone er et moderne forbrugsprodukt med meget stor udbredelse, som i stigende omfang er forsynet med sensorer til registrering af bl.a. position, bevægelse og sundhedstilstand. Elektroniske kameraer er også inkluderet i stort set alle smartphones. Et helt afgørende element for disse kameraer er den chip, som registrerer billedet. Sådanne chips kan indeholde mange millioner lysfølsomme elementer og har gjort lysfølsomme fotografiske film overflødige til langt de fleste anvendelser. Den fotografiske chip er helt afgørende for kameraer til løbende overvågning.

Meget moderne legetøj er også forsynet med sensorer. Husholdningsapparater indeholder også sensorer. Robotstøvsugere og robotplæneklippere ville være umulige uden sensorer.

I et moderne køkken er der også mange sensorer især til registrering af temperatur, tryk og væske strømning.

Automobilindustrien er dominerende både hvad angår vækst i sensoranvendelser, i nyudvikling og – især – i at presse priserne ned på meget lave niveauer. Der produceres årligt flere milliarder sensorer til dette område. Anvendelserne spænder fra motorstyringer til sikkerhed (bl.a. airbags) og navigation. Her er det især såkaldte MEMS-sensorer der dominerer. De registrerer bevægelse i form af acceleration og rotation. Et eksempel på en såkaldt gyrosensor (rotationssensor) er vist i figur 5.

Ultralydssensorer anvendes til nærheds detektering. De fleste nye biler er forsynet med sådanne sensorer baseret på piezoelektriske elementer. Til bestemmelse af afstanden til forankørende biler anvendes simple kompakte radar systemer.

En række sensorer indgår i moderne motorstyringssystemer. De sensorer, der anvendes til forbrændingsmotorer er meget forskellige fra de sensorer, som anendes i elektriske kørertøjer.

Trykket i køretøjers dæk er afgørende for sikkerheden, men også for energiforbrug og dæklevetid. Alle nye biler skal have et såkaldt TPMS (engelsk: Tire Pressure Monitoring System). Dæktryk kan overvåges på flere måder. En indirekte metoder er baseret på løbende sammenligning af rotationshastigheden for hjulene. Dette kan gøres via ABS-bremse systemet. Sensorer i trykventilen benyttes, men har den ulempe, at de er batteridrevne. Avancerede trådløse og passive sensorer er under udvikling.

Selvkørende biler er helt afhængig af avancerede sensorer baseret på radar og lidar systemer i forbindelse med kunstig intelligens.

Et moderne fly er forsynet med et omfattende netværk af sensorer. De muliggør både registrering af tilstandene i flyet (motorer kabine og vinger). Men sensorer er også afgørende for bestemmelse af en række andre størrelser såsom højde, hastighed og visibilitet. Traditionelt har farthastigheden været målt med et såkaldt pitotrør, som stadig bruges i stor udstrækning men suppleret med moderne navigationsinstrumenter.

Flyets strukturelle tilstand overvåges med strain-gauges. En moderne udformning er med optiske fibre. De kan bruges som et fordelt system til store konstruktioner og har den fordel, at fiberen ikke skal forsynes elektrisk og den er stort set ufølsom overfor elektriske og magnetiske forstyrrelser.

Skibe har i betydeligt omfang en række af de samme sensorer, som der findes i bygninger og infrastrukturer. Desuden er de ofte forsynet med sensorer til navigation og styring. Ultralydssensorer (sonar) kan benyttes til måling af havdybder eller detektering af fiskestimer.

Moderne tog og tilhørende signalsystemer anvender mange af de sensorer, som benyttes i andre transportsystemer.

De fleste nyere smartphones har indbygget sensorer, der kan give oplysninger om brugerens sundhedstilstand. Det forventes, at der vil ske en betydelig vækst i typen af sensorer således at bl.a. glukosekoncentration og blodtryk måles løbende.

Såkaldt point-of-care (patientnær behandling) vil ofte være baseret på sensorer. Det kan være måling af pulsfrekvens, blodtryk, oxygen niveau samt glukose koncentration. EKG målinger kan udføres med en løbende registrering enten ved trådløs signaloverføring eller registrering i en såkaldt Holter-monitor.

