【導讀】幾乎所有輔助人類日常活動的電子設(shè)備都離不開傳感器。傳感器可監(jiān)測人體重要體征，并檢測異常情況。在汽車領(lǐng)域，傳感器可用于識別交通標志、探測障礙物和警告車道偏離，助力實現(xiàn)自動駕駛。未來，用戶與所有智能設(shè)備的簡單交互都可通過傳感器實現(xiàn)。本文將深入分析傳感器在汽車、醫(yī)療保健和工業(yè)機器人等領(lǐng)域的新興趨勢和未來應(yīng)用方向，以及在操作和安全方面取得的進展。
配備傳感器的現(xiàn)代設(shè)備無需手動按鍵，可根據(jù)傳感器輸入的信息自動運行。
幾乎所有輔助人類日常活動的電子設(shè)備都離不開傳感器。傳感器可監(jiān)測人體重要體征，并檢測異常情況。在汽車領(lǐng)域，傳感器可用于識別交通標志、探測障礙物和警告車道偏離，助力實現(xiàn)自動駕駛。未來，用戶與所有智能設(shè)備的簡單交互都可通過傳感器實現(xiàn)。本文將深入分析傳感器在汽車、醫(yī)療保健和工業(yè)機器人等領(lǐng)域的新興趨勢和未來應(yīng)用方向，以及在操作和安全方面取得的進展。
傳感器感知功能類似于人類感官
設(shè)計人員通過創(chuàng)建傳感解決方案簡化人類與設(shè)備的交互。不同傳感器結(jié)合先進軟件，就能形成對真實世界的感知。傳感解決方案將多個智能傳感器整合到統(tǒng)一的智能系統(tǒng)中，讓人們能夠輕松與設(shè)備互動。
圖 1：模擬人類感官的傳感解決方案
智能耳朵/麥克風
人耳能夠分辨多達 40 萬種聲音、10 個八度音和 7,000 個音調(diào)。MEMS 麥克風為音頻和聲控設(shè)備提供了“智能耳朵”。新一代麥克風具備一系列優(yōu)勢，包括超低自噪聲（高 SNR）、即使在高聲壓級 (SPL) 下也具有極低的失真 (THD)、部件間相位和靈敏度高度匹配、具有低 LFRO（低頻滾降）的平坦頻率響應(yīng)以及超低群延遲。新一代麥克風可選擇功率模式，并且封裝尺寸極小。
嗅覺/CO2（二氧化碳）傳感器
人體具有 400 多個嗅覺感受器，能夠分辨 10,000 多種香味和氣味。二氧化碳傳感器采用光聲光譜 (PAS) 技術(shù)，令設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊且功能齊全，解決了現(xiàn)有二氧化碳氣體檢測器所面臨的技術(shù)難題。PAS 二氧化碳傳感器模塊將 PAS 傳感器、微控制器和 MOSFET 集成在電路板上 。
視覺（ToF 3D 圖像傳感器/雷達傳感器）
借助飛行時間 (ToF) 圖像傳感器，電子設(shè)備能夠獲取設(shè)備前方場景的精確 3D 地圖。周遭環(huán)境、物體和人物都會實時轉(zhuǎn)化為數(shù)字空間。算法利用這些數(shù)據(jù)來測量距離和尺寸、跟蹤運動，并將物體形狀轉(zhuǎn)換為 3D 模型。設(shè)計人員開發(fā)的產(chǎn)品可無縫集成到最微型的 3D ToF 相機模塊中，以最低功耗精確測量短距離和長距離深度。
與被動紅外 (PIR) 技術(shù)相比，雷達傳感器在運動檢測應(yīng)用中具有許多優(yōu)勢。其中包括精度更高，以及能夠精確測量探測對象，為新的速度探測和運動傳感功能奠定基礎(chǔ)。雷達傳感器可以在雨、雪、霧、灰塵等惡劣環(huán)境條件下正常運行。一些先進的雷達傳感器靈敏度極高，能夠捕捉呼吸和心跳，感知生命體征的存在。
觸覺（觸摸傳感器）
觸摸傳感器使用多種技術(shù)，如電阻膜、電容、紅外線、超聲波表面聲波和電磁感應(yīng)。觸控面板由輸入設(shè)備（觸控面板）和輸出設(shè)備（顯示器）共同組成。了解e絡(luò)盟根據(jù)不同需求量身定制的各種傳感器產(chǎn)品，包括麥克風、流量傳感器、ToF 3D 圖像傳感器、雷達傳感器和觸摸傳感器。
用于確保安全駕駛的汽車傳感器
