智能傳感器技術(shù)發(fā)展及其應用場(chǎng)景
2022-08-08
文章詳情
智能傳感器技術(shù)發(fā)展及其應用場(chǎng)景
隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)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、信號調理電路控制器組成，具有數據采集、轉換、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(shí)現更輕松的組網(wǎng)，從而擴大傳感器的應用范圍，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(cháng)驅動(dòng)力
智能傳感器市場(chǎng)
物聯(lián)網(wǎng)應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、執行器和電子電路的智能設備，或集成傳感元件和微處理器，并具有監控和處理功能的設備。智能傳感器最大的特點(diǎn)就是輸出數字信號，方便后續計算處理。智能傳感器的功能包括信號感知、信號處理、數據驗證和解釋、信號傳輸和轉換等。主要部件包括A/D和D/A轉換器、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換為電信號以檢測、測量或指示它們的設備。當傳感器感應到并發(fā)送信息時(shí)，執行器被激活并開(kāi)始工作。執行器接收信號并設置其所需的動(dòng)作，以便它可以在環(huán)境中動(dòng)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、驅動(dòng)程序和接口以及軟件算法的系統級設備。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(kāi)機時(shí)執行自檢，并使用診斷測試來(lái)確定組件是否出現故障?？筛鶕褂脮r(shí)間在線(xiàn)修正，微處理器利用存儲的測量特性數據進(jìn)行比對驗證。
感應融合：智能傳感器可以同時(shí)測量多個(gè)物理和化學(xué)量，給出更全面反映物質(zhì)運動(dòng)規律的信息。例如，聚變液體傳感器可以同時(shí)測量介質(zhì)的溫度、流量、壓力和密度。機械傳感器如何同時(shí)測量物體某一點(diǎn)的三維振動(dòng)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(guò)軟件修正各種確定性系統誤差，還能對隨機誤差進(jìn)行適當補償，降低噪聲，從而大大提高傳感器的精度。
高可靠性：集成傳感器系統消除了傳統結構的一些不可靠因素，提高了整個(gè)系統的抗干擾性能。同時(shí)還具有診斷、校準、數據存儲等功能，穩定性好。
性?xún)r(jià)比：同等精度要求下，多功能智能傳感器的性?xún)r(jià)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(shí)現多傳感器、多參數綜合測量，通過(guò)編程擴展測量和使用范圍。它具有一定的自適應能力，可以根據檢測對象或條件的變化，從輸出數據中相應地改變范圍。具有數字通訊接口功能，可直接發(fā)送到遠程計算機進(jìn)行處理。具有多種數據輸出形式，適用于各種應用系統。
信號歸一化：傳感器的模擬信號由放大器歸一化，然后由模數轉換器轉換為數字信號。微處理器還以串行、并行、頻率、相位和脈沖等各種數字傳輸形式進(jìn)行數字歸一化。
智能傳感器的需求增長(cháng)驅動(dòng)力：
物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的日益普及
汽車(chē)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(jìn)步
在智能手機中越來(lái)越多地使用各種傳感器
工業(yè)自動(dòng)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(chǎng)：
2020-2027年，全球智能傳感器市場(chǎng)將以18.6%的CAGR增長(cháng)，2027年將達到1436.5億美元。其中，汽車(chē)行業(yè)是全球最大的智能傳感器應用市場(chǎng)，占比約四分之一。在2020-2027年的預測期內，汽車(chē)智能傳感器市場(chǎng)增長(cháng)率預計將達到21.7%。此外，可穿戴設備和醫療保健應用將為智能傳感器帶來(lái)近期的增長(cháng)機會(huì )。從技術(shù)角度來(lái)看，微機電系統（MEMS）占據了超過(guò) 50% 的市場(chǎng)份額。在預測期內，納米機電系統 (NEMS) 預計將成為增長(cháng)最快的產(chǎn)品類(lèi)型，但 MEMS 技術(shù)仍將占據主導地位。
物聯(lián)網(wǎng)應用的智能傳感器技術(shù)趨勢：
