Dengan ketibaan era pintar, penyelidikan dan penerapan pelbagai sensor pintar semakin ditekankan. Sensor pintar juga mempunyai keupayaan pemprosesan maklumat yang kaya berdasarkan sensor tradisional dan dapat memberikan fungsi yang lebih komprehensif.
Makalah ini memperkenalkan status penyelidikan semasa suhu, tekanan, inersia, biokimia dan sensor RFID yang biasa digunakan dan peranan utama mereka dalam peningkatan industri dan aplikasi inovatif seperti Internet of Things (IoT), Realiti Maya (VR), Robotics, Penjagaan Kesihatan, dan lain -lain, dan menantikan trend pembangunan masa depan sensor pintar.
Sensor pintar (Sensor Pintar) merujuk kepada sensor dengan pengesanan maklumat, pemprosesan maklumat, memori maklumat, pemikiran logik dan fungsi penghakiman.
Berkenaan dengan sensor tradisional yang hanya memberikan isyarat voltan analog yang mencirikan kuantiti fizikal yang akan diukur, sensor pintar memanfaatkan sepenuhnya teknologi integrasi dan teknologi mikropemproses, persepsi, pemprosesan maklumat, komunikasi dalam satu, dan dapat memberikan tahap pengetahuan tertentu maklumat yang disebarkan dalam bentuk digital.
Sejak NASA (NASA) mencadangkan konsep sensor pintar pada tahun 1980 -an, selepas beberapa dekad pembangunan, sensor pintar telah menjadi arahan pembangunan utama teknologi sensor, yang mewakili keupayaan penyelidikan industri dan teknologi negara.
Didorong oleh era pintar semasa, kepentingan sensor telah menjadi lebih menonjol, bukan hanya dalam "Made in China 2025", "Strategi berteknologi tinggi Jerman 2020" dan Kesatuan Eropah, Amerika Syarikat, Korea Selatan, Singapura, dan lain-lain . to promote the smart city and other strategies to play an important supporting role, but also in the Internet of Things (IoT), Virtual Reality (VR), robotics, smart homes, self-driving cars and other industrial development memainkan peranan utama.
Sistem yang berprestasi tinggi, sistem pengukuran dan kawalan yang kompleks yang sangat boleh dipercayai dan perkembangan internet perkara berdasarkan teknologi pengenalan frekuensi radio, semakin banyak menyoroti kepentingan sensor pintar dengan persepsi, keupayaan kognitif dan kuat dan cepatnya dan cepat pembangunan segera.
Dengan pembangunan teknologi MEMS yang serasi CMOS, pembangunan sensor pintar kecil telah menerima sokongan teknikal yang kukuh, industri sensor pintar menghadapi peluang pembangunan sejarah yang sangat penting.
Makalah ini meringkaskan status pembangunan pelbagai jenis teknologi dan aplikasi sensor pintar, dan membuat pandangan mengenai trend pembangunan masa depan.
1 sensor pintar yang kaya dan pelbagai
Untuk memenuhi keperluan pelbagai aplikasi pintar, kategori sensor sangat pelbagai, seperti: sensor alam sekitar, sensor inersia, sensor analog, sensor magnet, biosensor, sensor inframerah, sensor getaran, sensor tekanan, sensor ultrasonik dan sebagainya.
Antaranya, sensor berikut lebih biasa digunakan.
Sensor alam sekitar, terutamanya sensor gas, sensor tekanan barometrik, sensor suhu, sensor kelembapan dan sebagainya.Sensor gas boleh digunakan untuk pembersih udara, monitor DUI, pengesan formaldehid dan gas toksik lain di perabot rumah, serta peranti pengesanan untuk gas ekzos industri. Apabila orang memberi perhatian kepada isu -isu alam sekitar, kepentingan sensor alam sekitar menjadi semakin menonjol, dan terdapat banyak ruang untuk pembangunan di masa depan.
Sensor inersia, terutamanya digunakan dalam produk yang boleh dipakai, seperti gelang pintar, jam tangan pintar, topi keledar VR dan sebagainya.Sensor inersia digunakan untuk mengesan penjejakan dan pengenalpastian pergerakan, memaklumkan pemakai jumlah latihan, kalori yang digunakan dan kesan latihan pada hari itu.