制造商通常會在現(xiàn)代汽車上裝配多種傳感器。汽車傳感器獲取胎壓、油量和發(fā)動機溫度等信息，并在儀表盤上顯示。另有一些傳感器旨在維持車輛高效運轉(zhuǎn)，包括監(jiān)測發(fā)動機部件位置，監(jiān)測車輪速度，以控制牽引力或防抱死制動系統(tǒng)，監(jiān)測車內(nèi)外空氣溫度，保持車內(nèi)舒適。制造商可將多個傳感器集成到車輛設(shè)計中，使汽車更安全可靠、高效舒適。
如今的傳感器還能提供詳細的數(shù)據(jù)信息。越來越多自動駕駛解決方案開始采用基于視覺的技術(shù)。為了確保安全性和響應(yīng)速度，這些技術(shù)需要高帶寬和快速響應(yīng)時間。現(xiàn)代汽車集成多項新興技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更智能的駕駛體驗。這些技術(shù)包括：
激光雷達（激光測距儀）
激光雷達掃描儀是自動駕駛車輛原型系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)巡航控制 (ACC)、防碰撞系統(tǒng)、交通標志識別、盲點檢測和車道偏離預警等現(xiàn)有系統(tǒng)中。基于激光雷達的系統(tǒng)可以在沒有傳感器的情況下正常工作，充當系統(tǒng)的“眼睛”。
圖 2：激光雷達技術(shù)傳感器在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用
如圖 2 所示，激光雷達技術(shù)需要獨立的傳感器系統(tǒng)，這些系統(tǒng)必須配備安全和環(huán)境適應(yīng)功能。例如，傳感器單元應(yīng)能在 -40 至 125 °C（-40 至 257 °F）的溫度范圍內(nèi)運行，以應(yīng)對其他系統(tǒng)組件和外部環(huán)境的熱量影響。傳感器必須具備最佳信噪比，以便在各種干擾背景中準確檢測到信號。由于光學檢測器需要應(yīng)對不同的環(huán)境光水平，其內(nèi)部傳感器應(yīng)覆蓋廣泛的動態(tài)范圍。
用于實現(xiàn)電動垂直起降 (VTOL) 飛機自主導航的傳感器
電池供電的電動垂直起降飛機是一種新型飛行器，如圖 3 所示。這種飛行器結(jié)合電動乘用車與超大型無人機的功能，內(nèi)部設(shè)計類似于豪華汽車。航空專家表示，電動垂直起降飛機能像直升機一樣飛行，并且配備傳感器控制系統(tǒng)，經(jīng)驗豐富的飛行員能夠輕松上手。飛行器配備慣性傳感器，用于監(jiān)控原型機的飛行控制和飛行特性，如俯仰、翻滾和角速度值。傳感器還可用于測量螺旋槳推力、振動、應(yīng)變和負載特性。
產(chǎn)品類別：慣性傳感器、加速度計、陀螺測試儀
圖 3：電動垂直起降 (eVTOL) 飛機
用于實現(xiàn)工業(yè)機器人自動化和確保人類安全的傳感器
機器人應(yīng)用需要將精確的傳感元件集成到設(shè)備中，以有效應(yīng)對各種挑戰(zhàn)。例如，傳感系統(tǒng)必須能夠識別出人類的存在，從而在協(xié)作應(yīng)用中防止機器人與附近工人發(fā)生碰撞。先進的傳感器技術(shù)是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵。扭矩傳感器可測量協(xié)作機器人 (cobot) 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的機械扭矩，檢測故障或過載情況，防止人員受傷和潛在的協(xié)作機器人故障。此外，傳感器還可用于光幕等設(shè)備，當人進入關(guān)鍵區(qū)域時停止機器運作，數(shù)字環(huán)境光和接近傳感器 (APD) 則可作為激光掃描儀的“人工眼”。傳感器還可用于監(jiān)控機器人周圍環(huán)境，包括物體檢測、負載能力和抓取力測量，從而確保工作場所的安全、可靠和高效運行。熱釋電紅外運動傳感器是一種獨特的設(shè)計理念，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高的特點，采用集成電路封裝，提供多種鏡頭選擇，并有低功耗類型可選。通過在機器人中集成更多傳感器，可延長正常運行時間，優(yōu)化維護計劃。了解有關(guān)工業(yè)傳感器的更多信息，請點擊此處。
