Odată cu sosirea erei inteligente, cercetarea și aplicarea diverșilor senzori inteligenți au fost din ce în ce mai accentuate. Senzorii inteligenți au, de asemenea, capacități bogate de procesare a informațiilor pe baza senzorilor tradiționali și pot oferi funcții mai cuprinzătoare.
Acest articol introduce starea actuală de cercetare a temperaturii, presiunii, presiunii, inerțiale, senzorilor biochimici și RFID utilizate și rolurile lor cheie în modernizarea industrială și aplicațiile inovatoare, cum ar fi Internet of Things (IoT), Realitatea virtuală (VR), robotică, sănătate, etc., și așteaptă cu nerăbdare tendința de dezvoltare viitoare a senzorilor inteligenți.
Smart Senzor (senzor inteligent) se referă la senzor cu detectarea informațiilor, procesarea informațiilor, memoria informațională, gândirea logică și funcțiile de judecată.
În raport cu senzorii tradiționali care oferă doar semnale de tensiune analogică care caracterizează cantitatea fizică care trebuie măsurată, senzorii inteligenți folosesc pe deplin tehnologia de integrare și tehnologia microprocesorului, percepția setată, procesarea informației, comunicarea într -unul și pot oferi un anumit nivel de cunoștințe a informațiilor diseminate sub formă digitală.
De când NASA (NASA) a propus conceptul de senzori inteligenți în anii 1980, după zeci de ani de dezvoltare, senzorii inteligenți au devenit o direcție majoră de dezvoltare a tehnologiei senzorilor, reprezentând capacitățile de cercetare industrială și tehnologică a unei țări.
Condusă de epoca inteligentă actuală, importanța senzorilor a devenit mai proeminentă, nu numai în „Made in China 2025”, „Germania 2020 High-Tech Strategy” și Uniunea Europeană, Statele Unite, Coreea de Sud, Singapore, etc. . joacă un rol cheie.
Sisteme de înaltă performanță, de înaltă performanță, de înaltă performanță, sisteme automate, de măsurare și control, și dezvoltarea și dezvoltarea internetului lucrurilor bazate pe tehnologia de identificare a frecvenței radio, evidențiază din ce în ce mai mult importanța senzorilor inteligenți cu percepția, capacitatea cognitivă și a acesteia viguroasă și rapidă Dezvoltarea urgenței.
Odată cu dezvoltarea tehnologiei MEMS compatibile cu CMOS, dezvoltarea senzorilor inteligenți în miniatură a primit un suport tehnic puternic, industria senzorilor inteligenți se confruntă cu o oportunitate de dezvoltare istorică foarte importantă.
Această lucrare rezumă starea de dezvoltare a diferitelor tipuri de tehnologii și aplicații senzor inteligent și face o perspectivă asupra tendinței de dezvoltare viitoare.
1 senzori inteligenți bogați și diversi care
Pentru a răspunde nevoilor diferitelor aplicații inteligente, categoriile de senzori sunt foarte diverse, cum ar fi: senzori de mediu, senzori inerțiali, senzori analogici, senzori magnetici, biosenzori, senzori infraroșii, senzori de vibrații, senzori de presiune, senzori cu ultrasunete și așa mai departe.
Printre aceștia, următorii senzori sunt mai des utilizați.
Senzori de mediu, în principal senzori de gaz, senzori de presiune barometrică, senzori de temperatură, senzori de umiditate și așa mai departe.Senzorii de gaz pot fi aplicați la purificatorii de aer, monitoarele DUI, detectoarele de formaldehidă și alte gaze toxice în mobilierul pentru casă, precum și dispozitivele de detectare pentru gazele de evacuare industriale. Pe măsură ce oamenii acordă atenție problemelor de mediu, importanța senzorilor de mediu devine din ce în ce mai proeminentă și există mult loc pentru dezvoltare în viitor.
