智能傳感器技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用場景
2022-08-08
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智能傳感器技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用場景
隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。智能傳感器由傳感元件、信號調(diào)理電路控制器組成，具有數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、分析甚至決策功能。智能化可以提高傳感器的精度，降低功耗和體積，實現(xiàn)更輕松的組網(wǎng)，從而擴大傳感器的應(yīng)用范圍，使其發(fā)展更加快速有效。
智能傳感器的概念
什么是傳感器和智能傳感器？
智能傳感器的優(yōu)勢是什么？
智能傳感器的需求增長驅(qū)動力
智能傳感器市場
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的智能傳感器技術(shù)趨勢
智能傳感器的概念：
智能傳感器是集成傳感器、執(zhí)行器和電子電路的智能設(shè)備，或集成傳感元件和微處理器，并具有監(jiān)控和處理功能的設(shè)備。智能傳感器最大的特點就是輸出數(shù)字信號，方便后續(xù)計算處理。智能傳感器的功能包括信號感知、信號處理、數(shù)據(jù)驗證和解釋、信號傳輸和轉(zhuǎn)換等。主要部件包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、收發(fā)器、微控制器、放大器等。
什么是傳感器和智能傳感器？
傳感器是將特定物理量轉(zhuǎn)換為電信號以檢測、測量或指示它們的設(shè)備。當(dāng)傳感器感應(yīng)到并發(fā)送信息時，執(zhí)行器被激活并開始工作。執(zhí)行器接收信號并設(shè)置其所需的動作，以便它可以在環(huán)境中動作。
智能傳感器是指能夠感知、收集并獨立判斷、分析和處理外部環(huán)境信息的智能傳感器設(shè)備。智能傳感器是具有信息采集、處理、交換、存儲和傳輸功能的多元件集成電路。它們是集成傳感器、通信模塊、微處理器、驅(qū)動程序和接口以及軟件算法的系統(tǒng)級設(shè)備。診斷和自我補償能力，以及感官融合和靈活的溝通能力。
智能傳感器的優(yōu)勢是什么？
自檢、自校準和自診斷：自診斷功能在開機時執(zhí)行自檢，并使用診斷測試來確定組件是否出現(xiàn)故障?？筛鶕?jù)使用時間在線修正，微處理器利用存儲的測量特性數(shù)據(jù)進行比對驗證。
感應(yīng)融合：智能傳感器可以同時測量多個物理和化學(xué)量，給出更全面反映物質(zhì)運動規(guī)律的信息。例如，聚變液體傳感器可以同時測量介質(zhì)的溫度、流量、壓力和密度。機械傳感器如何同時測量物體某一點的三維振動加速度、速度、位移等。
精度高：智能傳感器具有信息處理功能，不僅可以通過軟件修正各種確定性系統(tǒng)誤差，還能對隨機誤差進行適當(dāng)補償，降低噪聲，從而大大提高傳感器的精度。
高可靠性：集成傳感器系統(tǒng)消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些不可靠因素，提高了整個系統(tǒng)的抗干擾性能。同時還具有診斷、校準、數(shù)據(jù)存儲等功能，穩(wěn)定性好。
性價比：同等精度要求下，多功能智能傳感器的性價比明顯高于單一功能的普通傳感器，尤其是在集成了更便宜的微控制器之后。
功能多樣化：智能傳感器可實現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)綜合測量，通過編程擴展測量和使用范圍。它具有一定的自適應(yīng)能力，可以根據(jù)檢測對象或條件的變化，從輸出數(shù)據(jù)中相應(yīng)地改變范圍。具有數(shù)字通訊接口功能，可直接發(fā)送到遠程計算機進行處理。具有多種數(shù)據(jù)輸出形式，適用于各種應(yīng)用系統(tǒng)。
信號歸一化：傳感器的模擬信號由放大器歸一化，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。微處理器還以串行、并行、頻率、相位和脈沖等各種數(shù)字傳輸形式進行數(shù)字歸一化。
智能傳感器的需求增長驅(qū)動力：
物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的日益普及