Sensor magnet, yang kebanyakannya digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti pembuat kopi, pemanas air, penghawa dingin, dan lain -lain, digunakan untuk mengesan berapa banyak sudut yang telah dihidupkan atau berapa banyak perjalanan yang telah dilakukan, dan biasanya dipaparkan di papan pemuka. Di samping itu, sensor magnet juga digunakan dalam magnet pintu dan magnet tingkap, dan lain -lain. Kecerdasan dan ketepatan robot juga memerlukan sensor magnet untuk sokongan.
Sensor analog, yang terutamanya digunakan dalam peranti perubatan pintar,boleh digunakan sebagai input untuk isyarat seperti denyutan jantung dan elektrokardiogram, dan menggambarkan output data kesihatan, supaya pengguna dapat memahami data kesihatan dan latihan mereka yang pertama.
Sensor inframerah sering digunakan dalam kamera inframerah, robot menyapu dan rumah pintar yang lain.
2 Kemajuan Penyelidikan Teknikal mengenai Sensor Pintar
Sensor yang benar -benar pintar harus mempunyai fungsi berikut:
1) penentukuran diri, penentukuran diri dan fungsi pampasan automatik;
2) pengumpulan data automatik, penghakiman logik dan fungsi pemprosesan data;
3) fungsi pelarasan diri dan penyesuaian diri;
(4) tahap penyimpanan, pengenalan dan fungsi pemprosesan maklumat tertentu;
5) komunikasi dua hala, output digital standard atau fungsi output simbol;
(6) Penghakiman algoritma, fungsi membuat keputusan dan pemprosesan.
Berikut adalah contoh suhu, tekanan, inersia, biokimia dan sensor RFID yang biasa digunakan untuk memperkenalkan kemajuan penyelidikan teknologi penderiaan pintar.
2.1 Sensor Suhu Pintar
Perkembangan sensor suhu telah melalui yang berikutTiga peringkat: Sensor suhu diskret tradisional, sensor suhu bersepadu analog dan sensor suhu pintar secara keseluruhan.
Ke abad ke-21, sensor suhu pintar bergerak ke arah ketepatan tinggi, pelbagai fungsi, standardisasi bas, kebolehpercayaan dan keselamatan yang tinggi, perkembangan sensor maya dan sensor rangkaian, perkembangan sistem pengukuran suhu monolitik dan arah lain pembangunan pesat.
Sensor suhu pintar semasa mengandungi sensor suhu, penukar A/D, pemproses isyarat, memori dan litar antara muka, sesetengah produk juga mempunyai multiplexer, pengawal pusat, penyimpanan akses rawak dan memori baca sahaja.
Sensor suhu pintar dicirikan oleh keupayaan untuk mengeluarkan data suhu dan jumlah kawalan suhu yang berkaitan, disesuaikan dengan pelbagai pengawal mikro, dan berdasarkan perkakasan melalui perisian untuk mencapai fungsi ujian, tahap kecerdasan bergantung pada tahap pembangunan perisian.
(1) Meningkatkan ketepatan dan resolusi pengukuran
Sensor suhu pintar terawal bermula pada pertengahan -1990 s, Menggunakan 8- bit A/D Converter, ketepatan pengukuran suhunya adalah rendah, resolusi hanya dapat mencapai 1 darjah.
Pada masa ini, negara-negara asing telah melancarkan pelbagai sensor suhu pintar yang tinggi, resolusi tinggi, menggunakan penukar 9 ~ {3}} bit A/D, resolusi boleh mencapai 0. 5 ~ {{6 }}. 625 darjah. Oleh ds {8 {8}} jenis sensor suhu pintar resolusi tinggi yang boleh output {{1 0} bit data binari bit, resolusi setinggi 0. 03 darjah , ketepatan pengukuran suhu ± 0.2 darjah.
