Với sự xuất hiện của kỷ nguyên thông minh, nghiên cứu và ứng dụng của các cảm biến thông minh khác nhau đã ngày càng được nhấn mạnh. Cảm biến thông minh cũng có khả năng xử lý thông tin phong phú trên cơ sở các cảm biến truyền thống và có thể cung cấp các chức năng toàn diện hơn.
Bài viết này giới thiệu tình trạng nghiên cứu hiện tại về nhiệt độ, áp suất, quán tính, sinh hóa và RFID thường được sử dụng và vai trò chính của chúng trong nâng cấp công nghiệp và các ứng dụng sáng tạo như Internet vạn vật (IoT), thực tế ảo (VR) vv, và mong chờ xu hướng phát triển trong tương lai của các cảm biến thông minh.
Cảm biến thông minh (cảm biến thông minh) đề cập đến cảm biến với phát hiện thông tin, xử lý thông tin, bộ nhớ thông tin, tư duy logic và chức năng đánh giá.
Liên quan đến các cảm biến truyền thống chỉ cung cấp tín hiệu điện áp tương tự đặc trưng cho số lượng vật lý được đo lường, các cảm biến thông minh sử dụng toàn bộ công nghệ tích hợp và công nghệ vi xử lý, đặt nhận thức, xử lý thông tin, giao tiếp trong một và có thể cung cấp một mức độ kiến thức nhất định thông tin phổ biến ở dạng kỹ thuật số.
Kể từ khi NASA (NASA) đề xuất khái niệm cảm biến thông minh vào những năm 1980, sau nhiều thập kỷ phát triển, các cảm biến thông minh đã trở thành một hướng phát triển lớn của công nghệ cảm biến, đại diện cho khả năng nghiên cứu công nghiệp và công nghệ của một quốc gia.
Được thúc đẩy bởi kỷ nguyên thông minh hiện tại, tầm quan trọng của các cảm biến đã trở nên nổi bật hơn, không chỉ trong "Được sản xuất tại Trung Quốc 2025", "Chiến lược công nghệ cao của Đức 2020" và Liên minh châu Âu, Hoa Kỳ, Hàn Quốc, Singapore, ETC. . Phát triển công nghiệp đóng một vai trò quan trọng.
Hiệu suất cao, các hệ thống tự động, đo lường và điều khiển phức tạp đa chức năng đa chức năng cao và sự phát triển và phát triển của Internet vạn vật dựa trên công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến, ngày càng làm nổi bật tầm quan trọng của các cảm biến thông minh với nhận thức, khả năng nhận thức và mạnh mẽ của nó Phát triển sự cấp bách.
Với sự phát triển của công nghệ MEMS tương thích CMOS, sự phát triển của các cảm biến thông minh thu nhỏ đã nhận được sự hỗ trợ kỹ thuật mạnh mẽ, ngành cảm biến thông minh đang phải đối mặt với một cơ hội phát triển lịch sử rất quan trọng.
Bài viết này tóm tắt trạng thái phát triển của các loại công nghệ và ứng dụng cảm biến thông minh khác nhau, và tạo ra một triển vọng về xu hướng phát triển trong tương lai.
1 cảm biến thông minh phong phú và đa dạng mà
Để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng thông minh khác nhau, các loại cảm biến rất đa dạng, chẳng hạn như: cảm biến môi trường, cảm biến quán tính, cảm biến tương tự, cảm biến từ tính, cảm biến sinh học, cảm biến hồng ngoại, cảm biến rung, cảm biến áp suất, cảm biến siêu âm, v.v.
Trong số đó, các cảm biến sau đây được sử dụng phổ biến hơn.
Cảm biến môi trường, chủ yếu là cảm biến khí, cảm biến áp suất khí quyển, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, v.v.Cảm biến khí có thể được áp dụng cho các máy lọc không khí, màn hình DUI, máy dò formaldehyd và các loại khí độc hại khác trong đồ đạc trong nhà, cũng như các thiết bị phát hiện cho khí thải công nghiệp. Khi mọi người chú ý đến các vấn đề môi trường, tầm quan trọng của các cảm biến môi trường ngày càng trở nên nổi bật hơn và có rất nhiều chỗ để phát triển trong tương lai.
Cảm biến quán tính, chủ yếu được sử dụng trong các sản phẩm có thể đeo, chẳng hạn như vòng đeo tay thông minh, đồng hồ thông minh, mũ bảo hiểm VR, v.v.Cảm biến quán tính được sử dụng để phát hiện việc theo dõi và xác định chuyển động, thông báo cho người đeo số lượng tập thể dục, lượng calo tiêu thụ và ảnh hưởng của việc tập thể dục vào ngày hôm đó.
