Avec l'arrivée de l'ère intelligente, la recherche et l'application de divers capteurs intelligents ont été de plus en plus soulignées. Les capteurs intelligents ont également de riches capacités de traitement de l'information sur la base de capteurs traditionnels et peuvent fournir des fonctions plus complètes.
Cet article présente l'état de recherche actuel des capteurs de température, de pression, d'inertie, biochimiques et de RFID couramment utilisés et de leurs rôles clés dans la mise à niveau industrielle et les applications innovantes telles que l'Internet des objets (IoT), la réalité virtuelle (VR), la robotique, les soins de santé, etc., et attend avec impatience la tendance future de développement des capteurs intelligents.
Smart Sensor (Smart Sensor) fait référence au capteur avec la détection des informations, le traitement de l'information, la mémoire des informations, la pensée logique et les fonctions de jugement.
Par rapport aux capteurs traditionnels qui ne fournissent que des signaux de tension analogiques qui caractérisent la quantité physique à mesurer, les capteurs intelligents utilisent pleinement la technologie d'intégration et la technologie du microprocesseur, la perception de l'information, le traitement de l'information, la communication en un et peuvent fournir un certain niveau de connaissances de l'information diffusée sous forme numérique.
Depuis que la NASA (NASA) a proposé le concept de capteurs intelligents dans les années 1980, après des décennies de développement, les capteurs intelligents sont devenus une direction de développement majeure de la technologie des capteurs, représentant les capacités de recherche industrielle et technologique d'un pays.
Poussée par l'ère intelligente actuelle, l'importance des capteurs est devenue plus importante, non seulement dans la "Made in China 2025", "Allemagne 2020 High-Tech Strategy" et l'Union européenne, les États-Unis, la Corée du Sud, Singapour, etc. . un rôle clé.
Systèmes automatiques, de mesure et de contrôle complexes multifonctionnels hautes performances, très fiables, ainsi que la montée et le développement de l'Internet des objets basés sur la technologie d'identification par radiofréquence, souligne de plus en plus l'importance des capteurs intelligents avec perception, capacité cognitive et vigoureux et rapide Développement de l'urgence.
Avec le développement de la technologie MEMS compatible CMOS, le développement de capteurs intelligents miniatures a reçu un fort soutien technique, l'industrie des capteurs intelligents est confrontée à une opportunité de développement historique très importante.
Cet article résume l'état de développement de différents types de technologies et d'applications de capteurs intelligents, et fait une perspective sur la tendance future de développement.
1 capteurs intelligents riches et diversifiés qui
Afin de répondre aux besoins de diverses applications intelligentes, les catégories de capteurs sont très diverses, telles que: capteurs environnementaux, capteurs inertiels, capteurs analogiques, capteurs magnétiques, biocapteurs, capteurs infrarouges, capteurs de vibration, capteurs de pression, capteurs à ultrasons, etc.
Parmi eux, les capteurs suivants sont plus couramment utilisés.
Capteurs environnementaux, principalement des capteurs de gaz, capteurs de pression barométrique, capteurs de température, capteurs d'humidité, etc.Les capteurs de gaz peuvent être appliqués aux purificateurs d'air, aux moniteurs DUI, aux détecteurs de formaldéhyde et à d'autres gaz toxiques dans les meubles domestiques, ainsi que des dispositifs de détection pour les gaz d'échappement industriels. Alors que les gens font attention aux problèmes environnementaux, l'importance des capteurs environnementaux devient de plus en plus importante, et il y a beaucoup de place au développement à l'avenir.
Des capteurs inertiels, principalement utilisés dans les produits portables, tels que les bracelets intelligents, les montres intelligentes, les casques VR, etc.Le capteur inertiel est utilisé pour détecter le suivi et l'identification du mouvement, informant le porteur de la quantité d'exercice, des calories consommées et de l'effet de l'exercice sur cette journée.
Capteurs magnétiques, qui sont principalement utilisés dans les appareils électroménagers, comme les cafetières, les chauffe-eau, les climatiseurs, etc., sont utilisés pour détecter le montant de l'angle tourné ou la quantité de déplacements, et sont généralement affichés sur le tableau de bord. De plus, les capteurs magnétiques sont également utilisés dans les aimants de porte et les aimants de fenêtre, etc. L'intelligence et la précision des robots ont également besoin de capteurs magnétiques pour le support.
Capteurs analogiques, qui sont principalement utilisés dans les dispositifs médicaux intelligents,Peut être utilisé comme entrées pour des signaux tels que le rythme cardiaque et les électrocardiogrammes, et visualiser la sortie des données de santé, afin que les utilisateurs puissent comprendre leurs données de santé et d'exercice de première main.
Les capteurs infrarouges sont souvent utilisés dans les caméras infrarouges, les robots balayants et autres maisons intelligentes.