汽車電氣化和智能化趨勢
可穿戴消費電子產(chǎn)品的普及
傳感器技術(shù)和 MEMS 制造工藝的進步
在智能手機中越來越多地使用各種傳感器
工業(yè)自動化和智能制造需求旺盛
智慧城市、交通和樓宇智能
智能傳感器市場：
2020-2027年，全球智能傳感器市場將以18.6%的CAGR增長，2027年將達到1436.5億美元。其中，汽車行業(yè)是全球最大的智能傳感器應(yīng)用市場，占比約四分之一。在2020-2027年的預(yù)測期內(nèi)，汽車智能傳感器市場增長率預(yù)計將達到21.7%。此外，可穿戴設(shè)備和醫(yī)療保健應(yīng)用將為智能傳感器帶來近期的增長機會。從技術(shù)角度來看，微機電系統(tǒng)（MEMS）占據(jù)了超過 50% 的市場份額。在預(yù)測期內(nèi)，納米機電系統(tǒng) (NEMS) 預(yù)計將成為增長最快的產(chǎn)品類型，但 MEMS 技術(shù)仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的智能傳感器技術(shù)趨勢：
物聯(lián)網(wǎng)的快速增長和普及推動了對智能傳感器的強勁需求。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景有很多，如下：
智能穿戴：在許多可穿戴設(shè)備中，傳感器是核心設(shè)備，也是設(shè)備的價值主張。虛擬增強和混合現(xiàn)實（VR/AR/MR）設(shè)備依靠全套傳感器使用戶能夠與周圍環(huán)境進行交互，而虛擬內(nèi)容需要一組核心傳感器來實現(xiàn)人與環(huán)境的交互。例如運動傳感器、生物傳感器和環(huán)境傳感器。智能可穿戴設(shè)備包括五個模塊：處理器和內(nèi)存、電源、無線通信、傳感器和執(zhí)行器。其中，傳感器是五個模塊的創(chuàng)新要素，是人與物通信的核心。由于傳感器技術(shù)的進步，可穿戴設(shè)備現(xiàn)在可以實現(xiàn)更準確的數(shù)據(jù)監(jiān)控。
智能家居：智能家居以住宅為基礎(chǔ)，集安防監(jiān)控、家電控制、燈光控制、背景音樂、語音控制于一體?？陕?lián)動集中管理，提供更加方便、舒適、安全、節(jié)能的家庭生活環(huán)境。智能家居系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行器、控制中心、通信網(wǎng)絡(luò)等組成，通過各類傳感器獲取室內(nèi)環(huán)境的各種數(shù)據(jù)。家庭中使用的傳感器包括溫度傳感器、圖像傳感器、光電傳感器和空氣傳感器。
智慧城市：智慧城市是使用信息和通信技術(shù) (ICT) 框架來改善城市管理和鼓勵經(jīng)濟增長的城市。ICT 與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) (IoT) 交互，后者可以接收、分析和傳輸有關(guān)當(dāng)前狀況和事件的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)包括任何可以使城市更高效或更易于訪問的設(shè)備，包括手機、智能車輛、安全攝像頭和嵌入道路的傳感器。智慧城市的主要特征是物理和技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境監(jiān)測和響應(yīng)能力以及為市民提供的智能服務(wù)。首先是技術(shù)基礎(chǔ)，其中包括通過高速通信網(wǎng)絡(luò)連接的大量智能手機和傳感器。第二層由特定于應(yīng)用程序的工具組成，這些工具需要正確的工具將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為警報、洞察力和行動。第三層是城市、企業(yè)和公眾的利用。在智慧城市中，傳感器、攝像頭、無線設(shè)備和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。其中，傳感是智能基礎(chǔ)設(shè)施的核心，傳感器是城市景觀中隱藏但無處不在的組成部分，是任何智能控制系統(tǒng)的重要組成部分。傳感器網(wǎng)絡(luò)包括聲學(xué)、激光雷達、雷達、3D 攝像頭傳感器、環(huán)境傳感器、流量傳感器、氣體傳感器以及濕度和溫度傳感器。集成傳感器系統(tǒng)促進與應(yīng)用程序和集中式平臺的無縫互連。為特定目的而構(gòu)建的傳感器網(wǎng)絡(luò)可以支持其他幾個連接的應(yīng)用程序，例如環(huán)境監(jiān)測和公共安全，而這種集中式網(wǎng)絡(luò)將有助于減少重復(fù)投資成本并消除對多個單獨的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的需求。
