传感器技术的未来发展:新兴趋势与创新成果
作者: e络盟技术团队
配备传感器的现代设备无需手动按键，可根据传感器输入的信息自动运行。
几乎所有辅助人类日常活动的电子设备都离不开传感器。传感器可监测人体重要体征，并检测异常情况。在汽车领域，传感器可用于识别交通标志、探测障碍物和警告车道偏离，助力实现自动驾驶。未来，用户与所有智能设备的简单交互都可通过传感器实现。本文将深入分析传感器在汽车、医疗保健和工业机器人等领域的新兴趋势和未来应用方向，以及在操作和安全方面取得的进展。
传感器感知功能类似于人类感官
设计人员通过创建传感解决方案简化人类与设备的交互。不同传感器结合先进软件，就能形成对真实世界的感知。传感解决方案将多个智能传感器整合到统一的智能系统中，让人们能够轻松与设备互动。
图 1：模拟人类感官的传感解决方案
智能耳朵/麦克风
人耳能够分辨多达 40 万种声音、10 个八度音和 7,000 个音调。MEMS 麦克风为音频和声控设备提供了“智能耳朵”。新一代麦克风具备一系列优势，包括超低自噪声（高 SNR）、即使在高声压级 (SPL) 下也具有极低的失真 (THD)、部件间相位和灵敏度高度匹配、具有低 LFRO（低频滚降）的平坦频率响应以及超低群延迟。新一代麦克风可选择功率模式，并且封装尺寸极小。
嗅觉/CO2（二氧化碳）传感器
人体具有 400 多个嗅觉感受器，能够分辨 10,000 多种香味和气味。二氧化碳传感器采用光声光谱 (PAS) 技术，令设备结构紧凑且功能齐全，解决了现有二氧化碳气体检测器所面临的技术难题。PAS 二氧化碳传感器模块将 PAS 传感器、微控制器和 MOSFET 集成在电路板上 。
视觉（ToF 3D 图像传感器/雷达传感器）
借助飞行时间 (ToF) 图像传感器，电子设备能够获取设备前方场景的精确 3D 地图。周遭环境、物体和人物都会实时转化为数字空间。算法利用这些数据来测量距离和尺寸、跟踪运动，并将物体形状转换为 3D 模型。设计人员开发的产品可无缝集成到最微型的 3D ToF 相机模块中，以最低功耗精确测量短距离和长距离深度。
与被动红外 (PIR) 技术相比，雷达传感器在运动检测应用中具有许多优势。其中包括精度更高，以及能够精确测量探测对象，为新的速度探测和运动传感功能奠定基础。雷达传感器可以在雨、雪、雾、灰尘等恶劣环境条件下正常运行。一些先进的雷达传感器灵敏度极高，能够捕捉呼吸和心跳，感知生命体征的存在。
触觉（触摸传感器）
触摸传感器使用多种技术，如电阻膜、电容、红外线、超声波表面声波和电磁感应。触控面板由输入设备（触控面板）和输出设备（显示器）共同组成。了解e络盟根据不同需求量身定制的各种传感器产品，包括麦克风、流量传感器、ToF 3D 图像传感器、雷达传感器和触摸传感器。
用于确保安全驾驶的汽车传感器
制造商通常会在现代汽车上装配多种传感器。汽车传感器获取胎压、油量和发动机温度等信息，并在仪表盘上显示。另有一些传感器旨在维持车辆高效运转，包括监测发动机部件位置，监测车轮速度，以控制牵引力或防抱死制动系统，监测车内外空气温度，保持车内舒适。制造商可将多个传感器集成到车辆设计中，使汽车更安全可靠、高效舒适。
如今的传感器还能提供详细的数据信息。越来越多自动驾驶解决方案开始采用基于视觉的技术。为了确保安全性和响应速度，这些技术需要高带宽和快速响应时间。现代汽车集成多项新兴技术，能够实现更智能的驾驶体验。这些技术包括：
激光雷达（激光测距仪）
激光雷达扫描仪是自动驾驶车辆原型系统中的关键组件，广泛应用于自适应巡航控制 (ACC)、防碰撞系统、交通标志识别、盲点检测和车道偏离预警等现有系统中。基于激光雷达的系统可以在没有传感器的情况下正常工作，充当系统的“眼睛”。
图 2：激光雷达技术传感器在汽车领域的应用
如图 2 所示，激光雷达技术需要独立的传感器系统，这些系统必须配备安全和环境适应功能。例如，传感器单元应能在 -40 至 125 °C（-40 至 257 °F）的温度范围内运行，以应对其他系统组件和外部环境的热量影响。传感器必须具备最佳信噪比，以便在各种干扰背景中准确检测到信号。由于光学检测器需要应对不同的环境光水平，其内部传感器应覆盖广泛的动态范围。
用于实现电动垂直起降 (VTOL) 飞机自主导航的传感器
