С появлением интеллектуальной эры исследование и применение различных интеллектуальных датчиков все чаще подчеркивались. Умные датчики также обладают богатыми возможностями обработки информации на основе традиционных датчиков и могут обеспечить более полные функции.
В этом документе вводится текущий статус исследования обычно используемых температур, давления, инерционных, биохимических и RFID -датчиков, а также их ключевые роли в промышленном модернизации и инновационных приложениях, таких как Интернет вещей (IoT), виртуальная реальность (VR), робототехника, здравоохранение, здравоохранение, и т. д. и с нетерпением жду будущей тенденции развития умных датчиков.
Smart Sensor (Smart Sensor) относится к датчику с обнаружением информации, обработкой информации, информационной памятью, логическим мышлением и функциями суждения.
По сравнению с традиционными датчиками, которые предоставляют только аналоговые сигналы напряжения, которые характеризуют измерение физического количества, интеллектуальные датчики в полной мере используют технологию интеграции и технологию микропроцессоров, устанавливают восприятие, обработку информации, общение в одном и могут обеспечить определенный уровень знаний информации, распространяемой в цифровой форме.
Поскольку НАСА (НАСА) предложило концепцию интеллектуальных датчиков в 1980 -х годах, после десятилетий развития умные датчики стали основным направлением разработки сенсорных технологий, представляющих возможности промышленных и технологических исследований страны.
Используется нынешняя умная эпоха, важность датчиков стала более заметной не только в «Сделано в Китае 2025», «Германии 2020 высокотехнологичной стратегии» и Европейском союзе, Соединенных Штатах, Южной Корее, Сингапуре и т. Д. . для продвижения интеллектуального города и других стратегий, чтобы сыграть важную поддержку, но также в Интернете вещей (IoT), виртуальной реальности (VR), робототехнике, умных домах, автомобилях с самостоятельным управлением и другими пьесами промышленного развития ключевая роль.
Высокопроизводительные, высококачественные многофункциональные сложные автоматические системы, измерения и управления, а также рост и развитие Интернета вещей на основе технологии радиочастотной идентификации, все больше подчеркивает важность умных датчиков с восприятием, когнитивными способностями и его энергичными и быстрыми Развитие срочности.
Благодаря разработке технологии CMOS-совместимой MEMS, разработка миниатюрных интеллектуальных датчиков получила сильную техническую поддержку, индустрия Smart Sensor сталкивается с очень важной исторической возможностью развития.
В этой статье суммируется состояние разработки различных видов технологий и приложений интеллектуальных датчиков и делает перспективу будущей тенденции развития.
1 богатые и разнообразные интеллектуальные датчики, которые
Чтобы удовлетворить потребности различных интеллектуальных приложений, категории датчиков очень разнообразны, такие как: датчики окружающей среды, инерционные датчики, аналоговые датчики, магнитные датчики, биосенсоры, инфракрасные датчики, датчики вибрации, датчики давления, ультразвуковые датчики и так далее.
Среди них используются следующие датчики.
Датчики окружающей среды, в основном газовые датчики, барометрические датчики давления, датчики температуры, датчики влажности и так далее.Газовые датчики могут применяться к очистителям воздуха, мониторам DUI, детекторам формальдегида и другим токсичным газам в мебели на дому, а также устройствам обнаружения для промышленных выхлопных газов. Поскольку люди обращают внимание на экологические проблемы, важность экологических датчиков становится все более и более заметной, и в будущем будет много возможностей для развития.
Инерционные датчики, в основном используемые в носимых продуктах, такие как умные браслеты, умные часы, шлемы VR и так далее.Инерционный датчик используется для обнаружения отслеживания и идентификации движения, информируя владельца о количестве физических упражнений, потреблении калорий и влиянии физических упражнений в этот день.
Магнитные датчики, которые в основном используются в бытовых приборахНапример, кофеваторы, водонагреватели, кондиционеры и т. Д. Используются для определения того, сколько угол был повернут или сколько путешествий было совершено, и обычно отображаются на приборной панели. Кроме того, магнитные датчики также используются в дверных магнитах и оконных магнитах и т. Д. Интеллект и точность роботов также нуждаются в магнитных датчиках для поддержки.
Аналоговые датчики, которые в основном используются в умных медицинских устройствах,может использоваться в качестве входных данных для таких сигналов, как сердцебиение и электрокардиограммы, и визуализировать результаты данных о здоровье, чтобы пользователи могли понимать свои данные о здоровье и упражнениях.
Инфракрасные датчики часто используются в инфракрасных камерах, широких роботах и другом умном доме.
