지능형 시대의 도착으로 다양한 스마트 센서의 연구 및 적용이 점점 더 강조되고 있습니다. 스마트 센서는 또한 기존 센서를 기반으로 풍부한 정보 처리 기능을 가지고 있으며보다 포괄적 인 기능을 제공 할 수 있습니다.
이 논문은 일반적으로 사용되는 온도, 압력, 관성, 생화학 및 RFID 센서의 현재 연구 상태와 산업 업그레이드 및 사물 인터넷 (IoT), 가상 현실 (VR), 로봇 공학, 건강 관리 및 혁신적인 응용 분야에서 주요 역할을 소개합니다. 등, 그리고 스마트 센서의 미래 개발 추세를 기대합니다.
스마트 센서 (스마트 센서)는 정보 감지, 정보 처리, 정보 메모리, 논리적 사고 및 판단 기능을 갖춘 센서를 나타냅니다.
측정 할 물리적 수량을 특성화하는 아날로그 전압 신호 만 제공하는 기존 센서와 비교하여 스마트 센서는 통합 기술 및 마이크로 프로세서 기술을 완전히 사용하고 인식, 정보 처리, 통신을 하나로 사용하며 특정 수준의 지식을 제공 할 수 있습니다. 디지털 형태로 전파 된 정보의.
NASA (NASA)는 1980 년대에 스마트 센서의 개념을 제안한 이래로 수십 년의 개발 후 국가의 산업 및 기술 연구 기능을 대표하는 센서 기술의 주요 개발 방향이되었습니다.
현재의 스마트 시대에 따라 센서의 중요성은 "중국 2025 년", "독일 2020 첨단 기술 전략"과 유럽 연합, 미국, 한국, 싱가포르 등에서 더욱 두드러지게되었습니다. . 중요한 지원 역할을 수행하기위한 스마트 시티 및 기타 전략을 홍보하기 위해, 또한 사물 인터넷 (IoT), 가상 현실 (VR), 로봇 공학, 스마트 주택, 자율 주택 및 기타 산업 개발에서도 중요한 역할을합니다.
무선 주파수 식별 기술을 기반으로 한 고성능, 신뢰할 수있는 다기능 복합 단지 자동, 측정 및 제어 시스템 및 사물 인터넷의 상승 및 개발은 점점 더 많은 인식,인지 능력 및 활발하고 빠르고 빠른 스마트 센서의 중요성을 강조합니다. 긴급 성의 개발.
CMOS 호환 MEMS 기술의 개발을 통해 미니어처 스마트 센서의 개발은 강력한 기술 지원을 받았으며 스마트 센서 산업은 매우 중요한 역사적 개발 기회에 직면하고 있습니다.
이 논문은 다양한 종류의 스마트 센서 기술 및 응용 프로그램의 개발 상태를 요약하고 향후 개발 추세에 대한 전망을 만듭니다.
풍부하고 다양한 지능형 센서
다양한 지능형 애플리케이션의 요구를 충족시키기 위해 센서 카테고리는 환경 센서, 관성 센서, 아날로그 센서, 자기 센서, 바이오 센서, 적외선 센서, 진동 센서, 압력 센서, 초음파 센서 등과 같은 매우 다양합니다.
그 중에서도 다음 센서가 더 일반적으로 사용됩니다.
환경 센서, 주로 가스 센서, 기압 센서, 온도 센서, 습도 센서 등.가스 센서는 공기 정화기, DUI 모니터, 포름 알데히드의 검출기 및 가정용 가구의 기타 독성 가스 및 산업 배기 가스에 대한 탐지 장치에 적용될 수 있습니다. 사람들이 환경 문제에주의를 기울이면 환경 센서의 중요성이 점점 더 두드러지고 있으며 향후 개발의 여지가 많이 있습니다.