Senzori inerțiali, folosiți în principal în produse purtabile, cum ar fi brățări inteligente, ceasuri inteligente, căști VR și așa mai departe.Senzorul inerțial este utilizat pentru a detecta urmărirea și identificarea mișcării, informând purtătorul cantității de exerciții fizice, calorii consumate și efectul exercițiilor fizice în acea zi.
Senzori magnetici, care sunt folosiți în principal în aparatele de uz casnic, cum ar fi producătorii de cafea, încălzitoarele de apă, aparatele de aer condiționat etc., sunt folosiți pentru a detecta cât de mult s -a transformat unghiul sau cât de multă călătorie a fost făcută și sunt de obicei afișate pe tabloul de bord. În plus, senzorii magnetici sunt, de asemenea, folosiți în magneții ușilor și magneții ferestrelor, etc. Inteligența și exactitatea roboților au, de asemenea, nevoie de senzori magnetici pentru sprijin.
Senzori analogici, care sunt utilizați în principal în dispozitivele medicale inteligente,Poate fi utilizat ca intrări pentru semnale precum bătăile inimii și electrocardiogramele și vizualizează producția datelor de sănătate, astfel încât utilizatorii să înțeleagă datele lor de sănătate și exerciții fizice.
Senzorii cu infraroșu sunt adesea folosiți în camere cu infraroșu, roboți măturați și alte case inteligente.
2 Progresul cercetării tehnice asupra senzorilor inteligenți
Un senzor cu adevărat inteligent ar trebui să aibă următoarele funcții:
1) funcții de auto-calibrare, auto-calibrare și compensare automată;
2) funcții de colectare automată a datelor, judecată logică și prelucrarea datelor;
3) funcții de auto-ajustare și auto-adaptare;
(4) un anumit grad de funcții de stocare, identificare și procesare a informațiilor;
5) comunicare bidirecțională, ieșire digitală standard sau funcție de ieșire a simbolului;
(6) funcții de judecată algoritmică, luare a deciziilor și procesare.
Următorul este un exemplu de senzori utilizați de temperatură, presiune, inerțială, biochimică și RFID utilizată pentru a introduce progresul cercetării tehnologiei de detectare inteligentă.
2.1 Senzori de temperatură inteligentă
Dezvoltarea senzorilor de temperatură a trecut prin următoareleTrei etape: senzori tradiționali de temperatură discretă, senzori de temperatură integrați analogici și senzori inteligenți de temperatură în ansamblu.
În secolul XXI, senzorii de temperatură inteligenți se îndreaptă către o precizie ridicată, multifuncțională, standardizarea autobuzelor, fiabilitate ridicată și siguranță, dezvoltarea senzorilor virtuali și a senzorilor de rețea, dezvoltarea sistemului monolitic de măsurare a temperaturii și a altor direcții de dezvoltare rapidă.
Senzorul de temperatură inteligent curentă conține un senzor de temperatură, un convertor A/D, procesor de semnal, circuite de memorie și interfață, unele produse au, de asemenea, un multiplexor, un controler central, stocare cu acces aleatoriu și memorie numai pentru citire.
Senzorii de temperatură inteligenți se caracterizează prin capacitatea de a ieși datele de temperatură și volumul de control al temperaturii aferent, adaptat la o varietate de micro-controleri și se bazează pe hardware prin intermediul software-ului pentru a atinge funcția de testare, gradul de inteligență depinde de nivel de dezvoltare software.
(1) Îmbunătățirea preciziei și rezoluției măsurării
Cei mai vechi senzori de temperatură inteligenți au început la mijlocul -1990 s, folosind 8- bit a/d convertor, precizia sa de măsurare a temperaturii este scăzută, rezoluția poate atinge doar 1 grad.
În prezent, țările străine au lansat o varietate de senzori de temperatură inteligenți de înaltă precizie, de înaltă rezoluție, folosind 9 ~ 12- Bit A/D Converter, rezoluția poate ajunge la 0. 5 ~ {{6 }}. 625 grade. De către Dallas Semiconductor Corporation, recent dezvoltat DS 1624- Senzor de temperatură inteligent de înaltă rezoluție care poate ieși {{1 0}} biți date binare, rezoluție la fel de mare ca 0. 03 grade , Precizia de măsurare a temperaturii de ± 0,2 grade.