2 Прогресс технических исследований по умным датчикам
Действительно интеллектуальный датчик должен иметь следующие функции:
1) Функции самостоятельной алибровки, самостоятельной и автоматической компенсации;
2) Функции автоматического сбора данных, логического суждения и обработки данных;
3) функции саморегулирования и самоадаптации;
(4) определенная степень функций хранения, идентификации и обработки информации;
5) Двусторонняя связь, стандартный цифровой выход или функция вывода символов;
(6) Алгоритмическое суждение, принятие решений и функции обработки.
Ниже приведен пример часто используемой температуры, давления, инерционного, биохимического и RFID -датчика для введения исследования технологии интеллектуального зондирования.
2.1 Умные датчики температуры
Развитие датчиков температуры прошло следующееТри этапа: традиционные дискретные датчики температуры, аналоговые интегрированные датчики температуры и интеллектуальные датчики температуры в целом.
В 21-м веке интеллектуальные датчики температуры движутся в направлении высокой точной, многофункциональной стандартизации шины, высокой надежности и безопасности, развития виртуальных датчиков и сетевых датчиков, развития монолитной системы измерения температуры и других направлений быстрого развития.
Текущий датчик интеллектуальной температуры содержит датчик температуры, конвертер A/D, сигнальный процессор, схемы памяти и интерфейс, некоторые продукты также имеют мультиплексор, центральный контроллер, хранение случайного доступа и память только для чтения.
Интеллектуальные датчики температуры характеризуются способностью выходить данные о температуре и связанный с ним объем контроля температуры, адаптированные к различным микроконтроллерам и основаны на оборудовании через программное обеспечение для достижения функции тестирования, степень интеллекта зависит от уровня разработки программного обеспечения.
(1) Повысить точность и разрешение измерения
Самые ранние интеллектуальные датчики температуры начались в середине -1990 s, используя 8- бит a/d преобразователь, его точность измерения температуры низкая, разрешение может достигать только 1 градус.
В настоящее время зарубежные страны запустили множество высокопроизводительных интеллектуальных датчиков температуры с высоким разрешением, используя 9 ~ 12- бит a/d преобразователь, разрешение может достичь 0. 5 ~ {{6 }}. 625 градус. Благодаря недавно разработанному DS 1624- Type Semiconductor Corporation, который может вывести {1 0}}. , Точность измерения температуры ± 0,2 градуса.
Чтобы улучшить скорость конверсии многоканального интеллектуального датчика температуры, существуют также чипы, использующие высокоскоростное последовательное приближение A/D преобразователя. AD7817 Type 5- Интеллектуальный датчик канала, например, это локальный датчик, каждое время преобразования удаленного датчика всего 27 мс, 9 мс соответственно.
С точки зрения высокой измерения температуры, некоторые ученые разработали высокопроизводительный цифровой датчик температуры, который состоит из резонатора вилочного вилочного резолка кварцевого настрой Чувствительность датчика может достичь количества градусов {3}}, то есть разрешение измерения температуры 0. 0 01 градус, время отклика 1 с, а точность измерения составляет 0,01 градуса.
(2) Усовершенствованные тестовые функции
Новая интеллектуальная функция тестирования датчика температуры постоянно повышается. Интеллектуальные датчики температуры имеют множество режимов эксплуатации на выбор, включая режим отдельного преобразования, режим непрерывного преобразования, режим резервного режима, а некоторые также добавили режим расширения ограничения с низким уровнем температуры.
Для некоторых интеллектуальных датчиков температуры хост (внешний микропроцессор или микроконтроллер) также может быть установлен через соответствующие регистры скорости конверсии, разрешения и максимального преобразования.
Кроме того, интеллектуальные датчики температуры развиваются от одноканального до многоканального направления, что создает хорошие условия для разработки многоканальной системы измерения температуры и управления.
(3) Стандартизация и стандартизация технологии шин
В настоящее время технология интеллектуальной шины датчика температуры также была стандартизирована и нормализована, используемые автобусы в основном представляют собой однопроводные (--уводные) автобус, автобус I 2 C, автобус SMBUS и автобус SPI.
(4) Проектирование надежности и безопасности
Чтобы избежать ложного действия, когда система управления температурой подвергается шумопомереванию, во внутреннем из некоторых интеллектуальных датчиков температуры настраивается программируемая счетчик очередей разлома Верхние и нижние пределы. Порт прерывания может быть запускается только тогда, когда в число раз, превышаемая измеренная температура, непрерывно превышает верхний предел или падает ниже нижнего предела, достигает определенного количества раз, что позволяет избежать влияния случайных помех шума на систему управления температурой.