스마트 브레이슬릿, 스마트 시계, VR 헬멧 등과 같은 웨어러블 제품에 주로 사용되는 관성 센서.관성 센서는 운동의 추적 및 식별을 감지하는 데 사용되며, 착용자에게 운동량, 소비 된 칼로리 및 그 날 운동의 영향을 알려줍니다.
주로 가정 기기에 사용되는 자기 센서커피 메이커, 온수기, 에어컨 등과 같은 등은 각도가 얼마나 많이 돌렸는지 또는 얼마나 많은 여행이 수행되었는지를 감지하는 데 사용되며 일반적으로 대시 보드에 표시됩니다. 또한, 마그네틱 센서는 도어 자석 및 창 자석 등에도 사용됩니다. 로봇의 지능과 정확도는 지원을 위해 자기 센서가 필요합니다.
주로 스마트 의료 기기에서 사용되는 아날로그 센서,심장 박동 및 심전도와 같은 신호의 입력으로 사용하고 건강 데이터의 출력을 시각화하여 사용자가 직접적인 건강 및 운동 데이터를 이해할 수 있도록 할 수 있습니다.
적외선 센서는 종종 적외선 카메라, 스윕 로봇 및 기타 스마트 홈에 사용됩니다.
2 스마트 센서에 대한 기술 연구의 진행
진정으로 지능적인 센서에는 다음과 같은 기능이 있어야합니다.
1) 자기 보석화, 자기 교체 및 자동 보상 기능;
2) 자동 데이터 수집, 논리적 판단 및 데이터 처리 기능;
3) 자기 조정 및 자기 적응 기능;
(4) 어느 정도의 스토리지, 식별 및 정보 처리 기능;
5) 양방향 통신, 표준 디지털 출력 또는 기호 출력 기능;
(6) 알고리즘 판단, 의사 결정 및 처리 기능.
다음은 일반적으로 사용되는 온도, 압력, 관성, 생화학 및 RFID 센서의 예입니다.
2.1 스마트 온도 센서
온도 센서의 개발은 다음과 같습니다.3 단계 : 전통적인 이산 온도 센서, 아날로그 통합 온도 센서 및 지능형 온도 센서 전체.
21 세기까지 지능형 온도 센서는 높은 정밀도, 다기능, 버스 표준화, 높은 신뢰성 및 안전, 가상 센서 및 네트워크 센서 개발, 모 놀리 식 온도 측정 시스템의 개발 및 기타 빠른 개발 방향으로 이동하고 있습니다.
현재 스마트 온도 센서에는 온도 센서, A/D 변환기, 신호 프로세서, 메모리 및 인터페이스 회로가 포함되어 있으며 일부 제품에는 멀티플렉서, 중앙 컨트롤러, 임의 액세스 저장 및 읽기 전용 메모리도 있습니다.
지능형 온도 센서는 온도 데이터를 출력하는 기능 및 관련 온도 제어 볼륨을 특징으로하며 다양한 마이크로 컨트롤러에 적합하며 소프트웨어를 통한 하드웨어를 기반으로하여 테스트 기능을 달성하기 위해 지능 정도는 레벨에 따라 다릅니다. 소프트웨어 개발.
(1) 측정 정확도와 해상도를 향상시킵니다
가장 초기의 지능형 온도 센서는 -1990 중간에서 시작되었습니다, 8- 비트 A/D 변환기를 사용하여 온도 측정 정확도는 낮으며 해상도는 1도에만 도달 할 수 있습니다.
현재 외국은 9 ~ 12- 비트 A/D 컨버터를 사용하여 다양한 고밀도의 고해상도 지능형 온도 센서를 출시했습니다. 해상도는 0. 5 ~ {{6에 도달 할 수 있습니다. }}. 625 학위. 미국 Dallas Semiconductor Corporation의 새로 개발 된 DS 1624- 유형 {{1 0}} 비트 바이너리 데이터, 0. 03 Datch의 해상도 , 온도 측정 정확도 ± 0.2도.