Cảm biến từ tính, chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị gia dụng, chẳng hạn như các nhà sản xuất cà phê, máy nước nóng, điều hòa không khí, v.v., được sử dụng để phát hiện mức độ góc đã được quay hoặc bao nhiêu di chuyển đã được thực hiện và thường được hiển thị trên bảng điều khiển. Ngoài ra, các cảm biến từ tính cũng được sử dụng trong nam châm cửa và nam châm cửa sổ, v.v ... Độ thông minh và độ chính xác của robot cũng cần cảm biến từ tính để hỗ trợ.
Các cảm biến tương tự, chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị y tế thông minh,Có thể được sử dụng làm đầu vào cho các tín hiệu như nhịp tim và điện tâm đồ và trực quan hóa đầu ra của dữ liệu sức khỏe, để người dùng có thể hiểu dữ liệu tập thể dục và sức khỏe đầu tiên của họ.
Các cảm biến hồng ngoại thường được sử dụng trong máy ảnh hồng ngoại, robot quét và nhà thông minh khác.
2 Tiến trình nghiên cứu kỹ thuật về cảm biến thông minh
Một cảm biến thực sự thông minh nên có các chức năng sau:
1) tự hiệu chuẩn, tự hiệu chuẩn và các chức năng bồi thường tự động;
2) thu thập dữ liệu tự động, đánh giá logic và các chức năng xử lý dữ liệu;
3) các chức năng tự điều chỉnh và tự điều chỉnh;
(4) một mức độ nhất định của các chức năng lưu trữ, nhận dạng và xử lý thông tin;
5) giao tiếp hai chiều, đầu ra kỹ thuật số tiêu chuẩn hoặc chức năng đầu ra biểu tượng;
(6) Đánh giá thuật toán, chức năng ra quyết định và xử lý.
Sau đây là một ví dụ về nhiệt độ, áp suất, quán tính, sinh hóa và RFID thường được sử dụng để giới thiệu tiến trình nghiên cứu của công nghệ cảm biến thông minh.
2.1 Cảm biến nhiệt độ thông minh
Sự phát triển của các cảm biến nhiệt độ đã trải qua những điều sau đâyBa giai đoạn: Cảm biến nhiệt độ rời rạc truyền thống, cảm biến nhiệt độ tích hợp tương tự và các cảm biến nhiệt độ thông minh nói chung.
Vào thế kỷ 21, các cảm biến nhiệt độ thông minh đang tiến tới độ chính xác cao, đa chức năng, tiêu chuẩn hóa xe buýt, độ tin cậy và an toàn cao, sự phát triển của các cảm biến ảo và cảm biến mạng, sự phát triển của hệ thống đo nhiệt độ nguyên khối và các hướng phát triển nhanh khác.
Cảm biến nhiệt độ thông minh hiện tại chứa cảm biến nhiệt độ, bộ chuyển đổi A/D, bộ xử lý tín hiệu, mạch bộ nhớ và giao diện, một số sản phẩm cũng có bộ ghép kênh, bộ điều khiển trung tâm, lưu trữ truy cập ngẫu nhiên và bộ nhớ chỉ đọc.
Các cảm biến nhiệt độ thông minh được đặc trưng bởi khả năng đầu ra dữ liệu nhiệt độ và khối lượng kiểm soát nhiệt độ liên quan, phù hợp với nhiều bộ điều khiển vi mô và dựa trên phần cứng thông qua phần mềm để đạt được chức năng kiểm tra, mức độ thông minh phụ thuộc vào mức độ phát triển phần mềm.
(1) Cải thiện độ chính xác và độ phân giải đo lường
Các cảm biến nhiệt độ thông minh sớm nhất bắt đầu ở giữa -1990 s, Sử dụng 8- Bit A/D Trình chuyển đổi, độ chính xác đo nhiệt độ của nó thấp, độ phân giải chỉ có thể đạt đến 1 độ.
Hiện tại, nước ngoài đã ra mắt một loạt các cảm biến nhiệt độ thông minh có độ phân giải cao cao, sử dụng bộ chuyển đổi A/D bit A/D 9 ~ {3}}}}}}}}}}}} }}. 625 độ. Bởi DS mới được phát triển của chúng tôi Dallas Corporation 1624- cảm biến nhiệt độ thông minh độ phân giải cao có thể xuất ra {{1 0}} dữ liệu nhị phân bit, độ phân giải cao như {{13}. 03. , Độ chính xác đo nhiệt độ ± 0,2 độ.