Pentru a îmbunătăți rata de conversie a senzorului de temperatură inteligentă multi-canal, există, de asemenea, jetoane care utilizează o aproximare succesivă de mare viteză A/D convertor. AD7817 TIP 5- Senzor de temperatură inteligent al canalului, de exemplu, este senzorul local, fiecare timp de conversie a senzorului de la distanță de doar 27 ms, respectiv 9 ms.
In terms of high-precision temperature measurement, some scholars have designed a high-performance digital temperature sensor, which consists of a quartz tuning fork resonator, a digital interface circuit and a sensor reset control algorithm based on the field-programmable gate array, and Sensibilitatea senzorului poate atinge numărul de grad 10 -6, adică rezoluția de măsurare a temperaturii a 0. 0 01 grade, timpul de răspuns al 1 s și precizia măsurării este de 0,01 grade.
(2) Funcții de testare îmbunătățite
Noua funcție de testare a senzorului de temperatură inteligentă este constant îmbunătățită. Senzorii de temperatură inteligenți au o varietate de moduri de funcționare din care să aleagă, inclusiv modul de conversie unic, modul de conversie continuă, modul de așteptare, iar unele au adăugat, de asemenea, un mod de expansiune limită la temperaturi scăzute.
Pentru unii senzori de temperatură inteligenți, gazda (microprocesor extern sau microcontroler) poate fi, de asemenea, setată prin registrele corespunzătoare ale ratei sale de conversie A/D, rezoluției și timpului maxim de conversie.
În plus, senzorii de temperatură inteligenți se dezvoltă de la direcția unică la mai multe canale, ceea ce creează condiții bune pentru dezvoltarea sistemului de măsurare și control al temperaturii multi-canal.
(3) Standardizarea și standardizarea tehnologiei autobuzului
În prezent, tehnologia inteligentă a autobuzului senzorului de temperatură a fost, de asemenea, standardizată și normalizată, autobuzul utilizat sunt în principal autobuzul cu un singur fir (-wire), autobuzul I 2 C, autobuzul SMBUS și autobuzul SPI.
(4) fiabilitate și proiectare a siguranței
Pentru a evita acțiunea falsă atunci când sistemul de control al temperaturii este supus interferențelor de zgomot, în interiorul unor senzori de temperatură inteligenți, este configurat un contor de coadă de eroare programabil limitele superioare și inferioare. Portul de întrerupere poate fi declanșat numai atunci când numărul de ori temperatura măsurată depășește continuu limita superioară sau scade sub limita inferioară atinge numărul setat de ori, ceea ce evită influența interferenței ocazionale de zgomot asupra sistemului de control al temperaturii.
Pentru a preveni deteriorarea cipului din cauza descărcării electrostatice umane, unii senzori inteligenți de temperatură au crescut, de asemenea, circuitul de protecție electrostatică, în general pot rezista la 1 ~ 4 kV de tensiune de descărcare electrostatică.
De exemplu, interfața serială a senzorului de temperatură inteligentă TCN75, ieșirile semnalului de întrerupere/comparație și intrările de adresă pot rezista la 1 kV de tensiune de descărcare electrostatică. LM83 Senzorul de temperatură inteligent poate rezista la 4 kV de tensiune de descărcare electrostatică.
2.2 Senzori de presiune inteligentă
Senzorii de presiune inteligenți sunt o combinație de microprocesoare și senzori de presiune, astfel încât căile lor de implementare pot fi împărțite în: senzori de presiune inteligenți neintegrați, senzori integrați de presiune inteligenți și senzori de presiune inteligenți hibride.
Senzorii de presiune inteligentă neintegrată sunt sisteme de senzori de presiune inteligentă care combină senzori tradiționali de presiune, circuite de condiționare a semnalului și microprocesoare cu interfețe digitale de bus într-un singur sistem.
