新型智能傳感器的發(fā)展與應(yīng)用

目前，全球傳感器市場達百億級，到2025年有望達到萬億級水平。近年來，傳感器正在由傳統(tǒng)單一型向微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、集成化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

傳感器發(fā)展歷程

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息的采集、傳輸和處理技術(shù)，即傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機技術(shù)。它們構(gòu)成了信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。傳感器（英文名稱：Sensor）是信息系統(tǒng)的感官系統(tǒng)，它是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并將檢測到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，即結(jié)構(gòu)型傳感器、物性型傳感器和智能型傳感器。

1.結(jié)構(gòu)型傳感器：以結(jié)構(gòu)的變化或由它們引起某種場的變化來反映被測量的大小及變化。經(jīng)常使用的方法是以傳感器機構(gòu)的位移或力的作用使傳感器產(chǎn)生電阻、電感或電容等值的變化來反映被測量的大小。

圖1 傳感器的原理示意圖

2.物性型傳感器：利用構(gòu)成傳感器的某些材料本身的物理特性在被測量的作用下發(fā)生變化，從而將被測量轉(zhuǎn)換為電信號或其他信號輸出。由于物性型傳感器無可動部件，靈敏度高，因此，可減少對被測對象的影響，從而能解決結(jié)構(gòu)型傳感器不能解決的某些參數(shù)及非接觸測量的問題，擴大了傳感器應(yīng)用領(lǐng)域。

圖2 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

圖3 全球傳感器市場發(fā)展趨勢圖

3.智能型傳感器：把傳感器與微處理器有機地結(jié)合成一個高度集成化的新型傳感器。它與結(jié)構(gòu)型、物性型傳感器相比，能瞬時獲取大量信息，對所獲得的信息還具有信號處理的功能，使信息的質(zhì)量大大提高，其功能得到擴展。

縱觀近年來創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，新型傳感器采用半固態(tài)或全固態(tài)材料，結(jié)構(gòu)微型化、集成化、和模塊化；檢測量程寬、檢測精度高、抗干擾能力強、性能穩(wěn)定可靠和器件壽命更長。系統(tǒng)向多功能、分布式、智能化、多維度、無線網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

目前，傳感器的主要應(yīng)用在工業(yè)、汽車、消費電子、和醫(yī)療等領(lǐng)域。工業(yè)上的應(yīng)用占有31%，汽車（車聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛）方面的需求占有21%，借助傳感器進行病患健康狀況的監(jiān)測與醫(yī)療診斷，占有傳感器市場的12%。伴隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，智慧家居、可穿戴產(chǎn)品、智慧工廠、智慧交通等新興領(lǐng)域市場迅猛成長，這些給傳感器技術(shù)和產(chǎn)品提供了良好發(fā)展機遇，也為傳感器領(lǐng)域提出了新的課題。據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心的報道，2020年我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到2 萬億。麥肯錫預(yù)測2025年全球物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模可達3.9～11.1萬億美元。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將極大促進傳感器技術(shù)與產(chǎn)品的創(chuàng)新，未來五年全球傳感器領(lǐng)域的復(fù)合年增長率將超過10%。穿戴設(shè)備、自動駕駛與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將是未來驅(qū)動傳感器需求成長的引擎。

智能傳感器

智能傳感器已成為當(dāng)今傳感器技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。智能傳感器目前還未有統(tǒng)一的科學(xué)定義。IEEE協(xié)會將能感知待測控量大小、并且集感知、信息處理和通信于一體，應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的傳感器稱為智能傳感器。

智能傳感器由經(jīng)典傳感器和微處理單元與相關(guān)電路構(gòu)成。

與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能傳感器具有如下功能：

1、自補償與自診斷功能：傳統(tǒng)傳感器往往具有溫度漂移和輸出非線性的缺點，而智能傳感器的處理器可以根據(jù)給定的傳統(tǒng)傳感器的先驗知識，通過軟件計算自動補償傳統(tǒng)傳感器硬件線性、非線性和漂移以及環(huán)境影響因素引起的信號失真，以最佳地恢復(fù)被測信號。計算方法用軟件實現(xiàn)，達到軟件補償硬件缺陷的目的，也大大提高了傳感器的應(yīng)用靈活性。此外，傳統(tǒng)的傳感器往往需要定期檢驗和標定以保證傳感器能夠保持所需的精度。而智能傳感器可以通過微處理器中的診斷算法對傳感器的輸出進行檢驗，并將診斷信息直觀地呈現(xiàn)出來，使傳感器具有自診斷的功能。

2、信息存儲與記憶功能：智能傳感器內(nèi)含一定的存儲空間，它除了能夠存儲信號處理、自補償、自診斷等相關(guān)程序外，還能夠進行數(shù)據(jù)存儲，如歷史數(shù)據(jù)、標定日期和各種必需的參數(shù)。智能傳感器自帶的存儲空間緩解了自動控制系統(tǒng)控制器的存儲壓力，大大提高了控制器的性能。

圖5 微傳感器實物圖

3、自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)功能：智能傳感器內(nèi)嵌微處理器的結(jié)構(gòu)使其具有高級的編程特性，因此可以通過編輯算法使傳感器具有學(xué)習(xí)功能。智能傳感器可以在工作過程中學(xué)習(xí)理想采樣值，處理器利用近似公式和迭代算法可認知新的被測量值，即有再學(xué)習(xí)能力。此外，在工作過程中，智能傳感器還可以通過對被測量的學(xué)習(xí)，根據(jù)一定的行為準則自適應(yīng)地重構(gòu)結(jié)構(gòu)和重置參數(shù)。

