什么是智能传感器技术？

新技术的发展将整个世界带入了物联网时代。这个新时代在智能设计领域比信息时代有了更多的进步，智能传感器在其发展中发挥了不可或缺的作用。

什么是智能传感器技术？
传感器是指能够感知指定的测量参数并将其转换为可用输出信号的设备。传感技术、计算机技术和通信技术并称为信息技术的三大支柱。传感技术是一门多学科的现代科学和工程技术，其重点是从自然资源中获取信息，对这些信息进行处理和识别，并将其用于规划、设计、开发、制造和测试。传感器的应用和评价程度是衡量一个国家信息化程度的重要指标。智能传感技术是一门涉及微机械电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、和人工智能技术。它可以实现传统传感器无法实现的功能。

智能传感器主要由传感器、微处理器和相关电路组成。目前，智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技、工农业生产等各个领域。

传感器作为人类获取信息的工具，是现代信息技术的重要组成部分。传统传感器输出的大部分是模拟信号，不具备信号处理和联网功能。它们需要与特定的测量仪器连接，以完成信号处理和传输功能。智能传感器基于硅材料微加工和CMOS电路集成技术。根据制造技术，智能传感器可分为三类：微机电系统（MEMS）、互补金属氧化物半导体（CMOS）和光谱学。MEMS和CMOS技术易于实现低成本量产，可集成传感器元件、偏置、调理电路、甚至在同一基板或同一封装内实现超大规模电路，使器件具有多种检测功能和智能数据处理功能。例如，利用霍尔效应检测磁场、利用塞贝克效应检测温度、利用压阻效应检测压力以及利用光电效应检测光的智能设备。

智能传感器可以在内部处理原始数据，并可以通过标准接口与外界交换数据。可根据实际需要通过软件控制改变传感器的功能，实现智能化、网络化。

智能传感器有哪些特点？
智能传感器具有高精度、高分辨率、高可靠性、高适应性、高性价比等特点。智能传感器通过数字处理实现高信噪比，确保高精度。通过数据融合和神经网络技术，它们具有在多参数状态下测量和区分特定参数的能力。通过自动补偿，消除因工作条件和环境变化引起的系统特性漂移，优化传输速度，使系统工作在最佳低功耗状态，提高可靠性。通过软件进行数学处理，使智能传感器具有判断、分析、处理功能，系统适应性强。

智能传感器有什么作用？
自补偿能力：通过软件对传感器非线性、温漂、时漂、响应时间等进行自动补偿。

自校准功能：操作者输入零值或某个标准值后，自校准软件可自动在线校准传感器。

自诊断功能：接通电源后，传感器可进行自检，检查传感器各部分是否正常，并可诊断故障元件。

数值处理功能：根据智能传感器内部程序，对数据进行自动处理，如统计处理、异常值剔除等。

双向通讯功能：微处理器与基本传感器之间形成闭环。微处理器不仅接收和处理传感器的数据，而且将信息反馈给传感器，以调节和控制测量过程。

信息存储和记忆功能：智能传感器可以存储大量的信息数据，用户可以随时查询。此类信息可能包括有关设备的历史信息。比如传感器工作了多少小时，更换过多少次电源。内容大小仅受限于智能传感器本身的存储容量。

随着科学技术的发展，智能传感器的功能将逐渐增强。人工神经网络、人工智能和信息处理技术（如传感器信息融合技术、模糊理论等）将赋予传感器更高级的智能和分析能力，更好的判断、自适应和自学习功能，从而可以帮助传感器完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。

传感器的发展趋势：
小型化：随着世界的互联程度越来越高，无数应用对传感器的需求呈爆炸式增长。其中许多应用需要多个传感器，这些传感器占用的空间非常小、性能下降程度低且功耗要求低。

数字化：由于物联网领域有如此多的应用，智能传感器需要走向数字化，不仅要捕捉传感数据，还要为各种应用解释这些数据。

传感器融合：随着数字化趋势，多传感器集成直接关系到物联网的扩散和期望。在极小的封装中捕获多种类型的测量的需求正在推动多传感元件的发展。

智能传感器的应用开发：
智能传感器代表了新一代的感知和自我意识能力，是未来智能系统的关键组成部分。通过组件级的智能系统设计，智能传感器将用于食品安全应用和生物危害检测、安全隐患检测和报警、本地和全球环境检测、健康监测和医疗诊断、工业、军事和航空航天应用等., 并将对这些领域产生深远的影响。

智能传感器的技术分析：
智能传感器的发展趋势可按MEMS、CMOS和光谱学分类。MEMS和CMOS是智能传感器制造的两大主要技术。

MEMS技术：
MEMS传感器最早应用于军事领域，在目标跟踪和自动识别领域可以进行多传感器数据融合，具有特定的高精度和识别、跟踪和定位目标的能力。采用 MEMS 技术制造并集成 A/D 转换器的流量传感器已用于航空航天领域。实现智能需要集成 MEMS 传感器功能以及信号调节、控制和数字处理，以实现数据和指令的双向通信、全数字传输、本地数字处理、自校准和用户定义算法的编程。

