Com a chegada da era inteligente, a pesquisa e a aplicação de vários sensores inteligentes foram cada vez mais enfatizados. Os sensores inteligentes também possuem recursos ricos de processamento de informações com base nos sensores tradicionais e podem fornecer funções mais abrangentes.
Este artigo apresenta o status atual de pesquisa de sensores de temperatura, pressão, inercial, bioquímica e RFID comumente usados e seus principais papéis na atualização industrial e em aplicações inovadoras, como a Internet das Coisas (IoT), Realidade Virtual (VR), Robotics, Healthcare, Healthcare, etc., e aguarda ansiosamente a tendência futura de desenvolvimento de sensores inteligentes.
Sensor inteligente (sensor inteligente) refere -se ao sensor com detecção de informações, processamento de informações, memória de informações, pensamento lógico e funções de julgamento.
Em relação aos sensores tradicionais que fornecem apenas sinais de tensão analógica que caracterizam a quantidade física a ser medida, os sensores inteligentes fazem pleno uso da tecnologia de integração e da tecnologia do microprocessador, a percepção do conjunto, o processamento da informação, a comunicação em um e pode fornecer um certo nível de conhecimento das informações disseminadas em forma digital.
Desde que a NASA (NASA) propôs o conceito de sensores inteligentes na década de 1980, após décadas de desenvolvimento, os sensores inteligentes se tornaram uma grande direção de desenvolvimento da tecnologia de sensores, representando as capacidades de pesquisa industrial e tecnológica de um país.
Impulsionado pela atual era inteligente, a importância dos sensores se tornou mais proeminente, não apenas na "Made in China 2025", "Alemanha 2020 Estratégia de alta tecnologia" e União Européia, Estados Unidos, Coréia do Sul, Cingapura, etc. . O desenvolvimento industrial desempenha um papel fundamental.
Complexo multifuncional multifuncional de alto desempenho, sistemas automáticos e de controle e a ascensão e desenvolvimento da Internet das coisas com base na tecnologia de identificação de radiofrequência, mais e mais destaca a importância de sensores inteligentes com percepção, capacidade cognitiva e sua vigorosa e rápida desenvolvimento da urgência.
Com o desenvolvimento da tecnologia MEMS compatível com CMOS, o desenvolvimento de sensores inteligentes em miniatura recebeu um forte suporte técnico, a indústria de sensores inteligentes está enfrentando uma oportunidade de desenvolvimento histórico muito importante.
Este artigo resume o status de desenvolvimento de diferentes tipos de tecnologias e aplicações de sensores inteligentes e faz uma perspectiva sobre a tendência futura do desenvolvimento.
1 sensores inteligentes ricos e diversos que
Para atender às necessidades de várias aplicações inteligentes, as categorias de sensores são muito diversas, como: sensores ambientais, sensores inerciais, sensores analógicos, sensores magnéticos, biossensores, sensores infravermelhos, sensores de vibração, sensores de pressão, sensores ultrassônicos e assim por diante.
Entre eles, os seguintes sensores são mais comumente usados.
Sensores ambientais, principalmente sensores de gás, sensores de pressão barométricos, sensores de temperatura, sensores de umidade e assim por diante.Os sensores de gás podem ser aplicados a purificadores de ar, monitores de DUI, detectores de formaldeído e outros gases tóxicos em móveis domésticos, além de dispositivos de detecção para gases de escapamento industrial. À medida que as pessoas prestam atenção às questões ambientais, a importância dos sensores ambientais está se tornando cada vez mais proeminente, e há muito espaço para o desenvolvimento no futuro.
Sensores inerciais, usados principalmente em produtos vestíveis, como pulseiras inteligentes, relógios inteligentes, capacetes VR e assim por diante.O sensor inercial é usado para detectar o rastreamento e identificação do movimento, informando o usuário da quantidade de exercício, calorias consumidas e o efeito do exercício naquele dia.
Sensores magnéticos, que são usados principalmente em aparelhos domésticos, como cafeteiras, aquecedores de água, ar condicionado etc. são usados para detectar quanto o ângulo foi girado ou a quantidade de viagem, e geralmente são exibidos no painel. Além disso, os sensores magnéticos também são usados em ímãs de portas e ímãs de janelas, etc. A inteligência e a precisão dos robôs também precisam de sensores magnéticos para suporte.
Sensores analógicos, que são usados principalmente em dispositivos médicos inteligentes,pode ser usado como entrada para sinais como batimentos cardíacos e eletrocardiogramas e visualizar a saída de dados de saúde, para que os usuários possam entender seus dados de saúde e exercício em primeira mão.
Os sensores infravermelhos são frequentemente usados em câmeras infravermelhas, robôs varrentes e outra casa inteligente.