Biosensorer kan benyttes til såkaldt label-free detektering af immunologiske forhold ved at udnytte en antistof-antigen lignende reaktion. Figur 6 illustrerer nogle principper for point-of-care sensors.

En pacemaker er et eksempel på en kombination af en sensor og et terapeutisk element Sensoren registrerer hjerterytmen og den terapeutiske komponent genererer pulser, der kan styre hjerterytmen til den ønskede værdi. Enheder, der kontinuert kombinerer diagnostik vha. sensorer og terapeutiske elementer, forventes at få stigende betydning for personaliseret patientbehandling.

En helt særlig sensor kaldet SQUID anvendes til registrering af ekstremt svage magnetfelter. Det kan være felter genereret i forbindelse med hjerneaktiviteter eller felter, der fremkommer ved nerver. I nogle tilfælde kan anvendelsen muliggøre ikke-invasiv diagnostik af nervesygdomme. Undersøgelser af hjerneaktivitet er veldokumenteret. Nyere anvendelser er detektering af neurale defekter i rygmarven samt MR billeddannelse med ekstremt svage magnetfelter.

Produktion af medicin kræver løbende overvågning og styring. Hertil indgår en lang række af sensorer. Produktionen kan enten være såkaldt batchproduktion eller ved en kontinuert proces. Det sidste kræver en løbende kontrol, som udføres med sensorer.

Fødevarekontrol bliver i stigende omfang baseret på løbende overvågning i stedet for prøvetagning med laboratorieanalyser (som dog stadig er meget væsentlige).

I landbruget anvendes sensorer til måling af tilstanden i jorden. Det kan være fugtighed, temperatur samt koncentration af næringsstoffer. Sensorer bruges også til måling af farvefordelingen på planter, som giver information afgrødernes sundhedstilstand. Afgrøders tilstand kan overvåges fra fly eller satellitter med såkaldt multispektral billeddannelse. Metoden er baseret på billedoptagelse fra satellitter både i det synlige og det infrarøde område. Ved detaljeret analyse af det spektrale indhold kan tilstanden af både planter og jordbund bestemmes.

Tilstandsovervågning af fødevarer under transport og i butikker er væsentlige for at undgå defekte og potentielt sygdomsfremkaldende fødevarer. Der anvendes sensorer for temperatur, fugtighed, mekaniske egenskaber samt afgivelsen af såkaldte flygtige organiske forbindelser (VOC).

Løbende overvågning af tilstanden både i vand og luft er stigende og kan delvist erstatte laboratorieanalyser. Sensorer kan registrere partikulær koncentration og skadelige kemiske stoffer (luftforurening, vandkvalitet).

Overvågning af den strukturelle integritet af maskiner, bygninger, broer mm. er stigende. Kritisk infrastruktur forsynes med avancerede sensorer, der fx kan registrere mekaniske påvirkninger og overbelastning samt strukturel degradering. Bygninger kan overvåges ved jordskælv. Sådanne overvågninger kan udføres med såkaldte strain-gauges, Nyere typer er baseret på fiberoptik, som tillader overvågning af hele konstruktioner som fx en hel bro. Figur 7 illustrerer princippet i en såkaldt fiber-Bragg-gitter sensor.

Overvågning med kameraer tilknyttet kunstig intelligens er stærkt stigende og billiggjort med fremkomsten af kompakte meget følsomme senorelementer baseret på halvlederteknologi.

Simple sensorer, der kan registrere bevægelse på afstande op til mange meter, er udbredte i både private hjem og i industrien med henblik på at reducere sandsynligheden for indbrud.

Her er det især IT og kommunikationsteknologi, som understøtter sensorer, men sensorer har også en væsentlig rolle i kommunikationssystemer. Fx kan de optiske fibre i et kommunikationssystem udformes således, at der i selve fiberen indlejres strukturer, som kan registrerer belastninger eller bud og også lokalisere skaderne.

