Med ankomsten af den intelligente æra er forskningen og anvendelsen af forskellige smarte sensorer i stigende grad blevet fremhævet. Smarte sensorer har også rige informationsbehandlingsfunktioner på grundlag af traditionelle sensorer og kan give mere omfattende funktioner.
Denne artikel introducerer den aktuelle forskningsstatus for almindeligt anvendte temperatur, tryk, inertial, biokemiske og RFID -sensorer og deres nøgleroller i industriel opgradering og innovative applikationer såsom Internet of Things (IoT), virtual reality (VR), robotik, sundhedsydelser, osv., og ser frem til den fremtidige udviklingstrend for smarte sensorer.
Smart sensor (smart sensor) henviser til sensoren med informationsdetektion, informationsbehandling, informationshukommelse, logisk tænkning og vurderingsfunktioner.
I forhold til de traditionelle sensorer, der kun giver analoge spændingssignaler, der kendetegner den fysiske mængde, der skal måles, gør smarte sensorer fuldt ud til integrationsteknologi og mikroprocessor -teknologi, indstillet opfattelse, informationsbehandling, kommunikation i en og kan give et vist niveau af viden af informationen, der er formidlet i digital form.
Siden NASA (NASA) foreslog begrebet smarte sensorer i 1980'erne, efter årtiers udvikling, er smarte sensorer blevet en vigtig udviklingsretning for sensorteknologi, der repræsenterer et lands industrielle og teknologiske forskningsevne.
Drevet af den nuværende smarte æra er betydningen af sensorer blevet mere fremtrædende, ikke kun i "Made in China 2025", "Tyskland 2020 High-Tech Strategy" og Den Europæiske Union, De Forenede Stater, Sydkorea, Singapore osv. At fremme den smarte by og andre strategier til at spille en vigtig bærende rolle, men også i Internet of Things (IoT), Virtual Reality (VR), robotik, smarte hjem, selvkørende biler og anden industriel udvikling spiller en nøglerolle.
Høj ydeevne, meget pålidelig multifunktionel kompleks automatisk, måle- og kontrolsystem Udvikling af det presserende.
Med udviklingen af CMOS-kompatibel MEMS-teknologi har udviklingen af miniature smarte sensorer modtaget stærk teknisk support, Smart Sensor Industry står over for en meget vigtig historisk udviklingsmulighed.
Denne artikel opsummerer udviklingsstatus for forskellige slags smart sensorteknologier og applikationer og udsigter et syn på den fremtidige udviklingstrend.
1 rige og forskellige intelligente sensorer, der
For at imødekomme behovene i forskellige intelligente applikationer er sensorkategorierne meget forskellige, såsom: miljømæssige sensorer, inertielle sensorer, analoge sensorer, magnetiske sensorer, biosensorer, infrarøde sensorer, vibrationssensorer, tryksensorer, ultrasoniske sensorer og så videre.
Blandt dem er følgende sensorer mere almindeligt anvendt.
Miljøsensorer, hovedsageligt gassensorer, barometriske tryksensorer, temperatursensorer, fugtighedssensorer og så videre.Gassensorer kan påføres luftrensere, DUI -skærme, detektorer af formaldehyd og andre giftige gasser i boligindretning samt detektionsenheder til industrielle udstødningsgasser. Når folk er opmærksomme på miljøspørgsmål, bliver betydningen af miljøsensorer mere og mere fremtrædende, og der er meget plads til udvikling i fremtiden.
Inertielle sensorer, hovedsageligt brugt i bærbare produkter, såsom smarte armbånd, smarte ure, VR -hjelme og så videre.Den inertielle sensor bruges til at detektere sporing og identifikation af bevægelse, der informerer bæreren af mængden af træning, forbrugte kalorier og effekten af træning den dag.
Magnetiske sensorer, der hovedsageligt bruges i husholdningsapparater, såsom kaffemaskiner, vandvarmere, klimaanlæg osv., bruges til at registrere, hvor meget vinklen er vendt, eller hvor meget rejse der er gjort, og vises normalt på instrumentbrættet. Derudover bruges magnetiske sensorer også i dørmagneter og vinduesmagneter osv. Robotternes intelligens og nøjagtighed har også brug for magnetiske sensorer til understøttelse.
Analoge sensorer, der hovedsageligt bruges i smart medicinsk udstyr,Kan bruges som input til signaler som hjerteslag og elektrokardiogrammer og visualiserer output fra sundhedsdata, så brugerne kan forstå deres førstehånds sundheds- og træningsdata.
Infrarøde sensorer bruges ofte i infrarøde kameraer, fejende robotter og andet smart hjem.
2 fremskridt med teknisk forskning på smarte sensorer
En virkelig intelligent sensor skal have følgende funktioner:
1) selvkalibrering, selvkalibrering og automatiske kompensationsfunktioner;
2) automatisk dataindsamling, logisk vurdering og databehandlingsfunktioner;
3) selvjustering og selvtilpasningsfunktioner;
(4) en vis grad af opbevarings-, identifikations- og informationsbehandlingsfunktioner;
5) to-vejs kommunikation, standard digital output eller symboludgangsfunktion;
(6) Algoritmisk vurdering, beslutningstagning og behandlingsfunktioner.