2 Progrès de la recherche technique sur les capteurs intelligents
Un capteur vraiment intelligent devrait avoir les fonctions suivantes:
1) les fonctions d'auto-étalibration, d'auto-étalibration et de compensation automatique;
2) Collecte de données automatiques, fonctions de jugement logique et de traitement des données;
3) fonctions d'auto-ajustement et d'auto-adaptation;
(4) un certain degré de fonctions de stockage, d'identification et de traitement de l'information;
5) Communication bidirectionnelle, fonction de sortie numérique standard ou de sortie symbole;
(6) Jugement algorithmique, fonctions de prise de décision et de traitement.
Ce qui suit est un exemple de température couramment utilisée, de pression, d'inertie, de capteurs biochimiques et RFID pour introduire les progrès de la recherche de la technologie de détection intelligente.
2.1 capteurs de température intelligents
Le développement de capteurs de température a traversé ce qui suitTrois étapes: capteurs de température discrets traditionnels, capteurs de température intégrés analogiques et capteurs de température intelligents dans leur ensemble.
Au 21e siècle, les capteurs de température intelligents se déplacent vers une haute précision, multifonctionnel, une normalisation des bus, une haute fiabilité et une sécurité, le développement de capteurs virtuels et de capteurs de réseau, le développement du système de mesure de la température monolithique et d'autres directions de développement rapide.
Le capteur de température intelligent actuel contient un capteur de température, un convertisseur A / D, un processeur de signal, une mémoire et des circuits d'interface, certains produits ont également un multiplexeur, un contrôleur central, un stockage d'accès aléatoire et une mémoire en lecture seule.
Les capteurs de température intelligents sont caractérisés par la capacité de produire des données de température et le volume de contrôle de la température associé, adapté à une variété de micro-contrôles, et est basé sur le matériel via le logiciel pour atteindre la fonction de test, le degré d'intelligence dépend du niveau du développement logiciel.
(1) Améliorer la précision et la résolution de la mesure
Les premiers capteurs de température intelligents ont commencé au milieu -1990 S, en utilisant le convertisseur 8- bit A / D, sa précision de mesure de la température est faible, la résolution ne peut atteindre que 1 degré.
À l'heure actuelle, les pays étrangers ont lancé une variété de capteurs de température intelligents à haute précision et haute résolution, en utilisant 9 ~ 12- Bit A / D Convertisseur, la résolution peut atteindre 0. 5 ~ {{6 }}. 625 degrés. Par les US Dallas Semiconductor Corporation, récemment développés 1624-, le capteur de température intelligent à haute résolution qui peut produire {{1 0}}} Bit Data, résolution aussi élevée que 0. 03 degré , précision de mesure de la température de ± 0,2 degrés.
Afin d'améliorer le taux de conversion du capteur de température intelligente multicanal, il existe également des puces utilisant un convertisseur A / D d'approximation successif à grande vitesse. Type AD7817 Type 5- Capteur de température intelligent du canal, par exemple, c'est le capteur local, chaque temps de conversion de capteur à distance de seulement 27 ms, 9 ms, respectivement.
En termes de mesure de la température de haute précision, certains chercheurs ont conçu un capteur de température numérique haute performance, qui se compose d'un résonateur de fourche de réglage de quartz, d'un circuit d'interface numérique et d'un algorithme de contrôle de réinitialisation du capteur basé sur le réseau de portes programmable sur le terrain, et La sensibilité du capteur peut atteindre le nombre de 10 -6, c'est-à-dire la résolution de mesure de la température de 0. 0 01 degré, le temps de réponse de 1 s et la précision de la mesure est de 0,01 degré.
(2) fonctions de test améliorées
La nouvelle fonction de test de capteur de température intelligent est constamment améliorée. Les capteurs de température intelligents ont une variété de modes de fonctionnement parmi lesquels choisir, y compris le mode de conversion unique, le mode de conversion continue, le mode de veille et certains ont également ajouté un mode d'extension limite à basse température.
Pour certains capteurs de température intelligents, l'hôte (microprocesseur externe ou microcontrôleur) peut également être réglé à travers les registres correspondants de son taux de conversion A / D, de sa résolution et de son temps de conversion maximal.
De plus, les capteurs de température intelligents se développent de la direction à canal unique à plusieurs canaux, ce qui crée de bonnes conditions pour le développement du système de mesure et de contrôle de la température multicanal.
(3) Standardisation et normalisation de la technologie des bus
À l'heure actuelle, la technologie de bus de capteur de température intelligent a également été standardisée et normalisée, le bus utilisé est principalement un bus à fil unique (-fil), le bus I 2 C, le bus SMBUS et le bus SPI.
(4) Conception de fiabilité et de sécurité
Afin d'éviter une fausse action lorsque le système de contrôle de la température est soumis à une interférence de bruit, dans l'interne de certains capteurs de température intelligents, un compteur de file d'attente de défaut programmable est configuré, dédié à la définition du nombre de fois où la valeur de température mesurée est autorisée à dépasser les limites supérieures et inférieures. Le port d'interruption ne peut être déclenché que lorsque le nombre de fois que la température mesurée dépasse en continu la limite supérieure ou tombe en dessous de la limite inférieure atteint le nombre de fois défini, ce qui évite l'influence d'une interférence de bruit occasionnelle sur le système de contrôle de la température.
