傳感器(ransducer/sensor)是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
物聯網和傳感器是相輔相成的。傳感器類似于人的眼睛、耳朵和嘴巴,但又不僅僅像人類感官那么簡單,傳感器可以收集很多有用的信息??梢哉f,這些傳感器是整個物聯網系統運行的基礎,正是它,物聯網系統才有內容傳遞給“大腦”。 過去,傳感器更多的應用于工業中,隨著時間的推移,物聯網應用于很多行業中(智慧農業、智慧城市、智慧醫療等),傳感器也已經慢慢走進我們的生活。物聯網的發展將我們進入一個被傳感器包圍的智能世界。
傳感器是物聯網發展的基礎
在6月6號發放5G正式商用牌照,5G的到來似乎將物聯網推到了一個風口處。小米創始人雷軍曾說:“站在風口處,豬也能飛起來,長出一個小翅膀,就能飛得更高”。物聯網的小翅膀是什么呢,大家有不同的答案,而傳感器無疑是最重要的一項。
在物聯網層結構圖中,可以看出物聯網由感知層、網絡層、支撐層和應用層四部分組成。俗話說,下層基礎決定上層建筑。作為物聯網感知層的重要組成部分之一,作為整個物聯網的基礎,傳感器重要性是不言而喻的。物聯網系統中的海量數據信息來源于終端設備,而終端設備數據來源于傳感器,傳感器賦予了萬物“感官”功能,如人類依靠視覺、聽覺、嗅覺、觸覺感知周圍環境,同樣物體通過各種傳感器也能感知周圍環境。而且比人類的感知更準確、感知范圍更廣。例如人類無法通過觸覺準確感知某物體具體溫度值,不能辨別細微的溫度變化,但傳感器可以。可以說傳感器就是“萬物互聯”時代物體與物體之間交流的“語言”。
傳感器在物聯網產業中的作用
物聯網是一個由各種信息傳感設備和互聯網相結合形成的龐大網絡,是互聯網升級和信息時代的核心。物聯網的發展需要智能感知、識別和通訊等技術支撐,感知的關鍵是傳感器和相關技術??梢院敛豢鋸埖卣f,如果沒有傳感器的發展,物聯網就不會繁榮。隨著物聯網(IoT)的發展,傳感器行業也將迎來爆發。傳感器在物聯網收集數據中*,并發揮著至關重要的作用。
隨著世界開始進入快速增長的信息時代,收集和處理信息時要首先要解決的問題是獲得可靠和準確的信息。傳感器是獲取信息的主要手段。例如,在工業4.0時代,傳感器被用來監視和控制生產過程的參數,以保持設備正常運行;而在智能家居領域,傳感器是用戶和家庭用品(燈、電視、冰箱,等)互動的基礎;在無人駕駛中,需要通過傳感器收集和處理交通和環境數據,以便在路上安全駕駛。可以說,未來物聯網的市場牽動著傳感器市場。
傳感器發展歷程 物聯網自提出距今已有二十多年,但傳感器部署規模尚未普及,導致物理層不足,數據不足,源頭上制約了產業發展。傳感器部署作為物聯網基礎設施,幾年前就有國家提出了萬億傳感器革命,旨在促進每年在社會基礎設施和公共服務中每年使用1萬億個傳感器,并預計在2030年將有100萬億傳感器嵌入到各種場所。
傳感器行業發展始于 20 世紀 50 年代,經歷了多年的發展,大體可分三個階段:
階段是 20 世紀 50 年代伊始,結構型傳感器出現,它利用結構參量變化來感受和轉化信號。
第二階段是 20 世紀 70 年代開始,固體型傳感器逐漸發展起來,這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成,是利用材料某些特性制成。如:利用熱電效應、霍爾效應,分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器等。