Để cải thiện tỷ lệ chuyển đổi của cảm biến nhiệt độ thông minh đa kênh, cũng có các chip sử dụng bộ chuyển đổi A/D gần đúng tốc độ cao. Ví dụ, loại AD7817 5- cảm biến nhiệt độ thông minh kênh, đó là cảm biến cục bộ, mỗi thời gian chuyển đổi cảm biến từ xa chỉ là 27 ms, 9 ms, tương ứng.
Về mặt đo nhiệt độ chính xác cao, một số học giả đã thiết kế cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số hiệu suất cao, bao gồm bộ cộng hưởng ngã ba thạch anh, mạch giao diện kỹ thuật số và thuật toán điều khiển thiết lập lại cảm biến dựa trên mảng cổng có thể lập trình bày trường và và Độ nhạy của cảm biến có thể đạt đến số 10 -6, nghĩa là độ phân giải đo nhiệt độ của 0. 0 01 độ, thời gian phản hồi là 1 giây và độ chính xác của phép đo là 0,01 độ.
(2) Các chức năng kiểm tra nâng cao
Chức năng kiểm tra cảm biến nhiệt độ thông minh mới liên tục được tăng cường. Các cảm biến nhiệt độ thông minh có nhiều chế độ hoạt động để lựa chọn, bao gồm chế độ chuyển đổi đơn, chế độ chuyển đổi liên tục, chế độ chờ và một số cũng thêm chế độ mở rộng giới hạn nhiệt độ thấp.
Đối với một số cảm biến nhiệt độ thông minh, máy chủ (bộ vi xử lý bên ngoài hoặc vi điều khiển) cũng có thể được đặt thông qua các thanh ghi tương ứng của tỷ lệ chuyển đổi A/D, độ phân giải và thời gian chuyển đổi tối đa.
Ngoài ra, các cảm biến nhiệt độ thông minh đang phát triển từ hướng đơn sang hướng đa kênh, tạo ra các điều kiện tốt để phát triển hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ đa kênh.
(3) Tiêu chuẩn hóa và tiêu chuẩn hóa công nghệ xe buýt
Hiện tại, công nghệ xe buýt cảm biến nhiệt độ thông minh cũng đã được chuẩn hóa và chuẩn hóa, xe buýt được sử dụng chủ yếu là xe buýt một dây đơn (-wire), xe buýt I 2 C, xe buýt SMBUS và xe buýt SPI.
(4) Thiết kế độ tin cậy và an toàn
Để tránh hành động sai khi hệ thống điều khiển nhiệt độ bị nhiễu nhiễu, trong phần bên trong của một số cảm biến nhiệt độ thông minh, một bộ đếm lỗi có thể lập trình được thiết lập, dành riêng để thiết lập số lần giá trị nhiệt độ đo được cho phép vượt quá giới hạn trên và dưới. Cổng ngắt chỉ có thể được kích hoạt khi số lần nhiệt độ đo được liên tục vượt quá giới hạn trên hoặc giảm xuống dưới giới hạn dưới đạt đến số lần đặt, điều này tránh ảnh hưởng của nhiễu nhiễu thường xuyên đến hệ thống kiểm soát nhiệt độ.
Để ngăn ngừa thiệt hại cho chip do phóng điện của con người, một số cảm biến nhiệt độ thông minh cũng đã làm tăng mạch bảo vệ tĩnh điện, thường có thể chịu được 1 ~ 4 kV điện áp xả tĩnh điện.
Ví dụ, giao diện nối tiếp cảm biến nhiệt độ thông minh TCN75, đầu ra tín hiệu ngắt/so sánh và đầu vào địa chỉ có thể chịu được 1 kV điện áp phóng điện. Cảm biến nhiệt độ thông minh LM83 có thể chịu được 4 kV điện áp xả tĩnh điện.
2.2 Cảm biến áp suất thông minh
Cảm biến áp suất thông minh là sự kết hợp của bộ vi xử lý và cảm biến áp suất, do đó, các đường dẫn thực hiện của chúng có thể được chia thành: cảm biến áp suất thông minh không tích hợp, cảm biến áp suất thông minh tích hợp và cảm biến áp suất thông minh lai.