智能交通：智能交通是利用各種智能技術(shù)和設(shè)備，推動交通數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。其中，網(wǎng)絡(luò)化對于智能交通的發(fā)展至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)的使用可以使交通的各個環(huán)節(jié)和環(huán)節(jié)順利聯(lián)網(wǎng)，不僅可以有效加強交通監(jiān)管，提升交通服務(wù)，還可以進一步完善現(xiàn)有的交通業(yè)態(tài)。智能交通系統(tǒng)（ITS）在城市交通中的應(yīng)用體現(xiàn)在微觀的交通信息采集、交通控制、引導(dǎo)等方面。它通過提高交通信息的有效利用和管理來提高交通系統(tǒng)的效率，主要是通過信息采集輸入、策略控制、子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)之間的輸出執(zhí)行、數(shù)據(jù)傳輸和通信。信息采集子系統(tǒng)通過傳感器采集車輛和道路信息，策略控制子系統(tǒng)利用計算方法根據(jù)設(shè)定目標計算最優(yōu)解，并輸出控制信號給執(zhí)行子系統(tǒng)，引導(dǎo)和控制車輛通行，達到預(yù)設(shè)目標。
智能電網(wǎng)：智能電網(wǎng)是通過信息技術(shù)實現(xiàn)能源資源開發(fā)、轉(zhuǎn)換發(fā)電、輸配電、供電、售電和用電，以節(jié)約用電為目標的電網(wǎng)系統(tǒng)。智能電網(wǎng)的好處在于減少二氧化碳排放、節(jié)約能源和減少停電，而建設(shè)智能電網(wǎng)所需的投資主要用于電力設(shè)施的終端配電系統(tǒng)和終端信息系統(tǒng)，其中很大一部分是上面投資了傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是智能電網(wǎng)改造的重要組成部分，關(guān)鍵是將傳感器引入各級電網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)中。感知層、網(wǎng)絡(luò)層、WSN和應(yīng)用層是智能電網(wǎng)的三層。其中，感知層包括二維碼標簽和閱讀器、RFID標簽和閱讀器、攝像頭、各種傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)。WSN感知層的功能是感知和識別物體，收集和捕獲信息。
智能建筑：智能建筑不同于智能家居，特指辦公樓、商場、酒店等非住宅建筑。這些建筑物中的設(shè)備連接到傳感器，這些傳感器可以提供能源消耗信息并自動做出優(yōu)化運營的決策。一系列聯(lián)網(wǎng)傳感器收集環(huán)境信息，以及有關(guān)建筑運營和使用的數(shù)據(jù)。這些信息既可以在邊緣處理，也可以發(fā)送到在本地或云端運行的中央 BMS 系統(tǒng)。然后，此信息用于觸發(fā)自動操作，以調(diào)整 HVAC 系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和建筑物中的許多其他設(shè)備。通過在具有傳感器、執(zhí)行器和控制器的不同子系統(tǒng)之間建立交叉連接，建筑物可以變得智能。
智能農(nóng)業(yè)：智能農(nóng)業(yè)，也稱為精準農(nóng)業(yè)，使用最少的資源，如水、肥料和種子，以最大限度地提高產(chǎn)量。通過部署傳感器和測繪領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)工作者開始從微觀角度了解農(nóng)作物的生長過程，科學(xué)地節(jié)約資源，減少對環(huán)境的影響。許多傳感技術(shù)用于精準農(nóng)業(yè)，它們提供的數(shù)據(jù)有助于監(jiān)測和優(yōu)化作物并適應(yīng)不斷變化的環(huán)境因素。這些包括位置傳感器、光學(xué)傳感器、電化學(xué)傳感器、機械傳感器、土壤濕度傳感器和氣流傳感器。