电池供电的电动垂直起降飞机是一种新型飞行器，如图 3 所示。这种飞行器结合电动乘用车与超大型无人机的功能，内部设计类似于豪华汽车。航空专家表示，电动垂直起降飞机能像直升机一样飞行，并且配备传感器控制系统，经验丰富的飞行员能够轻松上手。飞行器配备惯性传感器，用于监控原型机的飞行控制和飞行特性，如俯仰、翻滚和角速度值。传感器还可用于测量螺旋桨推力、振动、应变和负载特性。
产品类别：惯性传感器、加速度计、陀螺测试仪
图 3：电动垂直起降 (eVTOL) 飞机
用于实现工业机器人自动化和确保人类安全的传感器
机器人应用需要将精确的传感元件集成到设备中，以有效应对各种挑战。例如，传感系统必须能够识别出人类的存在，从而在协作应用中防止机器人与附近工人发生碰撞。先进的传感器技术是实现这一目标的关键。扭矩传感器可测量协作机器人 (cobot) 旋转关节处的机械扭矩，检测故障或过载情况，防止人员受伤和潜在的协作机器人故障。此外，传感器还可用于光幕等设备，当人进入关键区域时停止机器运作，数字环境光和接近传感器 (APD) 则可作为激光扫描仪的“人工眼”。传感器还可用于监控机器人周围环境，包括物体检测、负载能力和抓取力测量，从而确保工作场所的安全、可靠和高效运行。热释电红外运动传感器是一种独特的设计理念，具有结构紧凑、灵敏度高的特点，采用集成电路封装，提供多种镜头选择，并有低功耗类型可选。通过在机器人中集成更多传感器，可延长正常运行时间，优化维护计划。了解有关工业传感器的更多信息，请点击此处。
产品类别：扭矩传感器、数字环境光和接近传感器 (APD)、热释电红外运动传感器
图 4：配备机器人和传感器的工业自动化装置
在工业自动化领域，基本传感器负责监控机器运作等常规任务。与此同时，现代制造业还运用一些复杂的传感器（位置和速度、ToF 和雷达、压力、CMOS 图像和电流传感器或 MEMS 麦克风）来简化生产流程。智能工厂的装配线可以检测待制造物体的多种特性，如距离、大小、形状、成分和表面，并精确跟踪其移动和运动。尽管低成本传感器具有一定优势，但同时监控所有传感器极具挑战性，没必要将各种传感器集成到机器人中以监测其健康状况。如果出现温度升高、运动抖动或功耗增加，可能预示着轴承或齿轮箱出现故障。传感器能够监测电力消耗，并触发相应措施，从而提高工厂能效。如果设备因短路而发生电气故障，就会触发供电中断，避免对工厂造成损害。
推进汽车图像传感技术
现代汽车系统可在各种情况下提醒驾驶员，如偏离车道、探测到附近物体或盲区车辆，以及在高速巡航模式下保持车速和车距。汽车图像传感器使这些安全功能得以实现。
许多传感器设计采用双增益像素技术，并在高动态范围 (HDR) 下工作，以增强汽车应用中的高级驾驶辅助系统 (ADAS) 功能。现代图像传感器采用基于大小不同子像素的分割像素技术来生成高动态范围 (HDR) 图像。其中，分配给单个像素的传感器区域被分为两部分，大部分区域由较大的光电二极管覆盖，而较小的光电二极管占据剩余区域。然而，分割像素可能会导致图像质量下降、暗噪声增大、性能降低等问题，温度较高时尤其明显。
图 5：分割像素与多重曝光技术比较
分割像素方法的替代方案是多重曝光技术，即为像素分配额外的空间，以容纳大信号或电荷的潜在溢出。这种方法类似于使用水桶来接雨水，但水桶附带一个更大的水槽，可在水桶满溢时接住多余的雨水。“水桶”信号可轻松读取，并且精度极高，因此可以实现出色的弱光性能，溢出“水槽”则能容纳溢出的所有信号，从而扩大动态范围，并能捕捉明亮物体和场景的真实色彩。图 5 比较了这两种曝光技术。
产品类别：图像传感器
结语
传感器将彻底改变测量设备，使其具备各种智能功能，包括自我监测、向操作系统传输状态诊断，以及创建可靠的测量和校准数据网络。受此影响，机器和设备的预测性维护将变得越来越高效、便捷且经济，从而提升正常运行时间。未来，维护工作将依赖传感器执行，而不再由人力资源部门根据需求时间表来安排。飞行器将实现自主导航，具备远程无线连接功能，并内置电源系统。传感器将在整个生命周期内自我学习，无需人工维护、修改或校准。传感器还将更深入地洞察人类行为，进而影响人们对空气质量、出行、汽车保养、生活方式、保险、能耗等方面的预期。新型激光雷达系统将为自动驾驶车辆提供真正的“视力”。