產(chǎn)品類別：扭矩傳感器、數(shù)字環(huán)境光和接近傳感器 (APD)、熱釋電紅外運動傳感器
圖 4：配備機器人和傳感器的工業(yè)自動化裝置
在工業(yè)自動化領(lǐng)域，基本傳感器負責監(jiān)控機器運作等常規(guī)任務(wù)。與此同時，現(xiàn)代制造業(yè)還運用一些復雜的傳感器（位置和速度、ToF 和雷達、壓力、CMOS 圖像和電流傳感器或 MEMS 麥克風）來簡化生產(chǎn)流程。智能工廠的裝配線可以檢測待制造物體的多種特性，如距離、大小、形狀、成分和表面，并精確跟蹤其移動和運動。盡管低成本傳感器具有一定優(yōu)勢，但同時監(jiān)控所有傳感器極具挑戰(zhàn)性，沒必要將各種傳感器集成到機器人中以監(jiān)測其健康狀況。如果出現(xiàn)溫度升高、運動抖動或功耗增加，可能預示著軸承或齒輪箱出現(xiàn)故障。傳感器能夠監(jiān)測電力消耗，并觸發(fā)相應(yīng)措施，從而提高工廠能效。如果設(shè)備因短路而發(fā)生電氣故障，就會觸發(fā)供電中斷，避免對工廠造成損害。
推進汽車圖像傳感技術(shù)
現(xiàn)代汽車系統(tǒng)可在各種情況下提醒駕駛員，如偏離車道、探測到附近物體或盲區(qū)車輛，以及在高速巡航模式下保持車速和車距。汽車圖像傳感器使這些安全功能得以實現(xiàn)。
許多傳感器設(shè)計采用雙增益像素技術(shù)，并在高動態(tài)范圍 (HDR) 下工作，以增強汽車應(yīng)用中的高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 功能。現(xiàn)代圖像傳感器采用基于大小不同子像素的分割像素技術(shù)來生成高動態(tài)范圍 (HDR) 圖像。其中，分配給單個像素的傳感器區(qū)域被分為兩部分，大部分區(qū)域由較大的光電二極管覆蓋，而較小的光電二極管占據(jù)剩余區(qū)域。然而，分割像素可能會導致圖像質(zhì)量下降、暗噪聲增大、性能降低等問題，溫度較高時尤其明顯。
圖 5：分割像素與多重曝光技術(shù)比較
分割像素方法的替代方案是多重曝光技術(shù)，即為像素分配額外的空間，以容納大信號或電荷的潛在溢出。這種方法類似于使用水桶來接雨水，但水桶附帶一個更大的水槽，可在水桶滿溢時接住多余的雨水。“水桶”信號可輕松讀取，并且精度極高，因此可以實現(xiàn)出色的弱光性能，溢出“水槽”則能容納溢出的所有信號，從而擴大動態(tài)范圍，并能捕捉明亮物體和場景的真實色彩。圖 5 比較了這兩種曝光技術(shù)。
產(chǎn)品類別：圖像傳感器
結(jié)語
傳感器將徹底改變測量設(shè)備，使其具備各種智能功能，包括自我監(jiān)測、向操作系統(tǒng)傳輸狀態(tài)診斷，以及創(chuàng)建可靠的測量和校準數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。受此影響，機器和設(shè)備的預測性維護將變得越來越高效、便捷且經(jīng)濟，從而提升正常運行時間。未來，維護工作將依賴傳感器執(zhí)行，而不再由人力資源部門根據(jù)需求時間表來安排。飛行器將實現(xiàn)自主導航，具備遠程無線連接功能，并內(nèi)置電源系統(tǒng)。傳感器將在整個生命周期內(nèi)自我學習，無需人工維護、修改或校準。傳感器還將更深入地洞察人類行為，進而影響人們對空氣質(zhì)量、出行、汽車保養(yǎng)、生活方式、保險、能耗等方面的預期。新型激光雷達系統(tǒng)將為自動駕駛車輛提供真正的“視力”。
（作者: e絡(luò)盟技術(shù)團隊）
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