2 Progresso da pesquisa técnica em sensores inteligentes
Um sensor verdadeiramente inteligente deve ter as seguintes funções:
1) funções de autocalibração, auto-calibração e remuneração automática;
2) coleta automática de dados, julgamento lógico e funções de processamento de dados;
3) funções de auto-ajuste e auto-adaptação;
(4) um certo grau de funções de armazenamento, identificação e processamento de informações;
5) Comunicação bidirecional, saída digital padrão ou função de saída de símbolos;
(6) Julgamento algorítmico, tomada de decisão e funções de processamento.
A seguir, é apresentado um exemplo de sensores de temperatura, pressão, inercial, bioquímica e RFID comumente usados para introduzir o progresso da pesquisa da tecnologia de detecção inteligente.
2.1 Sensores de temperatura inteligentes
O desenvolvimento de sensores de temperatura passou pelo seguinteTrês estágios: sensores de temperatura discretos tradicionais, sensores de temperatura integrados analógicos e sensores de temperatura inteligentes como um todo.
No século XXI, os sensores inteligentes de temperatura estão se movendo em direção a alta precisão, multifuncional, padronização de barramento, alta confiabilidade e segurança, o desenvolvimento de sensores virtuais e sensores de rede, o desenvolvimento do sistema de medição de temperatura monolítico e outras direções do desenvolvimento rápido.
O sensor de temperatura inteligente atual contém um sensor de temperatura, conversor A/D, processador de sinal, circuitos de memória e interface, alguns produtos também possuem um multiplexador, controlador central, armazenamento de acesso aleatório e memória somente leitura.
Os sensores de temperatura inteligentes são caracterizados pela capacidade de produzir dados de temperatura e o volume de controle de temperatura relacionados, adaptados a uma variedade de microcontroladores e é baseado no hardware através do software para obter a função de teste, o grau de inteligência depende do nível de desenvolvimento de software.
(1) Melhore a precisão e resolução da medição
Os primeiros sensores de temperatura inteligentes começaram em meados -1990 s.
Atualmente, os países estrangeiros lançaram uma variedade de sensores de temperatura inteligentes de alta precisão e alta resolução, usando 9 ~ 12-} Bit A/D Conversor, a resolução pode atingir 0. 5 ~ {{6 6 }}. 625 graus. Pelos EUA, o recém-desenvolvido DS 1624-} da corporação de Dallas Semiconductor, digite sensor de temperatura inteligente de alta resolução que pode gerar dados binários de {{1 {11}}}}}} bit, resolução tão alta quanto 0. 03 graus , precisão da medição da temperatura de ± 0,2 graus.
Para melhorar a taxa de conversão do sensor de temperatura inteligente multicanal, também existem chips usando um conversor A/D de aproximação sucessiva de alta velocidade. AD7817 Tipo 5- canal sensor de temperatura inteligente, por exemplo, é o sensor local, cada tempo de conversão do sensor remoto de apenas 27 ms, 9 ms, respectivamente.
Em termos de medição de temperatura de alta precisão, alguns estudiosos projetaram um sensor de temperatura digital de alto desempenho, que consiste em um ressonador de ajuste de ajuste de quartzo, um circuito de interface digital e um algoritmo de controle de controle do sensor com base na matriz de portões programáveis em campo e e e e e um algoritmo de controle de campo e com base na matriz de portão programável em campo e e e A sensibilidade do sensor pode atingir o número de 10 -6 grau, ou seja, a resolução de medição de temperatura de 0. 0 01 grau, o tempo de resposta de 1 s e a precisão da medição é de 0,01 grau.
(2) Funções de teste aprimoradas
A nova função de teste de sensor de temperatura inteligente é constantemente aprimorada. Os sensores de temperatura inteligentes têm uma variedade de modos de operação para escolher, incluindo modo de conversão única, modo de conversão contínua, modo de espera e alguns também adicionaram um modo de expansão limite de baixa temperatura.
Para alguns sensores de temperatura inteligentes, o host (microprocessador externo ou microcontrolador) também pode ser definido através dos registros correspondentes de sua taxa de conversão A/D, resolução e tempo máximo de conversão.
Além disso, os sensores de temperatura inteligentes estão se desenvolvendo de um canal único para a direção multicanal, o que cria boas condições para o desenvolvimento do sistema de medição e controle de temperatura multicanal.
(3) padronização e padronização da tecnologia de barramento
Atualmente, a tecnologia inteligente de barramento de sensores de temperatura também foi padronizada e normalizada, o barramento usado é principalmente barramento de fio único (-wire), I 2 C Bus, Bus SMBUs e Bus SPI.
(4) Design de confiabilidade e segurança
Para evitar ações falsas quando o sistema de controle de temperatura é submetido a interferência de ruído, no interno de alguns sensores de temperatura inteligentes, é configurado um contador de fila de falhas programável, dedicado a definir o número de vezes que o valor de temperatura medido é permitido exceder os limites superior e inferior. A porta de interrupção pode ser acionada apenas quando o número de vezes que a temperatura medida excede continuamente o limite superior ou cai abaixo do limite inferior atinge o número definido de vezes, o que evita a influência de interferência de ruído ocasional no sistema de controle de temperatura.