Чтобы предотвратить повреждение чипа из -за электростатического разряда человека, некоторые интеллектуальные датчики температуры также увеличили цепь электростатической защиты, как правило, может противостоять 1 ~ 4 кВ напряжения электростатического разряда.
Например, последовательный интерфейс интеллектуального датчика TCN75, выходы сигнала прерывания/сравнения и входы адреса могут противостоять 1 кВ напряжения электростатического разряда. Интеллектуальный датчик температуры LM83 может выдержать 4 кВ напряжения электростатического разряда.
2.2 Умные датчики давления
Интеллектуальные датчики давления представляют собой комбинацию микропроцессоров и датчиков давления, поэтому их пути реализации можно разделить на: неинтегрированные датчики интеллектуального давления, интегрированные датчики интеллектуального давления и гибридные датчики интеллектуального давления.
Неинтегрированные датчики датчика давления-это системы датчика смарт-давления, которые объединяют традиционные датчики давления, кондиционирующие сигналы и микропроцессоры с цифровыми интерфейсами шины в одну систему.
Этот неинтегрированный датчик давления на самом деле является обычной системой датчика давления с добавленным микропроцессорным соединением. Следовательно, это один из самых быстрых способов и средств для реализации системы датчика датчика умного давления.
Интегрированный датчик интеллектуального давления представляет собой монолитную интеграцию чувствительных к давлению элементов с обработкой сигнала, калибровкой, компенсацией, микроконтроллером и т. Д. В основном он использует технологию микроэлектромеханической системы (MEMS) и технологию интегрированных цепей и использует кремние Сделать чувствительные элементы, цепи кондиционирования сигнала и микропроцессорные единицы и интегрировать их в один чип.
С быстрой разработкой микроэлектронической технологии и применения микронанотехнологии, полученный датчик смарт-давления имеет характеристики миниатюризации, структурной интеграции, высокой точности, многофункции, массива, полной цифровизации, простых в использовании, простых в эксплуатации и поэтому на.
Гибридный интеллектуальный датчик давления соответствует потребностям и возможностям системы различных интегрированных связей, таких как чувствительные единицы, цепи кондиционирования сигналов, микропроцессорные единицы, раздела цифровые шины, в различных комбинациях, интегрированных в 2 ~ 3 чипа и упакованные в оболочке Полем
Гибридная интеграция для достижения интеллекта - это интеллектуальный путь, который хорошо подходит для современного технологического развития. В системе датчика интеллектуального давления микропроцессор может реализовать программное обеспечение контроля датчика в соответствии с данной программой, изменяя датчик с одной функции на многофункцию. Интеллектуальные датчики давления обычно имеют следующие основные функции.
(1) Функции обработки данных.Интеллектуальные датчики давления не только измеряют измеренные параметры, но и в соответствии с известными измеренными параметрами, могут быть автоматически обнуляются, автоматически сбалансированы, автоматически компенсируются и так далее.
(2) Автоматическая диагностическая функция.Это основная функция интеллектуальных датчиков давления, интеллектуальных датчиков давления с помощью программного обеспечения для диагностики неисправностей и программного обеспечения для самоконтроля, автоматических датчиков и состояния системы для регулярного и нерегулярного обнаружения, тестирования, своевременного обнаружения разломов, чтобы помочь в диагностике причины об отказе, местоположении и для работы с эксплуатационными советами.
(3) Функция конфигурации программного обеспечения.Интеллектуальные датчики давления из -за использования микропроцессоров, поэтому существуют не только необходимые аппаратные компоненты, такие как обнаружение, усиление, A / D, D / A, интерфейсы связи и т. Д., Но также ресурсы программного обеспечения для управления и обработки обработки и обработки данные. В интеллектуальном датчике давления существует многомодульное аппаратное и программное обеспечение и программное обеспечение, чтобы пользователь мог отправлять команды через микропроцессор для выполнения различных функций, что повышает гибкость и надежность датчика.
2.3 Интеллектуальные инерционные датчики
Инерционные датчики, наиболее широко используемые типы датчиков MEMS, включают акселерометры, гироскопы и датчики ориентации. Технология MEMS имеет уникальное преимущество миниатюрных инерционных датчиков и снижение затрат.
Сегодняшние инерционные модули измерения (IMUS) могут интегрировать трехосную акселерометр, трихосный гироскоп и трехосный магнитометр размером 10 мм x 10 мм x 4 мм по цене менее доллара. Этот инерционный модуль измерения может быть применен к смартфонам и носимым устройствам для реализации спортивных и медицинских функций, включая мониторинг походки, подсчет шага, обнаружение падения, мониторинг сна, навигацию в помещении и т. Д., А также развлекательные функции, такие как распознавание жестов и определение направления.