다 채널 지능형 온도 센서의 변환율을 향상시키기 위해 고속 연속 근사 A/D 변환기를 사용하는 칩도 있습니다. AD7817 유형 5- 채널 지능형 온도 센서, 예를 들어, 각각의 원격 센서 변환 시간은 각각 27ms, 9ms입니다.
고정밀 온도 측정 측면에서 일부 학자들은 고성능 디지털 온도 센서를 설계했으며, 이는 쿼츠 튜닝 포크 공진기, 디지털 인터페이스 회로 및 센서 재설정 제어 알고리즘으로 구성된 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이 및 센서로 구성됩니다. 센서의 감도는 10 -6 정도, 즉 온도 측정 해상도에 도달 할 수 있습니다. 0. 0 01도, 응답 시간은 1 초이며 측정의 정확도는 0.01도입니다.
(2) 향상된 테스트 기능
새로운 지능형 온도 센서 테스트 기능은 지속적으로 향상됩니다. 지능형 온도 센서에는 단일 변환 모드, 연속 변환 모드, 대기 모드 등 다양한 작동 모드가 있으며 일부는 저온 제한 확장 모드를 추가했습니다.
일부 지능형 온도 센서의 경우 호스트 (외부 마이크로 프로세서 또는 마이크로 컨트롤러)를 A/D 변환율, 해상도 및 최대 변환 시간의 해당 레지스터를 통해 설정할 수도 있습니다.
또한 지능형 온도 센서는 단일 채널에서 다 채널 방향으로 개발되어 다 채널 온도 측정 및 제어 시스템의 개발을위한 양호한 조건을 만듭니다.
(3) 버스 기술의 표준화 및 표준화
현재 지능형 온도 센서 버스 기술도 표준화되고 정규화되었으며, 사용 된 버스는 주로 단일 와이어 (-wire) 버스, 2 C 버스, SMBUS 버스 및 SPI 버스입니다.
(4) 신뢰성 및 안전 설계
온도 제어 시스템이 노이즈 간섭을받을 때 잘못된 동작을 피하기 위해, 일부 지능형 온도 센서의 내부에서는 측정 된 온도 값이 초과 할 수있는 횟수를 설정하는 데 전념하여 프로그래밍 가능한 오류 큐어링 카운터가 설정됩니다. 상한 및 하한. 인터럽트 포트는 측정 된 온도의 횟수가 상한을 연속적으로 초과하거나 하상 아래로 떨어지는 경우에만 트리거 될 수 있으며, 이는 정해진 횟수에 도달하면 온도 제어 시스템에서 가끔 노이즈 간섭의 영향을 피합니다.
인간 정전기 방전으로 인한 칩 손상을 방지하기 위해, 일부 지능형 온도 센서는 또한 정전기 방지 회로를 증가 시켰으며, 일반적으로 1 ~ 4kV의 정전기 방전 전압을 견딜 수 있습니다.
예를 들어, TCN75 지능형 온도 센서 직렬 인터페이스, 인터럽트/비교 신호 출력 및 주소 입력은 1kV의 정전기 방전 전압을 견딜 수 있습니다. LM83 지능형 온도 센서는 4kV의 정전기 방전 전압을 견딜 수 있습니다.
2.2 스마트 압력 센서
지능형 압력 센서는 마이크로 프로세서와 압력 센서의 조합이므로 구현 경로는 비 통합 지능형 압력 센서, 통합 지능형 압력 센서 및 하이브리드 지능형 압력 센서로 나눌 수 있습니다.
비 통합 스마트 압력 센서는 전통적인 압력 센서, 신호 컨디셔닝 회로 및 마이크로 프로세서를 디지털 버스 인터페이스와 단일 시스템으로 결합한 스마트 압력 센서 시스템입니다.