Untuk meningkatkan kadar penukaran sensor suhu pintar pelbagai saluran, terdapat juga cip menggunakan penghampiran berturut-turut tinggi A/D penukar. AD7817 TYPE 5- Saluran Sensor Suhu Pintar, sebagai contoh, ia adalah sensor tempatan, setiap masa penukaran sensor jauh hanya 27 ms, 9 ms, masing -masing.
Dari segi pengukuran suhu ketepatan tinggi, sesetengah ulama telah merancang sensor suhu digital berprestasi tinggi, yang terdiri daripada resonator garpu penalaan kuarza, litar antara muka digital dan algoritma kawalan reset sensor berdasarkan pelbagai gerbang yang boleh diprogramkan, dan Kepekaan sensor dapat mencapai bilangan darjah 10 -6, iaitu, resolusi pengukuran suhu 0. 0 01 darjah, masa tindak balas 1 s, dan ketepatan pengukuran adalah 0.01 darjah.
(2) Fungsi ujian yang dipertingkatkan
Fungsi ujian sensor suhu pintar baru sentiasa dipertingkatkan. Sensor suhu pintar mempunyai pelbagai mod operasi untuk dipilih, termasuk mod penukaran tunggal, mod penukaran berterusan, mod siap sedia, dan beberapa juga menambah mod pengembangan had suhu rendah.
Bagi sesetengah sensor suhu pintar, tuan rumah (mikropemproses luaran atau mikrokontroler) juga boleh ditetapkan melalui daftar yang sepadan dengan kadar penukaran A/D, resolusi dan masa penukaran maksimum.
Di samping itu, sensor suhu pintar berkembang dari saluran tunggal ke arah pelbagai saluran, yang mewujudkan keadaan yang baik untuk pembangunan sistem pengukuran dan sistem kawalan pelbagai saluran.
(3) penyeragaman dan penyeragaman teknologi bas
Pada masa ini, teknologi bas sensor suhu pintar juga telah diseragamkan dan dinormalisasi, bas yang digunakan terutamanya bas tunggal (-wire), bas 2 c, bas SMBUS dan bas SPI.
(4) reka bentuk kebolehpercayaan dan keselamatan
Untuk mengelakkan tindakan palsu apabila sistem kawalan suhu tertakluk kepada gangguan bunyi, dalam dalaman beberapa sensor suhu pintar, kaunter beratur kesalahan yang boleh diprogramkan ditubuhkan, didedikasikan untuk menetapkan bilangan kali nilai suhu yang diukur dibenarkan melebihi had atas dan bawah. Pelabuhan gangguan boleh dicetuskan hanya apabila bilangan kali suhu yang diukur secara berterusan melebihi had atas atau jatuh di bawah had yang lebih rendah mencapai bilangan kali yang ditetapkan, yang mengelakkan pengaruh gangguan bunyi sesekali pada sistem kawalan suhu.
Untuk mengelakkan kerosakan pada cip akibat pelepasan elektrostatik manusia, beberapa sensor suhu pintar juga telah meningkatkan litar perlindungan elektrostatik, secara amnya dapat menahan 1 ~ 4 kV voltan pelepasan elektrostatik.
Sebagai contoh, antara muka bersiri sensor suhu TCN75, output isyarat/perbandingan isyarat dan input alamat boleh menahan 1 kV voltan pelepasan elektrostatik. LM83 Sensor suhu pintar boleh menahan 4 kV voltan pelepasan elektrostatik.
2.2 Sensor Tekanan Pintar
Sensor tekanan pintar adalah gabungan mikropemproses dan sensor tekanan, jadi laluan pelaksanaannya boleh dibahagikan kepada: sensor tekanan pintar yang tidak bersepadu, sensor tekanan pintar bersepadu dan sensor tekanan pintar hibrid.
Sensor tekanan pintar yang tidak bersepadu adalah sistem sensor tekanan pintar yang menggabungkan sensor tekanan tradisional, litar penyaman isyarat, dan mikropemproses dengan antara muka bas digital ke dalam satu sistem.
Sensor tekanan yang tidak bersepadu ini sebenarnya merupakan sistem sensor tekanan konvensional dengan sambungan mikropemproses tambahan. Oleh itu, ia adalah salah satu cara dan cara terpantas untuk merealisasikan sistem sensor tekanan pintar.