智慧醫(yī)療：醫(yī)用傳感器常用于昂貴的醫(yī)療器械中，因此醫(yī)用電子傳感器是一種高價值類型的傳感器。醫(yī)用傳感器按其工作原理和應(yīng)用形式分類。按工作原理分為物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、生物電極傳感器。按應(yīng)用形式分為植入式傳感器、臨時植入式傳感器、體外傳感器、外接設(shè)備用傳感器、可食用傳感器。隨著材料技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，柔性基體材料以其柔韌性、可彎曲性、延展性、耐磨性等優(yōu)勢逐漸進入醫(yī)療市場。柔性傳感器具有柔性基體材料的優(yōu)點，對人體適應(yīng)性強，對可穿戴設(shè)備和植入設(shè)備都有很好的適應(yīng)性。柔性傳感器可用于智能創(chuàng)可貼、智能繃帶、柔性血氧儀和柔性可穿戴離子濕度傳感器。
環(huán)境監(jiān)測：傳感器技術(shù)在環(huán)境檢測中的應(yīng)用體現(xiàn)在兩個方面：與檢測材料中的污染物發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，判斷檢測材料中是否存在污染物?；瘜W(xué)信號被轉(zhuǎn)換成電信號。傳感器技術(shù)的應(yīng)用大大提高了環(huán)境檢測結(jié)果的可靠性。根據(jù)檢測方法的不同，傳感器技術(shù)可分為光學(xué)傳感器和電化學(xué)傳感器。不同的反應(yīng)機制可分為生物傳感器和免疫傳感器。不同的檢測對象可分為液體傳感器和氣體傳感器。生物傳感器的基本原理是利用功能基因、抗體等生物材料作為敏感材料，利用信號采集裝置采集生化信息，并將生化信息轉(zhuǎn)化為電信號進行分析。隨著生物傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，敏感材料和傳感器元件越來越多，有助于準確識別環(huán)境中更多的污染物。與傳統(tǒng)傳感器相比，生物傳感器選擇性更強、操作更簡單、測試更快、結(jié)果更準確。生物傳感器技術(shù)多用于大氣環(huán)境檢測，包括二氧化硫檢測、二氧化氮檢測、重金屬離子檢測、農(nóng)藥殘留檢測等。
智能制造：智能傳感在制造過程中的典型應(yīng)用之一體現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于機械制造行業(yè)的數(shù)控機床上?，F(xiàn)代數(shù)控機床在檢測位移、位置、速度、壓力等方面配備了高性能傳感器，可實時監(jiān)控加工狀態(tài)、刀具狀態(tài)、磨損、能耗等，實現(xiàn)靈活的誤差補償和自更正。實現(xiàn)智能數(shù)控機床的發(fā)展趨勢。此外，采用基于視覺傳感器的視覺監(jiān)控技術(shù)，使數(shù)控機床的智能監(jiān)控更加便捷。智能傳感在汽車制造行業(yè)有很多應(yīng)用。以基于光學(xué)傳感的機器視覺為例，在工業(yè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用是視覺測量、視覺引導(dǎo)和視覺檢測。在汽車制造行業(yè)，視覺測量技術(shù)可以通過測量產(chǎn)品的關(guān)鍵尺寸、表面質(zhì)量、裝配效果來確保工廠的產(chǎn)品合格。視覺引導(dǎo)技術(shù)通過引導(dǎo)機器完成自動搬運，可以顯著提高自動化搬運、最佳匹配裝配和精確制孔。制造效率和車身裝配質(zhì)量。視覺檢測技術(shù)可以監(jiān)控車身制造過程的穩(wěn)定性，可以用來保證產(chǎn)品的完整性和可追溯性，有利于降低制造成本。高端裝備行業(yè)的傳感器多用于設(shè)備運維和健康管理。搭載航空發(fā)動機的智能傳感器使控制系統(tǒng)具備故障自診斷和故障處理能力，提高了系統(tǒng)應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境和精準控制的能力。在工業(yè)電子領(lǐng)域，生產(chǎn)、搬運、檢測、維護都涉及智能傳感器，如機械臂、AGV導(dǎo)航車、AOI檢測等設(shè)備。在消費電子和醫(yī)療電子領(lǐng)域，智能傳感器的應(yīng)用更加多樣化。例如，智能手機中比較常見的智能傳感器包括距離傳感器、光線傳感器、重力傳感器、圖像傳感器、三軸陀螺儀、電子羅盤等?？纱┐髟O(shè)備最基本的功能是通過傳感器實現(xiàn)運動感應(yīng)，通常內(nèi)置MEMS加速度計、心率傳感器、脈搏傳感器、陀螺儀、MEMS麥克風(fēng)等傳感器。智能家居涉及位置傳感器、接近傳感器、液位傳感器、流量和速度控制等技術(shù)。
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