第三階段是 20 世紀末開始,智能型傳感器出現并快速發展。它是微型計算機技術與檢測技術相結合的產物,具有信息采集、處理、交換、存儲功能, 同時也具有人工智能的特性。
在物聯網這個智能感知時代,智能傳感器是實現物聯網的關鍵技術之一,在很多物聯網應用場景中都采用人工智能傳感器,它在工業、農業、醫療、交通等領域發揮巨大作用,在未來的傳感器市場上,智能傳感器的比重會越來越大。
物聯網時代對傳感器的發展要求
傳感器誕生至今,已有百年歷史,在移動互聯網時代,手機的普及促進了傳感器的極大發展,但也決定了很多類型的傳感器是專為手機而設計的。物聯網時代的“物”在對傳感和連接的需求上與手機有很大的差別,所以也對傳感技術提出了更高的要求??偨Y來說,傳感器在朝著高精度、微型化、低功耗、仿生化、智能化等方向進化。
高精度
如果傳感器收集的數據信息錯誤,則相當于從源頭上出錯,所有后續數據的傳輸、分析和應用都失去了意義,因此傳感器的精確度和質量是極其重要的。想象一下,如果一輛智能聯網汽車傳感器的精度和質量不達標,這就意味著在意外情況發生的那幾毫秒內系統無法做出正確決策,從而嚴重影響駕駛員的安全。
微型化
微型傳感器是基于半導體集成電路技術發展的MEMS(microelectro-mechanicalsystems微電子機械系統)技術,利用微機械加工技術將微米級的敏感組件、信號處理器、數據處理裝置封裝在一塊芯片上,具有體積小、成本低、便于集成等明顯優勢,并可以提高系統測試精度。隨著微電子加工技術特別是納米加工技術的進一步發展,傳感器技術還將從微型傳感器進化到納米傳感器。隨著以智能手機為中心的移動設備向多功能、高性能化發展,要求電路板內的部件數量更多、體積更小。因此,傳感器正在逐漸采用集成化技術,以實現高性能化和微型化。微型傳感器的研制和應用將越來越受到各個領域的青睞。
低功耗
手機上的微信、視頻和游戲都消耗電量很快,我們也已經習慣了每天充電。但你能想象煙霧報警器、智能攝像頭等互聯設備也需要天天調換電池會是怎樣一種蹩腳的情景嗎?與收集不同,許多物聯網設備位于人們不經常接觸的區域,因此對功耗的需求非常高,因此傳感器的功耗也要很低,否則會加大運營成本。
智能化傳感器是由一個或多個敏感元件、微處理器、外圍控制及通訊電路、智能軟件系統相結合的產物,具有環境感知、數據處理、智能控制與數據通信功能的智能數據終端設備。與傳統傳感器相比,它具有自學習、自診斷和自補償能力、復合感知能力以及靈活的通信能力。例如,它可以確定傳感器工作狀態,對測量資料進行修正,以便減少環境因素如溫度、濕度引起的誤差;它可以用軟件解決硬件難以解決的問題;它可以完成資料計算與處理工作等。而且智能傳感器的精度、量程覆蓋范圍、信噪比、智能水平、遠程可維護性、準確度、穩定性、可靠性和互換性都遠高于一般的傳感器。
傳感器發展面臨的機遇和挑戰
中國的物聯網產業將成為萬億元級的新興產業,物聯網具有非常廣闊的發展前景。而傳感器是構成物聯網的主要探測終端,作為物聯網發展的重要技術,傳感器技術自然成為市場關注的焦點。傳感器的應用市場非常廣泛,這對傳感器行業來說是一個很好的機會。
大連理工大學教授唐延安表示:“物聯網對傳感器的挑戰在于需要多種能夠滿足各種測量要求的傳感器產品;傳感器的集成化,滿足檢測、處理、傳輸系統的綜合要求;傳感器的網絡化以及低功耗特性,打造綠色電子,支持低碳環保的應用需求。”這無疑也是對傳感器的一個巨大的挑戰。
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