Acest senzor de presiune neintegrată este de fapt un sistem de senzor de presiune convențional cu o conexiune adăugată de microprocesor. Prin urmare, este unul dintre cele mai rapide moduri și mijloace de a realiza un sistem de senzori de presiune inteligentă.
Senzorul integrat de presiune inteligentă este o integrare monolitică a elementelor sensibile la presiune cu procesarea semnalului, calibrarea, compensarea, microcontrolerul, etc. Adoptează în principal tehnologia de proces integrat pe scară largă a sistemului microelectromecanic (MEMS) și utilizează siliciul ca material de bază material de bază Pentru a face elementele sensibile, circuitele de condiționare a semnalului și unitățile de microprocesor și le integrează pe un singur Chip.
Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei microelectronice și aplicarea micro-nanotehnologiei, senzorul de presiune inteligentă rezultată are caracteristicile miniaturizării, integrării structurale, preciziei ridicate, multifuncției, tabloului, digitalizării complete, ușor de utilizat, ușor de operat și astfel pe.
Senzorul de presiune inteligentă hibrid este în funcție de nevoile și posibilitățile sistemului diferitelor legături integrate, cum ar fi unități sensibile, circuite de condiționare a semnalului, unități de microprocesor, interfețe de bus digitale, în diferite combinații integrate în 2 ~ 3 cipuri și ambalate într -o coajă .
Integrarea hibridă pentru realizarea inteligenței este o cale inteligentă care este potrivită pentru dezvoltarea tehnologică actuală. În sistemul de senzori de presiune inteligentă, microprocesorul poate realiza controlul software-ului senzorului în conformitate cu programul dat, schimbând senzorul de la o singură funcție la o funcție multifuncțională. Senzorii de presiune inteligenți au, în general, următoarele funcții de bază.
(1) Funcții de prelucrare a datelor.Senzorii de presiune inteligenți nu numai că măsoară parametrii măsurați, dar și în funcție de parametrii măsurați cunoscuți, pot fi automat zero, echilibrat automat, compensat automat și așa mai departe.
(2) Funcția de diagnosticare automată.Aceasta este principala funcție a senzorilor de presiune inteligentă, a senzorilor de presiune inteligenți prin intermediul software-ului său de diagnostic de erori și software de auto-testare, senzori automați și starea sistemului pentru detectarea regulată și neregulată, testarea, detectarea în timp util a defecțiunilor, pentru a ajuta la diagnosticul cauzei a eșecului, a locației și a oferi sfaturi operaționale.
(3) Funcția de configurare a software -ului.Senzorii de presiune inteligenți datorită utilizării microprocesoarelor, astfel încât nu există doar componentele hardware necesare, cum ar fi detectarea, amplificarea, A / D, D / A, Interfețe de comunicare etc., dar și resurse software pentru controlul și procesarea lui date. În senzorul de presiune inteligentă, există un hardware multi-modular și un software configurat, astfel încât utilizatorul să poată trimite comenzi prin microprocesor pentru a îndeplini diferite funcții, ceea ce crește flexibilitatea și fiabilitatea senzorului.
2.3 Senzori inerțiali inteligenți
Senzori inerțiali, cel mai utilizat tip de senzori MEMS, includ accelerometre, giroscopuri și senzori de orientare.
Modulele de măsurare inerțială de astăzi (IMUS) pot integra un accelerometru triaxial, giroscop triaxial și magnetometru triaxial cu o dimensiune de 10 mm x 10 mm x 4 mm la un cost mai mic decât un dolar. Acest modul de măsurare inerțială poate fi aplicat pe smartphone -uri și dispozitive purtabile pentru a realiza funcții sportive și de sănătate, inclusiv monitorizarea mersului, numărarea treptelor, detectarea căderilor, monitorizarea somnului, navigarea interioară etc., precum și funcții de divertisment, cum ar fi recunoașterea gesturilor și detectarea direcției.