Et sensorsystem vil ofte indeholde en enhed, der foretager signal og databehandling. I en del nyere systemer er databehandlingen baseret på kunstig intelligens. Brugen af kunstig intelligens kan lette omsætningen af følersignalet til værdier, der bestemmes ud fra andre sensor input. Fx kan luftens massetæthed bestemmes hvis tryk, temperatur og sammensætning er kendt. Her er der en simpel veldefineret fysisk sammenhæng. Er dette ikke tilfældet kan neurale netværk/kunstig intelligens undertiden frembringe en løsning. Signalbehandlingen kan også gøre sensorer adaptive, idet de kan lære tilstande i det miljø, hvori de skal fungere og dermed fremkomme med mere nøjagtige resultater og blive tilpasset til ændrede forhold.

Trådløs overførsel af information benyttes ofte som et alternativ til ledningsbåret overførsel. Der kan benyttes metoder med veletablerede standarder som bluetooth eller zigbee (en trådløs teknologi til overførsel af information mellem små elektroniske enheder og især sensorer).

Et moderne samfund er helt afhængig af dets infrastruktur. Den omfatter transportveje, elektricitet, vand, varme og internet, men bygninger/huse betragtes nu også som en del af infrastrukturen. Tilstandsovervågning og styring er her helt afhængig af sensorer.

Huse er typisk udstyret med en række sensorer især til styring af indeklimaet. I de senere år er store bygninger også blevet forsynet med sensorer til at registrere deres strukturelle integritet (styrke og sammenhæng). Dette er især bygninger, der er udsat for meget kraftige påvirkninger fra klima og jordskælv.

Broer er særligt udsatte bygningskonstruktioner. Figur 5 viser et eksempel på en type sensor, som er indlejret i broer. Disse sensorer kan vise belastning fra køretøjer, vindpåvirkninger og strukturel degradering som skader i beton og korrosion i stålelementer. Fiberoptiske sensorer har en række fordele i forhold til elektriske sensorer: de kræver ikke elektrisk strøm, er ufølsomme overfor påvirkning fra elektriske eller magnetiske felter og ofte simplere at indbygge i konstruktioner.

Veje overvåges for at kunne bedømme den trafikale belastning. Der udføres forsøg med indlejrede sensorer i veje både for at kunne registrere trafikken, men også for at kunne overvåge vejenes tilstand. Der benyttes både elektriske og optiske sensorer.

I højspændingsanlæg er det er stor fordel at benytte sensorer som ikke er følsomme for elektriske eller magnetiske felter. Her er optiske og specielt fiberoptiske sensorer oplagte.

Industriel produktion og automatisering er også helt afhænge af sensorer. Det kan være til at registrerer og tælle objekter, hvilket kan udføres med simple optiske eller kapacitive sensorer. I autonome robotter anvendes en række sensorer: optiske (inkl. lidar og vision), taktile (berøring), som kan være baseret på kapacitive elementer.

Kemisk produktion benytter en række forskellige sensorer:

• temperatur via temperaturafhængige modstande, halvlederelement samt infrarøde strålingssensorer;
• flow-sensorer, som kan være baseret på magnetisk induktion, hvirvelafløsning fra blændeåbninger, afkøling ved varmeledning, ultralyd, mekanisk turbine;
• partikel -og materialesensorer, som kan være optiske, elektriske eller magnetiske;
• viskoelastisitet kan bestemmes optisk eller mekanisk;
• overfladeegenskaber kan registreres med optiske, kemiske eller mekanisk-taktile metoder.

(forsvar)

Moderne militærteknologi ville være utænkeligt uden sensorer. Det er især sensorer til styring af alle former for transportmateriel såsom droner, fly, missiler, køretøjer og skibe. Sensorer er afgørende for overvågning og rekognoscering. Der indgår både radar, lidar og sonar teknolog, samt synlig og infrarød billedannelse.

Kropsbårne (engelsk: wearables) sensorer benyttes til overvågning af soldaters helbredstilstand i krigssituationer.

Adskillige nye sensorteknologier er blevet udviklet i forbindelse med militære konfrontationer/krig. Udviklingen og teorien for radar er et klassisk eksempel.