Afin d'éviter d'endommager la puce due à la décharge électrostatique humaine, certains capteurs de température intelligents ont également augmenté le circuit de protection électrostatique, peuvent généralement résister à 1 ~ 4 kV de tension de décharge électrostatique.
Par exemple, l'interface série de capteur de température intelligente TCN75, les sorties de signal d'interruption / comparaison et les entrées d'adressage peuvent résister à 1 kV de tension de décharge électrostatique. Le capteur de température intelligent LM83 peut résister à 4 kV de tension de décharge électrostatique.
2.2 Capteurs de pression intelligents
Les capteurs de pression intelligents sont une combinaison de microprocesseurs et de capteurs de pression, de sorte que leurs chemins de mise en œuvre peuvent être divisés en: capteurs de pression intelligents non intégrés, capteurs de pression intelligents intégrés et capteurs de pression intelligents hybrides.
Les capteurs de pression intelligente non intégrés sont des systèmes de capteurs de pression intelligente qui combinent des capteurs de pression traditionnels, des circuits de conditionnement du signal et des microprocesseurs avec des interfaces de bus numériques en un seul système.
Ce capteur de pression non intégré est en fait un système de capteur de pression conventionnel avec une connexion de microprocesseur ajoutée. Par conséquent, c'est l'un des moyens et moyens les plus rapides de réaliser un système de capteur de pression intelligent.
Le capteur de pression intelligent intégré est une intégration monolithique d'éléments sensibles à la pression avec le traitement du signal, l'étalonnage, la compensation, le microcontrôleur, etc. Il adopte principalement la technologie du système microélectromécanique (MEMS) et la technologie de processus de circuit intégré à grande échelle et utilise le silicium comme matériau de base Pour faire les éléments sensibles, les circuits de conditionnement du signal et les unités de microprocesseur, et les intègre sur une seule puce.
Avec le développement rapide de la technologie des microélectroniques et l'application de la micro-nanotechnologie, le capteur de pression intelligente qui en résulte a les caractéristiques de la miniaturisation, de l'intégration structurelle, de la haute précision, de la multifonction, du tableau, de la numérisation complète, facile à utiliser, facile à utiliser et donc sur.
Le capteur de pression intelligente hybride est en fonction des besoins et des possibilités du système de diverses liaisons intégrées, telles que des unités sensibles, des circuits de conditionnement du signal, des unités de microprocesseur, des interfaces de bus numériques, dans différentes combinaisons intégrées dans 2 ~ 3 puces et emballés dans un shell .
L'intégration hybride pour réaliser l'intelligence est une voie intelligente qui est bien adaptée au développement technologique actuel. Dans le système de capteur de pression intelligent, le microprocesseur peut réaliser le contrôle du logiciel du capteur conformément au programme donné, en modifiant le capteur d'une seule fonction à une multifonction. Les capteurs de pression intelligents ont généralement les fonctions de base suivantes.
(1) Fonctions de traitement des données.Les capteurs de pression intelligents mesurent non seulement les paramètres mesurés, mais également selon les paramètres mesurés connus, peuvent être automatiquement à zéro, automatiquement équilibrés, automatiquement compensés, etc.
(2) Fonction de diagnostic automatique.Il s'agit de la fonction principale des capteurs de pression intelligents, des capteurs de pression intelligents à travers son logiciel de diagnostic de défaut et les logiciels d'auto-test, les capteurs automatiques et l'état du système pour la détection régulière et irrégulière, les tests, la détection en temps opportun des défauts, pour aider au diagnostic de la cause de la défaillance, de l'emplacement et de donner des conseils opérationnels.
(3) Fonction de configuration du logiciel.Capteurs de pression intelligents en raison de l'utilisation de microprocesseurs, il n'y a donc pas seulement les composants matériels nécessaires, tels que la détection, l'amplification, les interfaces de communication A / D, D / A, etc., mais aussi des ressources logicielles pour le contrôle et le traitement de données. Dans le capteur de pression intelligent, il existe un matériel et des logiciels multimodulaires afin que l'utilisateur puisse envoyer des commandes via le microprocesseur pour accomplir différentes fonctions, ce qui augmente la flexibilité et la fiabilité du capteur.
2.3 capteurs d'inertie intelligents
Les capteurs inertiels, le type de capteurs MEMS le plus largement utilisé, comprennent les accéléromètres, les gyroscopes et les capteurs d'orientation. La technologie destinées a l'avantage unique de miniaturisation des capteurs inertiels et de réduction des coûts.
Les modules de mesure inertielle (IMU) d'aujourd'hui peuvent intégrer un accéléromètre triaxial, un gyroscope triaxial et un magnétomètre triaxial dans une taille de 10 mm x 10 mm x 4 mm à un coût inférieur à un dollar. Ce module de mesure inertielle peut être appliqué aux smartphones et aux appareils portables pour réaliser des sports et des fonctions de santé, notamment la surveillance de la marche, le comptage des pas, la détection des chutes, la surveillance du sommeil, la navigation intérieure, etc., ainsi que les fonctions de divertissement telles que la reconnaissance des gestes et la détection de direction.