Sensor tekanan pintar bersepadu adalah integrasi monolitik unsur sensitif tekanan dengan pemprosesan isyarat, penentukuran, pampasan, mikrokontroler, dan lain-lain. Ia terutamanya mengamalkan teknologi sistem mikroelektrik (MEMS) dan teknologi proses litar bersepadu berskala besar, dan menggunakan silikon sebagai bahan asas Untuk membuat unsur -unsur sensitif, litar penyaman isyarat, dan unit mikropemproses, dan mengintegrasikannya pada cip tunggal.
Dengan perkembangan pesat teknologi mikroelektronik dan penerapan mikro-nanoteknologi, sensor tekanan pintar yang dihasilkan mempunyai ciri-ciri pengurangan, integrasi struktur, ketepatan tinggi, pelbagai fungsi, array, digitalisasi penuh, mudah digunakan, mudah dikendalikan dan begitu pada.
Sensor tekanan pintar hibrid adalah mengikut keperluan dan kemungkinan sistem pelbagai pautan bersepadu, seperti unit sensitif, litar pengkondisian isyarat, unit mikropemproses, antara muka bas digital, dalam kombinasi yang berlainan yang diintegrasikan dalam 2 ~ 3 cip, dan dibungkus dalam kulit .
Integrasi hibrid untuk mencapai kecerdasan adalah laluan pintar yang sesuai dengan perkembangan teknologi semasa. Dalam sistem sensor tekanan pintar, mikropemproses dapat merealisasikan kawalan perisian sensor mengikut program yang diberikan, mengubah sensor dari satu fungsi ke pelbagai fungsi. Sensor tekanan pintar umumnya mempunyai fungsi asas berikut.
(1) Fungsi pemprosesan data.Sensor tekanan pintar bukan sahaja mengukur parameter yang diukur, tetapi juga mengikut parameter yang diukur yang diketahui, boleh secara automatik sifar, secara automatik seimbang, dikompensasi secara automatik dan sebagainya.
(2) Fungsi diagnostik automatik.Ini adalah fungsi utama sensor tekanan pintar, sensor tekanan pintar melalui perisian diagnosis kesalahannya dan perisian pengujian diri, sensor automatik dan status sistem untuk pengesanan biasa dan tidak teratur, ujian, pengesanan tepat pada masanya, untuk membantu diagnosis penyebabnya kegagalan, lokasi, dan memberi tips operasi.
(3) Fungsi konfigurasi perisian.Sensor tekanan pintar kerana penggunaan mikropemproses, jadi tidak hanya komponen perkakasan yang diperlukan, seperti pengesanan, penguatan, A / D, D / A, antara muka komunikasi, dan lain -lain, tetapi juga sumber perisian untuk mengawal dan memproses data. Dalam sensor tekanan pintar, terdapat perkakasan dan perisian multi-modular yang ditubuhkan supaya pengguna dapat menghantar arahan melalui mikropemproses untuk mencapai fungsi yang berbeza, yang meningkatkan fleksibiliti dan kebolehpercayaan sensor.
2.3 Sensor inersia pintar
Sensor inersia, jenis sensor MEMS yang paling banyak digunakan, termasuk pecutan, gyroscopes, dan sensor orientasi. Teknologi MEMS mempunyai kelebihan unik dari sensor inersia kecil dan mengurangkan kos.
Modul pengukuran inersia hari ini (IMU) dapat mengintegrasikan pecutan triaxial, giroskop triaxial, dan magnetometer triaxial dalam saiz 10 mm x 10 mm x 4 mm dengan kos kurang daripada satu dolar. Modul pengukuran inersia ini boleh digunakan untuk telefon pintar dan peranti yang boleh dipakai untuk merealisasikan fungsi sukan dan kesihatan termasuk pemantauan gait, pengiraan langkah, pengesanan jatuh, pemantauan tidur, navigasi dalaman, dan lain -lain, serta fungsi hiburan seperti pengiktirafan isyarat dan penginderaan arah.