智能传感器技术的发展及其应用场景

智能传感器的概念:

智能传感器是集传感器、执行器和电子电路为一体，或传感元件和微处理器为一体，具有监测和处理功能的智能设备。智能传感器最重要的特点是输出数字信号，可用于后续的计算和处理。智能传感器的功能包括信号感知、信号处理、数据验证与解释、信号传输与转换等。主要组件包括模数和数模(A/D和D/A)转换器、收发器、微控制器、放大器等。

什么是传感器和智能传感器?

传感器是一种检测、测量特定物理量并将其转换为电信号的装置。当传感器感知并向致动器发送信息时，致动器接收到信号并启动需要执行的动作。

智能传感器是指能够感知、采集并独立判断、分析和处理外部环境信息的智能传感器设备。智能传感器结合多组件集成电路来交换、存储和传输信息。

智能传感器的优势是什么?

1. 自检、自校正、自诊断:
   智能传感器的自诊断功能允许它们检测组件故障。他们使用微处理器访问存储的测量数据进行比较和验证，然后在线纠正系统。
2. 感应融合:
   智能传感器可以同时测量多种物理和化学量，提供的信息可以更全面地反映介质的组成、状态和运动。例如，融合液体传感器可以同时测量介质的温度、流量、压力和密度。也有机械传感器，可以同时测量三维振动和加速度，速度，位移等任何设定值的对象。
3. 精度高:
   智能传感器具有处理信息、纠正系统误差、补偿随机误差和降低噪声的能力，从而大大提高了传感器的精度。
4. 高可靠性:
   集成传感器系统消除了传统结构的一些不可靠因素，提高了整个系统的抗干扰性能。同时具有诊断、校准、数据存储等功能，稳定性好。
5. 成本效益:
   在相同精度要求下，多功能智能传感器的性价比明显高于单一功能的普通传感器，尤其是集成了更便宜的微控制器之后。
6. 多样化的功能:
   智能传感器可以实现多传感器、多参数的综合测量，并通过编程扩展测量和使用范围。它具有根据被检测对象或条件的变化来适应和改变输出数据范围的能力。具有数字通信接口和多种数据输出形式，适用于各种应用系统，可将数据直接发送到远程计算机进行处理。
7. 信号归一化:
   传感器的模拟信号经放大器归一化，然后经模数转换器转换为数字信号。微处理器还执行各种数字传输形式的数字归一化，如串行、并行、频率、相位和脉冲。

智能传感器需求增长动力:

• 物联网和工业物联网的日益普及
• 汽车电气化和智能化趋势
• 可穿戴消费电子产品的普及
• 传感器技术和MEMS制造工艺的进展
• 智能手机中越来越多地使用各种传感器
• 工业自动化和智能制造需求强劲
• 智慧城市、交通、建筑智能化

智能传感器市场:

从2020年到2027年，全球智能传感器市场将以18.6%的复合年增长率增长，到2027年将达到1436.5亿美元。其中，汽车行业是全球最大的智能传感器应用市场，约占四分之一。在2020-2027年预测期内，汽车智能传感器市场增长率预计将达到21.7%。此外，可穿戴设备和医疗保健应用将为智能传感器带来短期增长机会。从技术角度来看，微机电系统(MEMS)占市场的50%以上。纳米机电系统(NEMS)预计将成为预测期内增长最快的产品类型，但MEMS技术仍将占据主导地位。

面向物联网应用的智能传感器技术趋势:

物联网的快速发展和普及带动了对智能传感器的强劲需求。物联网的应用场景很多，具体如下:

1. 智能可穿戴:
   在许多可穿戴设备中，传感器是核心设备，也是设备的价值主张。虚拟增强和混合现实(VR/AR/MR)设备依赖于一整套传感器，如运动传感器、生物传感器和环境传感器，使用户能够与周围环境进行交互。虚拟内容需要一组核心传感器来实现人与环境的交互。智能可穿戴设备包括五个模块:处理器和内存、电源、无线通信、传感器和执行器。其中，传感器是五大模块的创新元素，是人与物通信的核心。由于传感器技术的进步，可穿戴设备现在可以实现更准确的数据监控。
2. 智能家居:
   智能家居以住宅为基础，集安防监控、家电控制、灯光控制、背景音乐、语音控制于一体。可以联动在一起，集中管理，提供更方便、舒适、安全、节能的家庭生活环境。智能家居系统由传感器、执行器、控制中心、通信网络等组成，通过各类传感器获取室内环境的各种数据。家庭中使用的传感器包括温度传感器、图像传感器、光电传感器和空气传感器。
3. 智能城市:
   智慧城市是指利用信息通信技术(ICT)框架来改善城市管理和促进经济增长的城市。ICT与所连接的网络(IoT)进行交互，IoT可以接收、分析和传输有关当前状况和事件的数据。物联网包括任何可以使城市更高效或更方便的设备，包括手机、智能汽车、安全摄像头和嵌入道路的传感器。智慧城市的主要特征是物理和技术基础设施、环境监测和响应能力以及为市民提供的智能服务。首先是技术基础，包括大量通过高速通信网络连接的智能手机和传感器。第二层由特定于应用程序的工具组成，这些工具需要合适的工具来将原始数据转换为警报、洞察和操作。第三层是城市、企业和公众的利用。
   在智慧城市中，传感器、摄像头、无线设备和数据中心组成的网络构成了关键的基础设施。其中，传感是智能基础设施的核心，传感器是城市景观中隐藏但无处不在的组成部分，是任何智能控制系统的重要组成部分。传感器网络包括声学、激光雷达、雷达、3D相机传感器、环境传感器、流量传感器、气体传感器、湿度和温度传感器。集成传感器系统促进与应用程序和集中平台的无缝连接。为特定目的而构建的传感器网络可以实现其他几个连接的应用，例如环境监测和公共安全，这种集中式网络将有助于减少重复投资成本，并消除对多个独立复杂网络的需求。未来的智慧城市主要通过电子传感器、红外传感器、热传感器、近距离传感器、激光雷达传感器等四种传感器技术来扩展智能功能。
4. 智能交通:
   智能交通是利用各种智能技术和设备，促进交通运输的数字化、网络化和智能化。其中，网络化对智能交通的发展至关重要。物联网的使用可以使交通的各个环节和各个方面成功网络化，不仅可以有效地加强交通监管，提升交通服务，还可以进一步完善现有的交通业态。智能交通系统(ITS)在城市交通中的应用主要体现在微观交通信息采集、交通控制、引导等方面。它通过提高交通信息的有效利用和管理来提高交通系统的效率，主要通过信息采集的输入、策略控制、输出执行、数据传输以及子系统与其他子系统之间的通信来实现。信息采集子系统通过传感器采集车辆和道路信息，策略控制子系统利用计算方法根据设定的目标计算出最优解，并向执行子系统输出控制信号，引导和控制车辆通过，实现预设目标。
5. 智能电网:
   智能电网是通过信息技术实现能源开发、转换发电、输配电、供电、售电和用电，以节电为目标的电网系统。智能电网的好处在于减少二氧化碳排放，节约能源，减少停电，而建设智能电网所需的投资主要花在电力设施的终端配电系统和终端信息系统上，其中很大一部分投资在上面的传感器网络上。传感器网络的构建是智能电网转型的重要组成部分，关键是将传感器引入到各级电网的分层结构中。无线传感器网络的感知层、网络层和应用层是智能电网的三层。其中，感知层包括二维码标签及读写器、RFID标签及读写器、摄像头、各种传感器、传感器网络等。WSN感知层的功能是感知和识别物体，收集和捕获信息。
6. 智能建筑:
   智能建筑不同于智能家居，专门指办公楼、商场、酒店等非住宅建筑。这些建筑中的设备与传感器相连，传感器可以提供能耗信息，并自动做出优化操作的决策。一系列联网传感器收集环境信息，以及建筑运行和使用的数据。这些信息既可以在边缘处理，也可以发送到在本地或云中运行的中央建筑管理系统(BMS)。然后，这些信息被用来触发自动操作，以调整暖通空调系统、照明系统和建筑物中的许多其他设备。通过在具有传感器、执行器和控制器的不同子系统之间创建交叉连接，建筑物可以变得智能。
7. 智能农业:
   智能农业，也被称为精确农业，使用最少的资源，如水、肥料和种子，以最大限度地提高产量。通过部署传感器和绘制农田地图，农业工作者开始从微观角度了解作物的生长过程，科学地节约资源，减少对环境的影响。精准农业中使用了许多传感技术，它们提供的数据可以帮助监测和优化作物，并适应不断变化的环境因素。这些传感器包括位置传感器、光学传感器、电化学传感器、机械传感器、土壤湿度传感器和气流传感器。
8. 智能医疗:
   医用传感器常用于昂贵的医疗设备中，因此医用电子传感器是一种高价值的传感器类型。医用传感器按其工作原理和应用形式进行分类。按工作原理分为物理传感器、化学传感器、生物传感器和生物电极传感器。根据申请表分为植入式传感器、临时植入式传感器、体外传感器、外部设备传感器、可食用传感器。随着材料技术和电子技术的发展，柔性基体材料以其柔韧性、可弯曲性、延伸性、可穿戴性等优点逐渐进入医疗市场。柔性传感器具有柔性基体材料的优点，对人体适应性强，对可穿戴设备和植入式设备都有良好的适应性。柔性传感器可用于智能创可贴、智能绷带、柔性血氧仪和柔性可穿戴离子湿度传感器。
9. 环境监测:
   传感器技术在环境检测中的应用体现在两个方面:与检测材料中的污染物发生物理或化学反应，判断检测材料中是否存在污染物。化学信号被转换成电信号。传感器技术的应用大大提高了环境检测结果的可靠性。根据检测方法的不同，传感器技术可分为光学传感器和电化学传感器。不同的反应机制可分为生物传感器和免疫传感器。不同的检测对象可分为液体传感器和气体传感器。
   生物传感器的基本原理是以功能基因、抗体等生物材料为敏感材料，利用信号采集装置采集生化信息，并将生化信息转化为电信号进行分析。随着生物传感器技术的不断发展，灵敏的材料和传感器元件越来越多，有助于准确识别环境中更多的污染物。与传统传感器相比，生物传感器更具选择性，更容易操作，测试速度更快，结果更准确。生物传感器技术主要应用于大气环境检测，包括二氧化硫检测、二氧化氮检测、重金属离子检测、农药残留检测等。
10. 智能制造:
    智能传感在制造过程中的典型应用之一体现在机械制造业中广泛使用的数控机床上。现代数控机床配备了高性能传感器，可以检测位移、位置、速度、压力等。可以实时监控加工状态、刀具状态、磨损、能耗等，实现灵活的误差补偿和自校正。智能数控机床的发展趋势包括采用视觉传感和监控技术，使数控机床的智能监控更加方便。
    智能传感在汽车制造业中有着广泛的应用。以基于光学传感的机器视觉为例，在工业领域的应用主要有视觉测量、视觉引导和视觉检测。在汽车制造业中，视觉测量技术通过对产品的关键尺寸、表面质量、装配效果等进行测量，可以保证工厂的合格产品。视觉引导技术通过引导机器高效率、高质量地完成制造和机体装配，显著提高自动搬运、最佳匹配装配和精确制孔。目视检测技术可以监控车身制造过程的稳定性，可用于保证产品的完整性和可追溯性，降低制造成本。高端设备行业的传感器大多是用于设备运行维护和健康管理的传感器。航空发动机配备的智能传感器使控制系统具有故障自诊断和故障处理能力，提高了系统应对复杂环境和精确控制的能力。
    工业电子、生产、处理、检查和维护领域都使用智能传感器，例如机械臂、自动制导车辆(AGV)导航车辆、自动光学检测(AOI)检测系统和其他设备。在消费电子和医疗电子领域，智能传感器的应用更加多样化。例如，智能手机中更常见的智能传感器包括距离传感器、光传感器、重力传感器、图像传感器、三轴陀螺仪和电子罗盘。可穿戴设备最基本的功能是通过传感器实现运动感应，通常内置MEMS加速度计、心率传感器、脉搏传感器、陀螺仪、MEMS麦克风等传感器。智能家居涉及位置传感器、接近传感器、液位传感器、流量和速度控制、环境监测、安全传感等传感器技术。