이 비 통합 압력 센서는 실제로 마이크로 프로세서 연결이 추가 된 기존의 압력 센서 시스템입니다. 따라서 스마트 압력 센서 시스템을 실현하는 가장 빠른 방법과 수단 중 하나입니다.
통합 지능형 압력 센서는 신호 처리, 보정, 보상, 마이크로 컨트롤러 등의 압력 민감성 요소를 모 놀리 식 통합으로 주로 마이크로 전자 역학 시스템 (MEMS) 기술 및 대규모 통합 회로 프로세스 기술을 채택하고 기본 재료로 실리콘을 활용합니다. 민감한 요소, 신호 컨디셔닝 회로 및 마이크로 프로세서 장치를 만들고 단일 칩에 통합합니다.
마이크로 전자 기술의 빠른 개발과 미세 나노 기술의 적용으로 결과 스마트 압력 센서는 소형화, 구조적 통합, 높은 정밀도, 다기능, 배열, 완전한 디지털화, 사용하기 쉬운 등의 특성을 가지고 있습니다. 에.
하이브리드 지능형 압력 센서는 민감한 장치, 신호 컨디셔닝 회로, 마이크로 프로세서 장치, 디지털 버스 인터페이스와 같은 다양한 통합 링크 시스템의 요구와 가능성에 따른 것입니다. .
지능을 달성하기위한 하이브리드 통합은 현재 기술 개발에 적합한 지능적인 경로입니다. 지능형 압력 센서 시스템에서 마이크로 프로세서는 주어진 프로그램에 따라 센서의 소프트웨어 제어를 실현하여 센서를 단일 기능에서 다기능으로 변경합니다. 지능형 압력 센서에는 일반적으로 다음과 같은 기본 기능이 있습니다.
(1) 데이터 처리 기능.지능형 압력 센서는 측정 된 매개 변수를 측정 할뿐만 아니라 알려진 측정 된 매개 변수에 따라 자동으로 제로화, 자동 균형, 자동으로 보상 등을 할 수 있습니다.
(2) 자동 진단 기능.이것은 지능형 압력 센서, 고장 진단 소프트웨어 및 자체 테스트 소프트웨어를 통한 지능형 압력 센서, 정기적이고 불규칙한 탐지, 테스트, 결함 탐지, 원인 진단을 지원하기위한 지능형 압력 센서의 주요 기능입니다. 실패, 위치 및 운영 팁을 제공합니다.
(3) 소프트웨어 구성 기능.마이크로 프로세서 사용으로 인한 지능형 압력 센서이므로 탐지, 증폭, A / D, D / A, 통신 인터페이스 등과 같은 필요한 하드웨어 구성 요소뿐만 아니라 소프트웨어 리소스를 제어 및 처리하기위한 소프트웨어 리소스도 있습니다. 데이터. 지능형 압력 센서에는 멀티 모듈 식 하드웨어 및 소프트웨어가 설정되어 사용자가 마이크로 프로세서를 통해 명령을 보내 다양한 기능을 수행하여 센서의 유연성과 신뢰성을 높입니다.
2.3 지능형 관성 센서
가장 널리 사용되는 MEMS 센서 유형 인 관성 센서에는 가속도계, 자이로 스코프 및 오리엔테이션 센서가 포함됩니다 .MEMS 기술은 관성 센서를 소형화하고 비용 절감의 고유 한 이점이 있습니다.
오늘날의 관성 측정 모듈 (IMUS)은 1 달러 미만의 비용으로 10mm x 10mm x 4mm 크기의 3 자성 가속도계, 3 방향 자이로 스코프 및 3 자성 계수를 통합 할 수 있습니다. 이 관성 측정 모듈은 스마트 폰 및 웨어러블 장치에 적용하여 보행 모니터링, 단계 계산, 낙상 감지, 수면 모니터링, 실내 탐색 등, 제스처 인식 및 방향 감지와 같은 엔터테인먼트 기능을 포함한 스포츠 및 건강 기능을 실현할 수 있습니다.