物聯(lián)網(wǎng)的快速增長(cháng)和普及推動(dòng)了對智能傳感器的強勁需求。物聯(lián)網(wǎng)應用場(chǎng)景有很多，如下：
智能穿戴：在許多可穿戴設備中，傳感器是核心設備，也是設備的價(jià)值主張。虛擬增強和混合現實(shí)（VR/AR/MR）設備依靠全套傳感器使用戶(hù)能夠與周?chē)h(huán)境進(jìn)行交互，而虛擬內容需要一組核心傳感器來(lái)實(shí)現人與環(huán)境的交互。例如運動(dòng)傳感器、生物傳感器和環(huán)境傳感器。智能可穿戴設備包括五個(gè)模塊：處理器和內存、電源、無(wú)線(xiàn)通信、傳感器和執行器。其中，傳感器是五個(gè)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(jìn)步，可穿戴設備現在可以實(shí)現更準確的數據監控。
智能家居：智能家居以住宅為基礎，集安防監控、家電控制、燈光控制、背景音樂(lè )、語(yǔ)音控制于一體?？陕?lián)動(dòng)集中管理，提供更加方便、舒適、安全、節能的家庭生活環(huán)境。智能家居系統由傳感器、執行器、控制中心、通信網(wǎng)絡(luò )等組成，通過(guò)各類(lèi)傳感器獲取室內環(huán)境的各種數據。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(lái)改善城市管理和鼓勵經(jīng)濟增長(cháng)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)當前狀況和事件的數據。物聯(lián)網(wǎng)包括任何可以使城市更高效或更易于訪(fǎng)問(wèn)的設備，包括手機、智能車(chē)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)基礎設施、環(huán)境監測和響應能力以及為市民提供的智能服務(wù)。首先是技術(shù)基礎，其中包括通過(guò)高速通信網(wǎng)絡(luò )連接的大量智能手機和傳感器。第二層由特定于應用程序的工具組成，這些工具需要正確的工具將原始數據轉換為警報、洞察力和行動(dòng)。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(wú)線(xiàn)設備和數據中心網(wǎng)絡(luò )構成了關(guān)鍵基礎設施。其中，傳感是智能基礎設施的核心，傳感器是城市景觀(guān)中隱藏但無(wú)處不在的組成部分，是任何智能控制系統的重要組成部分。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。集成傳感器系統促進(jìn)與應用程序和集中式平臺的無(wú)縫互連。為特定目的而構建的傳感器網(wǎng)絡(luò )可以支持其他幾個(gè)連接的應用程序，例如環(huán)境監測和公共安全，而這種集中式網(wǎng)絡(luò )將有助于減少重復投資成本并消除對多個(gè)單獨的復雜網(wǎng)絡(luò )的需求。
智能交通：智能交通是利用各種智能技術(shù)和設備，推動(dòng)交通數字化、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(gè)環(huán)節和環(huán)節順利聯(lián)網(wǎng)，不僅可以有效加強交通監管，提升交通服務(wù)，還可以進(jìn)一步完善現有的交通業(yè)態(tài)。智能交通系統（ITS）在城市交通中的應用體現在微觀(guān)的交通信息采集、交通控制、引導等方面。它通過(guò)提高交通信息的有效利用和管理來(lái)提高交通系統的效率，主要是通過(guò)信息采集輸入、策略控制、子系統與其他子系統之間的輸出執行、數據傳輸和通信。信息采集子系統通過(guò)傳感器采集車(chē)輛和道路信息，策略控制子系統利用計算方法根據設定目標計算最優(yōu)解，并輸出控制信號給執行子系統，引導和控制車(chē)輛通行，達到預設目標。
智能電網(wǎng)：智能電網(wǎng)是通過(guò)信息技術(shù)實(shí)現能源資源開(kāi)發(fā)、轉換發(fā)電、輸配電、供電、售電和用電，以節約用電為目標的電網(wǎng)系統。智能電網(wǎng)的好處在于減少二氧化碳排放、節約能源和減少停電，而建設智能電網(wǎng)所需的投資主要用于電力設施的終端配電系統和終端信息系統，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)的層次結構中。感知層、網(wǎng)絡(luò )層、WSN和應用層是智能電網(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(chǎng)、酒店等非住宅建筑。這些建筑物中的設備連接到傳感器，這些傳感器可以提供能源消耗信息并自動(dòng)做出優(yōu)化運營(yíng)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(yíng)和使用的數據。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。然后，此信息用于觸發(fā)自動(dòng)操作，以調整 HVAC 系統、照明系統和建筑物中的許多其他設備。通過(guò)在具有傳感器、執行器和控制器的不同子系統之間建立交叉連接，建筑物可以變得智能。