Cảm biến áp suất thông minh không tích hợp là các hệ thống cảm biến áp suất thông minh kết hợp các cảm biến áp suất truyền thống, mạch điều hòa tín hiệu và bộ vi xử lý với giao diện xe buýt kỹ thuật số vào một hệ thống duy nhất.
Cảm biến áp suất không tích hợp này thực sự là một hệ thống cảm biến áp suất thông thường với kết nối bộ vi xử lý được thêm vào. Do đó, đây là một trong những cách nhanh nhất và phương tiện để nhận ra một hệ thống cảm biến áp lực thông minh.
Cảm biến áp suất thông minh tích hợp là sự tích hợp nguyên khối của các yếu tố nhạy cảm với áp suất với xử lý tín hiệu, hiệu chuẩn, bù, vi điều khiển, v.v. Để tạo các yếu tố nhạy cảm, các mạch điều hòa tín hiệu và các đơn vị vi xử lý và tích hợp chúng trên một chip.
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử và ứng dụng công nghệ nano vi mô, cảm biến áp suất thông minh thu được có các đặc điểm của thu nhỏ, tích hợp cấu trúc, độ chính xác cao, đa chức năng, mảng, số hóa hoàn toàn, dễ sử dụng, dễ vận hành và vì vậy TRÊN.
Cảm biến áp suất thông minh lai theo nhu cầu và khả năng của hệ thống các liên kết tích hợp khác nhau, chẳng hạn như các đơn vị nhạy cảm, mạch điều hòa tín hiệu, bộ vi xử lý, giao diện xe buýt kỹ thuật số, trong các kết hợp khác nhau được tích hợp trong 2 ~ 3 chip và được đóng gói trong vỏ shell .
Tích hợp lai để đạt được trí thông minh là một con đường thông minh phù hợp với sự phát triển công nghệ hiện tại. Trong hệ thống cảm biến áp suất thông minh, bộ vi xử lý có thể nhận ra kiểm soát phần mềm của cảm biến theo chương trình đã cho, thay đổi cảm biến từ một hàm duy nhất thành đa chức năng. Cảm biến áp lực thông minh thường có các chức năng cơ bản sau.
(1) Chức năng xử lý dữ liệu.Các cảm biến áp suất thông minh không chỉ đo các tham số đo mà còn theo các tham số đo được đã biết, có thể được tự động không, tự động cân bằng, được bù tự động, v.v.
(2) Chức năng chẩn đoán tự động.Đây là chức năng chính của các cảm biến áp suất thông minh, cảm biến áp suất thông minh thông qua phần mềm chẩn đoán lỗi và phần mềm tự kiểm tra, cảm biến tự động và trạng thái hệ thống để phát hiện thường xuyên và không đều, kiểm tra, phát hiện kịp thời các lỗi, để hỗ trợ chẩn đoán nguyên nhân về sự thất bại, vị trí và để đưa ra các mẹo hoạt động.
(3) Chức năng cấu hình phần mềm.Các cảm biến áp suất thông minh do sử dụng bộ vi xử lý, do đó không chỉ có các thành phần phần cứng cần thiết, chẳng hạn như phát hiện, khuếch đại, A / D, D / A, giao diện giao tiếp, v.v., mà còn cả tài nguyên phần mềm để kiểm soát và xử lý dữ liệu. Trong cảm biến áp suất thông minh, có một phần cứng và phần mềm đa mô-đun được thiết lập để người dùng có thể gửi các lệnh thông qua bộ vi xử lý để thực hiện các chức năng khác nhau, làm tăng tính linh hoạt và độ tin cậy của cảm biến.
2.3 Cảm biến quán tính thông minh
Các cảm biến quán tính, loại cảm biến MEMS được sử dụng rộng rãi nhất, bao gồm gia tốc kế, con quay và cảm biến định hướng. Công nghệ có lợi thế duy nhất là các cảm biến quán tính thu nhỏ và giảm chi phí.
Các mô -đun đo quán tính ngày nay (IMU) có thể tích hợp gia tốc kế ba trục, con quay hồi chuyển ba trục và từ kế ba trục với kích thước 10 mm x 10 mm x 4 mm với chi phí dưới một đô la. Mô -đun đo quán tính này có thể được áp dụng cho điện thoại thông minh và thiết bị đeo để thực hiện các chức năng thể thao và sức khỏe bao gồm giám sát dáng đi, đếm bước, phát hiện mùa thu, theo dõi giấc ngủ, điều hướng trong nhà, v.v., cũng như các chức năng giải trí như nhận dạng cử chỉ và cảm biến hướng.