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新时代的“电五官”——智能传感器行业的发展

  物联网、智能汽车、可穿戴设备、机器人等新技术的大规模应用,已成为全球经济发展的新动能。所有这些新兴产业的发展,都离不开小小的它智能传感器。

  传感器技术、通讯技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础,构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。可以说,传感器是人类五官功能的延展,又称之为“电五官”。传感器作为沟通物理世界与信息世界的桥梁,是重要的感知环境的半导体器件,已广泛应用于航天、国防、石油、化工、矿山、地质和工农业生产等领域。

  在当今这个信息化的时代,传感器诸多的应用场景需要其更加快速地获得更精准、更全面的信息。因此,智能传感器成为传感器技术发展的必然产物,并已取代传统传感器成为市场主流。随着中国信息化战略的推进,智能传感器产业也将迎来新的增长点。

  目前全球对智能传感器还没有统一的科学定义。电气和电子工程师协会(IEEE,全称是Institute of Electrical and Electronics Engineers)从最小化传感器结构的角度,把智能定义为:能提供受控量或待感知量大小且能典型简化其应用于网络环境的集成的传感器。我国在2017年制定国家标准GB/T33905-2017,把智能传感器定义为:具有与外部系统双向通信手段,用于发送测量、状态信息,接收和处理外部命令的传感器。

  传统传感器往往具有温度漂移和输出非线性的缺点,而智能传感器的处理器可以根据给定的传统传感器的先验知识,通过软件计算自动补偿传统传感器硬件线性、非线性和漂移以及环境影响因素引起的信号失真,以最佳地恢复被测信号。计算方法用软件实现,达到软件补偿硬件缺陷的目的,也大大提高了传感器的应用灵活性。此外,传统的传感器往往需要定期检验和标定以保证传感器能够保持所需的精度。而智能传感器可以通过微处理器中的诊断算法对传感器的输出进行检验,并将诊断信息直观地呈现出来,使传感器具有自诊断的功能。

  智能传感器内含一定的存储空间,它除了能够存储信号处理、自补偿、自诊断等相关程序外,还能够进行数据存储,如历史数据、标定日期和各种必需的参数。智能传感器自带的存储空间缓解了自动控制系统控制器的存储压力,大大提高了控制器的性能。

  智能传感器内嵌微处理器的结构使其具有高级的编程特性,因此可以通过编辑算法使传感器具有学习功能。智能传感器可以在工作过程中学习理想采样值,处理器利用近似公式和迭代算法可认知新的被测量值,即有再学习能力。此外,在工作过程中,智能传感器还可以通过对被测量的学习,根据一定的行为准则自适应地重构结构和重置参数。

  传统传感器大多都是模拟输入、模拟输出的,在数字控制系统中传感器输出的信号要经过A/D转换后才可以进行数字处理。智能传感器内部集成了模数转换电路,能够直接输出数字信号。智能传感器的数字输出功能大大缓解了控制器的信号处理压力。

  作为物联网的“触手”,智能传感器对于当今信息时代有着至关重要的作用,并日益朝着微型化、集成化和网络化方向发展。

  智能传感器的主要发展方向之一是微型化,即微传感器,其中最有代表性的是MEMS传感器。MEMS(Micro Electromechanical System,微机电系统)是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置,其内部结构一般在微米甚至纳米量级,是一个独立的智能系统。

  随着集成微电子机械加工技术的日趋成熟,MEMS传感器将半导体加工工艺(如氧化、光刻、扩散、沉积和蚀刻等)引入传感器的生产制造,实现了规模化生产,并为传感器微型化发展提供了重要的技术支撑。

  智能传感器的主要发展方向之二是集成化。目前,一些企业开始研发集成传感器,比如将麦克风与气压传感器进行集成,将气压传感器与温湿度传感器进行集成,将麦克风与温湿度传感器进行集成等。

  传感器集成化有几个优势:一是实现产品功能更加强大,满足多样化需求;二是成本优势,1个集成传感器比2个单独的传感器更加具有成本优势;三是降低尺寸,可以满足更多可穿戴式智能产品的发展需求。

  智能传感器的主要发展方向之三是网络化。与传统的较大型传感器相比,智能微传感器的成本低,但是其覆盖范围较小,所以在实际的应用中,通常需要成千上万的微传感器协同工作,这就是智能传感器的网络化。众多微传感器之间的网络化联接采用近距离低功耗的无线技术,构建无线传感器网络。该技术被美国麻省理工学院(MIT)的《技术评论》杂志评为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首。

  伴随着物联网、智能汽车、可穿戴设备、机器人等产业的加速落地,未来智能传感器市场规模必将大幅增长。只要把握好这个重要机遇,在政策、市场等利好加速落地的情况下,我国智能传感器行业的发展前景可期!



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