CMOS技术：
CMOS技术是主流的集成电路技术。它不仅可以用来制作微处理器等数字集成电路，还可以用来制作传感器、数据转换器和用于通信目的的高度集成的收发器。具有集成制造、成本低等优点。CMOS运算元件可与不同传感元件集成，制成流量传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、电导率传感器、pH传感器、氧化还原电位（ORP）传感器、温度传感器、压力传感器、触摸传感器等智能传感器使用在各种场合。CMOS触摸传感器和温度传感器的市场份额保持在14%，并且近年来持续增长。采用CMOS工艺制作并集成D/A转换器的溶解氧传感器已应用于汽车领域。集成收发功能的浊度传感器已被应用于生物医学领域。结合了 CMOS 成像器和处理电路的数字低照度 CMOS 成像器正在成为军事应用的主流成像器。

光谱学：
光谱学是一门涉及物理和化学的重要交叉学科。它通过测量光与物质相互作用的光谱特征来分析物质的物理和化学性质。如果有光，精确的多光谱测量可用于分析固体、液体甚至气态物体。光谱成像广泛用于各种物体传感和材料特性分析。高光谱成像对图像中的每个像素执行光谱分析，从而实现大范围测量。

智能传感器应用领域：
智能手机：
现在智能手机中比较常见的智能传感器有距离传感器、光线传感器、重力传感器、指纹识别传感器、图像传感器、三轴陀螺仪、电子罗盘等。例如，指纹识别传感器可以采集指纹数据，然后进行快速分析和认证，免去繁琐的密码操作，快速解锁。

人工智能/机器人：
传感器是人工智能最基本的硬件，就像人类的感觉获取器官一样。很多传感器都可以实现感知+控制，家庭自动化=感知+控制。这个层次的信息交互和人机交互需要更多的人参与。人工智能把人的逻辑大脑交给机器，实现感知+思考+执行，最后上升到这个层次。智能机器人使用的关键硬件包括驱动器、减速器和传感器。智能传感器在收集外部信息和数据方面发挥着重要作用。

AR/VR：
虚拟现实中的传感设备主要包括两部分：一部分用于人机交互，佩戴在操作者身上，带有三维头盔显示器、数据手套、数据衣等，另一部分用于正确感知真实环境。需要在 AR/VR 中实现各种视觉、听觉、触觉和力传感器，以改善用户体验。

无人机：
无人机（UAV）是目前流行的智能硬件。其智能飞行控制系统的实现需要使用各种智能传感器，包括惯性测量单元（IMU）、MEMS加速度计、电流传感器、倾角传感器和发动机进气流量传感器。IMU 结合 GPS 是无人机保持方向和飞行路径的关键。无人机智能化的发展对于方向和路径控制以及空中交通管理具有重要意义。IMU使用的多轴磁传感器本质上是一个精度极高的小型罗盘。它通过感知方向将数据传输到中央处理器，从而指示方向和速度。

智能穿戴：
传感器在可穿戴设备中起着至关重要的作用。可穿戴设备最基本的功能是通过传感器实现运动感知。

智能家居：
传感器是智能家居控制系统的基础。随着技术的发展，越来越多的传感器被用于智能家居系统。智能家居领域需要使用传感器来测量、分析和控制系统设置。家庭中使用的智能设备融合了位置传感器、接近传感器、液位传感器、流量和速度控制传感、环境监测和安全传感等技术。

智能汽车/自动驾驶：
车联网是物联网发展的主要领域。智能汽车是车联网的核心，正在快速发展。在智能汽车时代，主动安全技术成为新兴的关注领域。它对于改进现有安全系统至关重要，例如侧翻和稳定性控制 (ESC)，这些系统需要 MEMS 加速度传感器和角速度传感器来感测和测量身体姿势。语音将成为人与智能汽车的重要交互方式，MEMS麦克风将迎来新的发展机遇。MEMS 传感器在汽车领域也有很多应用，包括用于安全气囊、汽车发动机等。

智慧产业：
智慧工厂利用物联网技术加强信息化管理和服务，掌握生产和销售过程，提高生产过程的可控性，减少对生产线的人工干预，及时准确采集生产线数据，合理安排生产计划和生产排程，优化供应链。在工业生产领域，传感器被广泛应用。工业生产的各个环节都需要传感器进行监控，并将数据反馈到控制中心，及时干预异常节点，保证工业生产的正常进行。MEMS使传感器小型化、智能化，MEMS传感器在智能工业时代将大有可为。MEMS温度和湿度传感器可用于检测环境状况，MEMS加速度计可用于监测工业设备的振动和转速。高精度MEMS加速度计和陀螺仪可为工业机器人的导航和旋转提供精确的位置信息。