Følgende er et eksempel på almindeligt anvendte temperatur, tryk, inertial, biokemiske og RFID -sensorer for at introducere forskningsforløbet af intelligent sensorteknologi.
2.1 SMART TEMPERATURSENSORER
Udviklingen af temperatursensorer har gennemgået følgendeTre trin: Traditionelle diskrete temperatursensorer, analoge integrerede temperatursensorer og intelligente temperatursensorer som helhed.
I det 21. århundrede bevæger intelligente temperatursensorer sig mod høj præcision, multifunktionel busstandardisering, høj pålidelighed og sikkerhed, udvikling af virtuelle sensorer og netværkssensorer, udviklingen af monolitisk temperaturmålingssystem og andre retninger for hurtig udvikling.
Den aktuelle smarte temperatursensor indeholder en temperatursensor, A/D-konverter, signalprocessor, hukommelse og interface-kredsløb, nogle produkter har også en multiplexer, central controller, tilfældig adgang til opbevaring og skrivebeskyttet hukommelse.
Intelligente temperatursensorer er kendetegnet ved evnen til at udsende temperaturdata og den relaterede temperaturstyringsvolumen, tilpasset en række mikrokontrollere og er baseret på hardware gennem softwaren for at opnå testfunktionen, graden af intelligens afhænger af niveauet af softwareudvikling.
(1) Forbedre måleenøjagtigheden og opløsningen
De tidligste intelligente temperatursensorer begyndte i midten af -1990 s, ved hjælp af 8- bit A/D -konverter, dens temperaturmålingsnøjagtighed er lav, kan opløsningen kun nå 1 grad.
På nuværende tidspunkt har fremmede lande lanceret en række højpræcisions intelligente temperatursensorer med høj opløsning ved hjælp af 9 ~ 12- bit A/D-konverter, opløsningen kan nå 0. 5 ~ {{6 }}. 625 grad. Af US Dallas Semiconductor Corporation's nyudviklede DS 1624- Type intelligent temperatursensor med høj opløsning, der kan udsendes {{1 0}} bit binære data, opløsning så høj som 0. 03 grad , temperaturmålingsnøjagtighed på ± 0,2 grad.
For at forbedre konverteringsfrekvensen for multi-kanals intelligente temperatursensor er der også chips, der bruger højhastigheds på hinanden følgende tilnærmelse A/D-konverter. AD7817 Type 5- Channel Intelligent temperatursensor, for eksempel er det den lokale sensor, hver fjernsensor -konverteringstid på kun 27 ms, henholdsvis 9 ms.
Med hensyn til måling af høj præcisionstemperatur har nogle lærde designet en højtydende digital temperatursensor, der består af en kvarts-tuning gaffelresonator, et digitalt interface-kredsløb og en sensor nulstillingskontrolalgoritme baseret på den feltprogrammerbare portarray, og Følsomheden af sensoren kan nå antallet af 10 -6 grad, det vil sige temperaturmålingsopløsningen af 0. 0 01 grad, responstid på 1 s, og målingens nøjagtighed er 0,01 grad.
(2) Forbedrede testfunktioner
Den nye intelligente temperatursensor -testfunktion forbedres konstant. Intelligente temperatursensorer har en række driftstilstande at vælge imellem, herunder enkeltkonverteringstilstand, kontinuerlig konverteringstilstand, standbytilstand og nogle tilføjede også en lavtemperaturgrænseudvidelsestilstand.
For nogle intelligente temperatursensorer kan værten (ekstern mikroprocessor eller mikrokontroller) også indstilles gennem de tilsvarende registre for dens A/D -konverteringsfrekvens, opløsning og maksimal konverteringstid.
Derudover udvikler intelligente temperatursensorer sig fra enkeltkanal til multikanalsretning, hvilket skaber gode betingelser for udvikling af multi-kanals temperaturmåling og kontrolsystem.
(3) Standardisering og standardisering af bussteknologi
På nuværende tidspunkt er den intelligente temperatursensorbussteknologi også blevet standardiseret og normaliseret, den anvendte bus er hovedsageligt enkelttråd (-wire) bus, I 2 C bus, SMBUS-bus og SPI-bus.
(4) Pålidelighed og sikkerhedsdesign
For at undgå falske handlinger, når temperaturkontrolsystemet udsættes for støjinterferens, er det i de målte temperaturværdi i den målte temperaturværdi at overstige en programmerbar fejlkøkø -tæller, dedikeret til at indstille antallet af gange den målte temperaturværdi. De øverste og nedre grænser. Interrupt -porten kan kun udløses, når antallet af gange den målte temperatur kontinuerligt overstiger den øvre grænse eller falder under den nedre grænse når det indstillede antal gange, hvilket undgår indflydelse af lejlighedsvis støjinterferens på temperaturstyringssystemet.
