什么是智能传感器技术?

什么是智能传感器技术?

传感器是指能够感知指定测量参数并将其转换为可用输出信号的设备。传感技术、计算机技术和通信技术被统称为信息技术的三大支柱。传感技术是一门多学科的现代科学和工程技术，主要研究从自然资源中获取信息、处理和识别信息，并将其用于规划、设计、开发、制造和测试。传感器的应用和评价程度是衡量一个国家信息化程度的重要指标。智能传感技术是涉及微机械电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、人工智能技术等多学科的综合性、集约化技术。它可以实现传统传感器无法实现的功能。

智能传感器主要由传感器、微处理器和相关电路组成。目前，智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技、工农业生产等各个领域。

传感器作为人类获取信息的工具，是现代信息技术的重要组成部分。传统传感器的输出大多是模拟信号，不具备信号处理和组网功能。它们需要与特定的测量仪器连接，以完成信号处理和传输功能。智能传感器基于硅材料微细加工和CMOS电路集成技术。根据制造技术，智能传感器可分为三大类:微机电系统(MEMS)、互补金属氧化物半导体(CMOS)和光谱学。MEMS和CMOS技术易于实现低成本量产，可将传感器元件、偏置、调理电路，甚至超大规模电路集成在同一衬底或同一封装中，使器件具有多重检测功能和智能数据处理功能。例如，利用霍尔效应检测磁场的智能设备，利用贝克效应检测温度的智能设备，利用压阻效应检测应力的智能设备，以及利用光电效应检测光的智能设备。

智能传感器可以在内部处理原始数据，也可以通过标准接口与外界交换数据。传感器的功能可根据实际需要通过软件控制进行改变，实现智能化、网络化。

智能传感器的特点是什么?

智能传感器具有高精度、高分辨率、高可靠性、高适应性和高性价比等特点。智能传感器通过数字处理实现高信噪比，确保高精度。通过数据融合和神经网络技术，它们具有在多参数状态下测量和区分特定参数的能力。通过自动补偿，消除因工况和环境变化引起的系统特性漂移，优化传动速度，使系统工作在最佳低功耗状态，提高可靠性。通过软件进行数学处理，使智能传感器具有判断、分析、处理等功能，系统具有较高的适应性。集成电路和mems可批量生产，性价比高。

智能传感器能做什么?

• 自补偿能力:通过软件对传感器非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿。
• 自校准功能:操作员输入零值或一定标准值后，自校准软件可自动在线校准传感器。
• 自诊断功能:接通电源后，可对传感器进行自检，检查传感器各部件是否正常，并可诊断故障部件。
• 数值处理功能:可根据智能传感器内部程序对数据进行自动处理，如统计处理、异常值消除等。
• 双向通信功能:微处理器与基本传感器之间形成闭环。微处理器不仅接收和处理传感器的数据，还将信息反馈给传感器，以调节和控制测量过程。
• 信息存储和记忆功能:智能传感器可以存储大量的信息数据，用户可以随时查询。这些信息可能包括有关设备的历史信息。例如，传感器工作了多少小时，电源更换了多少次。内容大小仅受智能传感器本身存储容量的限制。

随着科学技术的发展，智能传感器的功能将逐渐增强。人工神经网络、人工智能和信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等)将赋予传感器更先进的智能和分析能力，更好的判断、自适应和自学习功能，可以帮助传感器完成图像识别、特征检测、多维度检测等复杂任务。

传感器的发展趋势:

• 小型化:随着连接日益紧密的世界，无数应用对传感器的需求出现了爆炸式增长。其中许多应用需要多个传感器，这些传感器占用的空间非常小，性能退化程度低，且功耗要求低。
• 数字化:随着物联网领域的应用越来越多，智能传感器需要向数字化发展，不仅是在捕获感官数据方面，还需要为各种应用解释这些数据。
• 传感器融合:随着数字化的趋势，多传感器集成与物联网的扩散和期望直接相关。在非常小的包中捕获多种类型的测量的需求推动了多传感元件的发展。

智能传感器应用开发:

智能传感器代表了新一代的感知和自我意识能力，是未来智能系统的关键组成部分。通过组件级的智能系统设计，智能传感器将应用于食品安全应用和生物危害检测、安全危害检测与报警、局部和全局环境检测、健康监测和医疗诊断、工业、军事、航空航天等领域，并将对这些领域产生深远影响。

智能传感器技术分析:

智能传感器的发展趋势可以根据MEMS、CMOS和光谱学进行分类。MEMS和CMOS是智能传感器制造的两种主要技术。

1. MEMS技术:
   MEMS传感器最早应用于军事领域，可在目标跟踪和自动识别领域进行多传感器数据融合，具有特定的高精度和识别、跟踪、定位目标的能力。采用MEMS技术并集成A/D转换器的流量传感器已广泛应用于航空航天领域。实现智能需要将MEMS传感器功能与信号调理、控制和数字处理集成在一起，用于数据和指令的双向通信、全数字传输、本地数字处理、自校准和用户定义算法编程。
2. CMOS技术:
   CMOS技术是目前主流的集成电路技术。它不仅可以用于制造微处理器等数字集成电路，还可以用于制造传感器、数据转换器和用于通信目的的高度集成收发器。具有一体化制造、成本低的优势。CMOS计算元件可与不同的传感元件集成，制成流量传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、电导率传感器、pH传感器、氧化还原电位(ORP)传感器、温度传感器、压力传感器、触摸传感器等各种场合使用的智能传感器。CMOS触摸传感器和温度传感器的市场份额保持在14%，并且近年来持续增长。采用CMOS技术制作并集成D/A转换器的溶解氧传感器已广泛应用于汽车领域。具有集成收发器功能的浊度传感器已广泛应用于生物医学领域。结合CMOS成像仪和处理电路的数字微光CMOS成像仪正在成为军事应用的主流成像仪。
3. 光谱分析:
   光谱学是一门涉及物理和化学的重要交叉学科。它通过测量光与物质相互作用的光谱特征来分析物质的物理和化学性质。精确的多光谱测量可用于分析固体，液体，甚至气体物体，如果有光。光谱成像被广泛应用于各种物体的传感和材料性能分析。高光谱成像对图像中的每个像素进行光谱分析，实现大范围测量。

智能传感器的应用领域:

1. 智能手机:
   现在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、指纹识别传感器、图像传感器、三轴陀螺仪和电子罗盘。例如，指纹识别传感器可以采集指纹数据，然后进行快速分析和认证，省去了繁琐的密码操作和快速解锁。
2. 人工智能/机器人:
   传感器是人工智能最基本的硬件，就像人类的感官获取器官一样。许多传感器可以实现感知+控制，家庭自动化=感知+控制。这种层次的信息交互和人机交互需要更多的人参与。人工智能将人的逻辑大脑交给机器，实现感知+思考+执行，最终上升到这个层次。智能机器人使用的关键硬件包括驱动器、减速机和传感器。智能传感器在采集外部信息和数据方面发挥着重要作用。
3. 基于“增大化现实”技术/虚拟现实:
   虚拟现实中的传感设备主要包括两部分:一部分用于人机交互，戴在操作者身上，带有三维头盔显示器、数据手套、数据衣服等，另一部分用于正确感知真实环境。为了改善用户体验，需要在AR/VR中实现各种视觉、听觉、触觉和力传感器。
4. 无人机:
   无人机(uav)是目前流行的智能硬件。其智能飞控系统的实现需要使用各种智能传感器，包括惯性测量单元(IMU)、MEMS加速度计、电流传感器、倾角传感器和发动机进气气流传感器。与GPS相结合的IMU是无人机保持航向和飞行路径的关键。无人机智能技术的发展对方向和路径控制以及空中交通管理具有重要意义。IMU使用的多轴磁传感器本质上是一个精度极高的小指南针。它通过感知方向将数据传输到中央处理器，从而指示方向和速度。
5. 智能穿:
   传感器在可穿戴设备中起着至关重要的作用。可穿戴设备最基本的功能就是通过传感器实现运动感知。
6. 智能家居:
   传感器是智能家居控制系统的基础。随着科技的发展，越来越多的传感器被应用到智能家居系统中。智能家居领域需要使用传感器来测量、分析和控制系统设置。家庭中使用的智能设备包括位置传感器、接近传感器、液位传感器、流量和速度控制传感、环境监测和安全传感等技术。
7. 智能汽车/自动驾驶:
   车联网是物联网发展的一个重要领域。智能汽车是车联网的核心，发展迅速。在智能汽车时代，主动安全技术已成为人们关注的新兴领域。这对于现有安全系统的改进至关重要，例如翻转和稳定控制(ESC)，这些系统需要MEMS加速度传感器和角速度传感器来感知和测量身体姿态。语音将成为人与智能汽车交互的重要方式，MEMS麦克风将迎来新的发展机遇。MEMS传感器在汽车领域也有很多应用，包括安全气囊、汽车发动机等。
8. 智能工业:
   智能工厂利用物联网技术，加强信息化管理和服务，掌握生产销售流程，提高生产流程可控性，减少对生产线的人工干预，及时准确地收集生产线数据，合理安排生产计划和生产进度，优化供应链。在工业生产领域，传感器的应用非常广泛。工业生产的各个环节都需要传感器进行监控，并将数据反馈给控制中心，对异常节点进行及时干预，保证工业生产的正常进行。MEMS使传感器小型化、智能化，MEMS传感器在智能产业时代将具有巨大潜力。MEMS温湿度传感器可用于检测环境条件，MEMS加速度计可用于监测工业设备的振动和转速。高精度MEMS加速度计和陀螺仪可以为工业机器人的导航和旋转提供精确的位置信息。