Para evitar danos ao chip devido à descarga eletrostática humana, alguns sensores de temperatura inteligentes também aumentaram o circuito de proteção eletrostática, geralmente pode suportar 1 ~ 4 kV de tensão de descarga eletrostática.
Por exemplo, a interface serial do sensor de temperatura inteligente TCN75, as saídas do sinal de interrupção/comparação e as entradas de endereço podem suportar 1 kV de tensão de descarga eletrostática. O sensor de temperatura inteligente LM83 pode suportar 4 kV de tensão de descarga eletrostática.
2.2 Sensores de pressão inteligentes
Sensores de pressão inteligentes são uma combinação de microprocessadores e sensores de pressão, portanto seus caminhos de implementação podem ser divididos em: sensores de pressão inteligentes não integrados, sensores de pressão inteligentes integrados e sensores de pressão inteligentes híbridos.
Sensores de pressão inteligentes não integrados são sistemas de sensores de pressão inteligentes que combinam sensores de pressão tradicionais, circuitos de condicionamento de sinalização e microprocessadores com interfaces de barramento digital em um único sistema.
Esse sensor de pressão não integrado é na verdade um sistema de sensor de pressão convencional com uma conexão de microprocessador adicional. Portanto, é uma das maneiras mais rápidas e significa realizar um sistema de sensor de pressão inteligente.
O sensor de pressão inteligente integrado é uma integração monolítica de elementos sensíveis à pressão com processamento de sinais, calibração, compensação, microcontrolador, etc. adota principalmente a tecnologia do sistema de microeletromecânicos (MEMS) e a tecnologia de processo de circuito integrado em larga escala e utiliza o silício como material de base Para criar os elementos sensíveis, os circuitos de condicionamento de sinalização e as unidades de microprocessador e os integra em um único chip.
Com o rápido desenvolvimento da tecnologia de microeletrônica e a aplicação da microtecnologia, o sensor de pressão inteligente resultante tem as características da miniaturização, integração estrutural, alta precisão, multifuncionalidade, matriz, digitalização completa, fácil de usar, fácil de operar e, portanto, sobre.
O sensor de pressão inteligente híbrido está de acordo com as necessidades e possibilidades do sistema de vários links integrados, como unidades sensíveis, circuitos de condicionamento de sinalização, unidades de microprocessador, interfaces de barramento digital, em diferentes combinações integradas em 2 ~ 3 chips e embalado em um shell .
A integração híbrida para alcançar a inteligência é um caminho inteligente que é adequado ao desenvolvimento tecnológico atual. No sistema inteligente de sensores de pressão, o microprocessador pode realizar o controle de software do sensor de acordo com o programa especificado, alterando o sensor de uma única função para uma função multifuncional. Os sensores de pressão inteligentes geralmente têm as seguintes funções básicas.
(1) Funções de processamento de dados.Os sensores de pressão inteligentes não apenas medem os parâmetros medidos, mas também de acordo com os parâmetros medidos conhecidos, podem ser automaticamente zerados, equilibrados automaticamente, compensados automaticamente e assim por diante.
(2) Função de diagnóstico automático.Esta é a principal função de sensores de pressão inteligentes, sensores de pressão inteligentes através de seu software de diagnóstico de falhas e software de autoteste, sensores automáticos e status do sistema para detecção regular e irregular, teste, detecção oportuna de falhas, para ajudar no diagnóstico da causa da falha, a localização e para dar dicas operacionais.
(3) Função de configuração de software.Sensores de pressão inteligentes devido ao uso de microprocessadores, portanto, não existem apenas os componentes de hardware necessários, como detecção, amplificação, A / D, D / A, interfaces de comunicação, etc., mas também recursos de software para o controle e processamento de dados. No sensor de pressão inteligente, há um hardware e software multimodulares configurados para que o usuário possa enviar comandos através do microprocessador para realizar diferentes funções, o que aumenta a flexibilidade e a confiabilidade do sensor.
2.3 Sensores inerciais inteligentes
Sensores inerciais, os sensores MEMS mais amplamente utilizados, incluem acelerômetros, giroscópios e sensores de orientação.
Os módulos de medição inercial de hoje (IMUS) podem integrar um acelerômetro triaxial, giroscópio triaxial e magnetômetro triaxial em tamanho de 10 mm x 10 mm x 4 mm a um custo inferior a um dólar. Este módulo de medição inercial pode ser aplicado a smartphones e dispositivos vestíveis para realizar funções esportivas e de saúde, incluindo monitoramento da marcha, contagem de etapas, detecção de quedas, monitoramento do sono, navegação interna, etc., bem como funções de entretenimento como reconhecimento de gestos e detecção de direção.