4、數(shù)字輸出功能：近年來，數(shù)字控制系統(tǒng)成為了控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。而傳統(tǒng)的傳感器大多都是模擬輸入、模擬輸出的，在數(shù)字控制系統(tǒng)中傳感器輸出的信號要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才可以進行數(shù)字處理。智能傳感器內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，能夠直接輸出數(shù)字信號。智能傳感器的數(shù)字輸出功能大大緩解了控制器的信號處理壓力。

智能傳感器的主要發(fā)展方向之一是微型化，即微傳感器。微傳感器包含微型傳感元件、CPU、存儲器和數(shù)字接口，并具有自動補償、自動校準功能，其特征尺寸已進入到從毫米到微米的數(shù)量級。微傳感器的優(yōu)點有小體積、低成本、高可靠性等優(yōu)點。

隨著集成微電子機械加工技術(shù)的日趨成熟，MEMS傳感器將半導(dǎo)體加工工藝引入傳感器的生產(chǎn)制造，實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，并為智能傳感器微型化發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐。它采用微制造技術(shù)，在一個公共硅片基礎(chǔ)上整合了傳感器、機械元件、執(zhí)行器和電子元件。通常會被看作是一種系統(tǒng)單晶片（SoC），讓智能傳感器產(chǎn)品得以開發(fā)，并進入很多應(yīng)用領(lǐng)域，包括汽車、保健、手機、生物技術(shù)、消費性產(chǎn)品等領(lǐng)域，被認為是本世紀最有前途的技術(shù)之一。

智能傳感器的另一個發(fā)展方向是多傳感器數(shù)據(jù)融合。與單傳感器測量相比，多傳感器融合技術(shù)具有無可比擬的優(yōu)勢。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)原理同人腦處理信息的過程相似，它先利用多個傳感器同時進行信息檢測，然后用計算機對這些信息進行綜合分析處理和判斷，得到監(jiān)控對象的客觀數(shù)據(jù)。

圖6 多傳感器融合

圖7 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能照明燈聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

第三個發(fā)展方向就是無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。與傳統(tǒng)的較大型傳感器相比，智能微傳感器的成本低，但是其覆蓋范圍較小，所以在實際的應(yīng)用中，通常需要成千上萬的微傳感器協(xié)同工作，這就是智能傳感器的網(wǎng)絡(luò)化。眾多微傳感器之間的網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)接采用近距離低功耗的無線技術(shù)，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

智能傳感器新突破

2017年，傳來各種有關(guān)智能傳感器的新突破。有新型生物傳感器實現(xiàn)即時檢測，智能手機搭載小型化分子光譜傳感器以及芬蘭成功研發(fā)世界首款高光譜移動傳感器等喜訊。

1.芬蘭成功研發(fā)世界首款高光譜移動傳感器：芬蘭VTT國家技術(shù)研究中心通過將iPhone攝像機轉(zhuǎn)換為新型光學(xué)傳感器，成功開發(fā)出世界上第一個高光譜移動設(shè)備，這將為低成本高光譜成像的消費應(yīng)用帶來新的前景，例如消費者將能夠使用移動電話進行食品質(zhì)量檢測或健康監(jiān)測。

2.世界首個搭載小型化分子光譜傳感器智能手機發(fā)布：近日，長虹公司發(fā)布全球首款分子識別手機—長虹H2，這是世界上第一個搭載小型化分子光譜傳感器的智能手機，可實現(xiàn)果蔬糖分、水分，藥品真?zhèn)危つw年齡，酒類品質(zhì)等檢測，成為隨身攜帶的個性化健康管理集成終端。

3.納米傳感器把原子級別藥物輸入細胞：納米傳感器操作引發(fā)了人們的關(guān)注，可以在極微小尺度下完成傳統(tǒng)機器人無法實現(xiàn)的各種觀測、表征和操控作業(yè)，堪稱“無微不至”。通過該納米技術(shù)，可將原子級別的藥物輸入細胞中，觀察這些藥物對細胞的效果。

4.新型光學(xué)生物傳感器可在幾秒鐘內(nèi)識別感染性疾病：近期，俄羅斯科學(xué)家開發(fā)出了一種新的激光技術(shù)，用于制造新穎的光學(xué)生物傳感器，這種傳感器能夠在幾秒鐘內(nèi)識別感染性疾病。該裝置通過紅外光來顯示有害的細菌和病毒，可以在大型的交通樞紐，如機場等需要不斷監(jiān)測大量的客流的環(huán)境下得到廣泛應(yīng)用。

5.全球首款晶圓級傳感器芯片或掀起光譜儀應(yīng)用革命：2017年1月17日，領(lǐng)先的高性能傳感器解決方案和模擬IC供應(yīng)商艾邁斯半導(dǎo)體公司(amsAG)宣布推出全球首款高性價比的多通道光譜片上傳感器解決方案，為消費和工業(yè)應(yīng)用實現(xiàn)新一代光譜分析儀開辟了道路。

智能傳感器是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展最重要的技術(shù)之一， 在為傳統(tǒng)行業(yè)注入新鮮血液的同時也引領(lǐng)了傳感器產(chǎn)業(yè)的潮流，在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、海洋、航天、軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域均發(fā)揮著核心作用，隨著智能傳感器技術(shù)的發(fā)展，新一代智能傳感器將結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)不斷完善其功能，具有十分可觀的發(fā)展前景。