智能農業(yè)：智能農業(yè)，也稱(chēng)為精準農業(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(guò)部署傳感器和測繪領(lǐng)域，農業(yè)工作者開(kāi)始從微觀(guān)角度了解農作物的生長(cháng)過(guò)程，科學(xué)地節約資源，減少對環(huán)境的影響。許多傳感技術(shù)用于精準農業(yè)，它們提供的數據有助于監測和優(yōu)化作物并適應不斷變化的環(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。
智慧醫療：醫用傳感器常用于昂貴的醫療器械中，因此醫用電子傳感器是一種高價(jià)值類(lèi)型的傳感器。醫用傳感器按其工作原理和應用形式分類(lèi)。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。按應用形式分為植入式傳感器、臨時(shí)植入式傳感器、體外傳感器、外接設備用傳感器、可食用傳感器。隨著(zhù)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(jìn)入醫療市場(chǎng)。柔性傳感器具有柔性基體材料的優(yōu)點(diǎn)，對人體適應性強，對可穿戴設備和植入設備都有很好的適應性。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)境監測：傳感器技術(shù)在環(huán)境檢測中的應用體現在兩個(gè)方面：與檢測材料中的污染物發(fā)生物理或化學(xué)反應，判斷檢測材料中是否存在污染物?；瘜W(xué)信號被轉換成電信號。傳感器技術(shù)的應用大大提高了環(huán)境檢測結果的可靠性。根據檢測方法的不同，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，并將生化信息轉化為電信號進(jìn)行分析。隨著(zhù)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(lái)越多，有助于準確識別環(huán)境中更多的污染物。與傳統傳感器相比，生物傳感器選擇性更強、操作更簡(jiǎn)單、測試更快、結果更準確。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、農藥殘留檢測等。
智能制造：智能傳感在制造過(guò)程中的典型應用之一體現在廣泛應用于機械制造行業(yè)的數控機床上?，F代數控機床在檢測位移、位置、速度、壓力等方面配備了高性能傳感器，可實(shí)時(shí)監控加工狀態(tài)、刀具狀態(tài)、磨損、能耗等，實(shí)現靈活的誤差補償和自更正。實(shí)現智能數控機床的發(fā)展趨勢。此外，采用基于視覺(jué)傳感器的視覺(jué)監控技術(shù)，使數控機床的智能監控更加便捷。智能傳感在汽車(chē)制造行業(yè)有很多應用。以基于光學(xué)傳感的機器視覺(jué)為例，在工業(yè)領(lǐng)域的主要應用是視覺(jué)測量、視覺(jué)引導和視覺(jué)檢測。在汽車(chē)制造行業(yè)，視覺(jué)測量技術(shù)可以通過(guò)測量產(chǎn)品的關(guān)鍵尺寸、表面質(zhì)量、裝配效果來(lái)確保工廠(chǎng)的產(chǎn)品合格。視覺(jué)引導技術(shù)通過(guò)引導機器完成自動(dòng)搬運，可以顯著(zhù)提高自動(dòng)化搬運、最佳匹配裝配和精確制孔。制造效率和車(chē)身裝配質(zhì)量。視覺(jué)檢測技術(shù)可以監控車(chē)身制造過(guò)程的穩定性，可以用來(lái)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)的傳感器多用于設備運維和健康管理。搭載航空發(fā)動(dòng)機的智能傳感器使控制系統具備故障自診斷和故障處理能力，提高了系統應對復雜環(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導航車(chē)、AOI檢測等設備。在消費電子和醫療電子領(lǐng)域，智能傳感器的應用更加多樣化。例如，智能手機中比較常見(jiàn)的智能傳感器包括距離傳感器、光線(xiàn)傳感器、重力傳感器、圖像傳感器、三軸陀螺儀、電子羅盤(pán)等?？纱┐髟O備最基本的功能是通過(guò)傳感器實(shí)現運動(dòng)感應，通常內置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)。
舉報/反饋