For at forhindre skade på ChIP på grund af human elektrostatisk udladning har nogle intelligente temperatursensorer også øget det elektrostatiske beskyttelseskredsløb, kan generelt modstå 1 ~ 4 kV elektrostatisk udladningsspænding.
F.eks. Kan TCN75 Intelligent temperatursensor -seriel grænseflade, afbryde/sammenligningssignaludgange og adresseindgange modstå 1 kV elektrostatisk udladningsspænding. LM83 Intelligent temperatursensor kan modstå 4 kV elektrostatisk udladningsspænding.
2.2 Smart tryksensorer
Intelligente tryksensorer er en kombination af mikroprocessorer og tryksensorer, så deres implementeringsstier kan opdeles i: ikke-integrerede intelligente tryksensorer, integrerede intelligente tryksensorer og hybrid intelligente tryksensorer.
Ikke-integrerede smarte tryksensorer er smarte tryksensorsystemer, der kombinerer traditionelle tryksensorer, signalkonditioneringskredsløb og mikroprocessorer med digitale busgrænseflader i et enkelt system.
Denne ikke-integrerede trykføler er faktisk et konventionelt tryksensorsystem med en tilsat mikroprocessorforbindelse. Derfor er det en af de hurtigste måder og midler til at realisere et smart tryksensorsystem.
Den integrerede intelligente trykføler er en monolitisk integration af trykfølsomme elementer med signalbehandling, kalibrering, kompensation, mikrokontroller osv. Den vedtager hovedsageligt mikroelektromekanisk system (MEMS) teknologi og storskala integreret kredsløbsproces teknologi og bruger silicium som basismateriale For at fremstille de følsomme elementer, signalkonditioneringskredsløb og mikroprocessorenheder og integrerer dem på en enkelt chip.
Med den hurtige udvikling af mikroelektronik-teknologi og anvendelse af mikro-nanoteknologi har den resulterende smarte trykføler egenskaberne ved miniaturisering, strukturel integration, høj præcision, multifunktion, matrix, fuld digitalisering, let at bruge, let at operere og således på.
Hybrid intelligent trykføler er i henhold til behovene og mulighederne for systemet med forskellige integrerede links, såsom følsomme enheder, signalkonditioneringskredsløb, mikroprocessorenheder, digitale busgrænseflader, i forskellige kombinationer integreret i 2 ~ 3 chips og pakket i en skall .
Hybridintegration for at opnå intelligens er en intelligent vej, der er velegnet til den nuværende teknologiske udvikling. I det intelligente tryksensorsystem kan mikroprocessoren realisere softwarekontrol af sensoren i overensstemmelse med det givne program og ændre sensoren fra en enkelt funktion til en multifunktion. Intelligente tryksensorer har generelt følgende grundlæggende funktioner.
(1) Databehandlingsfunktioner.Intelligente tryksensorer måler ikke kun de målte parametre, men også ifølge de kendte målte parametre, kan automatisk nulstilles, automatisk afbalanceres, automatisk kompenseres og så videre.
(2) automatisk diagnostisk funktion.Dette er hovedfunktionen af intelligente tryksensorer, intelligente tryksensorer gennem sin fejldiagnosesoftware og selvtest-software, automatiske sensorer og systemstatus til regelmæssig og uregelmæssig detektion, test, rettidig påvisning af fejl, for at hjælpe med diagnosen af årsagen af fiasko, placeringen og for at give operationelle tip.
(3) Softwarekonfigurationsfunktion.Intelligente tryksensorer på grund af brugen af mikroprocessorer, så der er ikke kun de nødvendige hardwarekomponenter, såsom detektion, amplifikation, A / D, D / A, kommunikationsgrænseflader osv., Men også software ressourcer til kontrol og behandling af data. I den intelligente trykføler er der en multimodulær hardware og software, der er indstillet, så brugeren kan sende kommandoer gennem mikroprocessoren for at udføre forskellige funktioner, hvilket øger sensorens fleksibilitet og pålidelighed.
2.3 Intelligente inertielle sensorer
Inertielle sensorer, den mest anvendte type MEMS -sensorer, inkluderer accelerometre, gyroskoper og orienteringssensorer. Mems -teknologi har den unikke fordel ved at miniaturisering af inertielle sensorer og reducere omkostningerne.
Dagens inertielle målemoduler (IMU'er) kan integrere et triaksialt accelerometer, triaksialt gyroskop og triaksialt magnetometer i en størrelse på 10 mm x 10 mm x 4 mm til en pris af mindre end en dollar. Dette inertielle målemodul kan anvendes på smartphones og bærbare enheder for at realisere sports- og sundhedsfunktioner, herunder gangovervågning, trinoptælling, falddetektion, søvnovervågning, indendørs navigation osv. Samt underholdningsfunktioner såsom gestusgenkendelse og retningsfølsomhed.