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傳感器技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用趨勢(shì)

    傳感器是設(shè)備感受外界環(huán)境的重要硬件,決定了裝備與外界環(huán)境交互的能力,是設(shè)備智能化的硬件基礎(chǔ),尤其在很多智能設(shè)備中,傳感器決定著設(shè)備的核心能力。一個(gè)典型的傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和調(diào)理電路組成。敏感元件用于直接感受被測(cè)量,轉(zhuǎn)換元件用于轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)。
 傳感器用途廣泛、種類繁多。按照測(cè)量對(duì)象可以將傳感器分為檢測(cè)光、放射線、聲信號(hào)、磁信號(hào)、力、位置信息、溫度、濕度、溶液流量流速等類型的傳感器。每一種檢測(cè)同樣對(duì)象的傳感器又有多種應(yīng)用和不同的實(shí)現(xiàn)路徑。
 目前,國(guó)內(nèi)傳感器技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的重點(diǎn)在材料、結(jié)構(gòu)和性能改進(jìn)3個(gè)方面:敏感材料從液態(tài)向半固態(tài)、固態(tài)方向發(fā)展;結(jié)構(gòu)向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發(fā)展;性能向檢測(cè)量程寬、檢測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)久方向發(fā)展。
 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)傳統(tǒng)傳感技術(shù)又提出了新的要求,產(chǎn)品正逐漸向MEMS技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、紅外技術(shù)、新材料技術(shù)、納米技術(shù)、陶瓷技術(shù)、薄膜技術(shù)、光纖技術(shù)、激光技術(shù)、復(fù)合傳感器技術(shù)、多學(xué)科交叉融合的方向發(fā)展。
智能傳感器讓智能裝備擁有多種“感覺”  
 傳感器作為智能裝備的自主式輸入,相當(dāng)于智能裝備、機(jī)器人的各種感覺器官,智能裝備對(duì)于外界環(huán)境的感覺主要有視覺、位置覺、速度覺、力覺、觸覺等!
 視覺是智能裝備常用的輸入系統(tǒng),并可以分為兩大類:一是直觀的視覺,數(shù)據(jù)類型是像素組成的圖片,典型的應(yīng)用如機(jī)器視覺、物體識(shí)別等,此類傳感器有高速相機(jī)、攝像機(jī)等;二是環(huán)境模型式的視覺,數(shù)據(jù)類型是點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)成的空間模型,典型的應(yīng)用是空間建模,此類傳感器有3D激光雷達(dá)、激光掃描儀等。
 位置覺是指通過感知周圍物體與自身的距離,從而判斷自身所處的環(huán)境位置,此類傳感器有激光測(cè)距儀、2D激光雷達(dá)、磁力計(jì)(判斷方向)、毫米波雷達(dá)、超聲波傳感器等。 
 速度覺是指智能裝備對(duì)于自身運(yùn)行的速度、加速度、角速度等信息的掌握,此類傳感器有速度編碼器、加速感應(yīng)器、陀螺儀等。
 力覺在智能裝備中用以感知外部接觸物體或內(nèi)部機(jī)械機(jī)構(gòu)的力,典型的應(yīng)用如裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器,用來實(shí)現(xiàn)力反饋;裝在機(jī)械手臂末端和機(jī)器人后一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器,用來檢測(cè)物體施加的力等。
 觸覺在智能裝備中可以進(jìn)一步分為接觸覺、壓覺、滑覺,此類傳感器有光學(xué)式觸覺傳感器、壓阻式陣列觸覺傳感器、滑覺傳感器等,其中滑覺傳感器是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抓握功能的必備條件。
 除以上五種人體感覺以外,一些物理傳感器還具有超越人體的感覺,比如生物傳感器可以測(cè)量血壓、體溫等,環(huán)境傳感器可以測(cè)量溫濕度、空氣粉塵顆粒物含量、紫外線光照強(qiáng)度等。這些超越人體感官的傳感器如今被可穿戴設(shè)備搭配起來,可穿戴設(shè)備從而被賦予了擴(kuò)充人體感官的功能!
傳感器研發(fā)趨勢(shì):
 隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、激光技術(shù)、高科技材料等的技術(shù)進(jìn)步,傳感器的研發(fā)呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì),有的利用生物材料模擬人類皮膚,創(chuàng)新傳感器的觸覺;有的利用MEMS技術(shù)研發(fā)微型智能化傳感器,從而有利于復(fù)雜系統(tǒng)的集成;有的利用高精度的激光技術(shù)創(chuàng)造激光雷達(dá),從而利于系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知周邊障礙物與環(huán)境等等。
 然而總體而言,傳感器的研發(fā)過程呈現(xiàn)兩階段的趨勢(shì):一、技術(shù)創(chuàng)新,根據(jù)未能滿足的需求開發(fā)新產(chǎn)品。在階段中,傳感器研發(fā)創(chuàng)新的方向源于智能裝備、創(chuàng)新設(shè)備的需求,研發(fā)人員根據(jù)使用需求,創(chuàng)新出新型傳感器。二、成本降低,應(yīng)用落地,產(chǎn)品逐步切合產(chǎn)業(yè)化需求。在第二階段中,在研發(fā)創(chuàng)新的過程中,為了滿足人們對(duì)于智能裝備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的需求,研究人員從對(duì)技術(shù)開發(fā)的關(guān)注轉(zhuǎn)為對(duì)成本下降的關(guān)注,以實(shí)現(xiàn)傳感器大規(guī)模生產(chǎn),智能裝備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的愿景!
    3D激光雷達(dá)就是這樣一種從功能創(chuàng)新中誕生,又開始進(jìn)入商業(yè)化開發(fā)的傳感器。下面以激光雷達(dá)為例,梳理傳感器典型的發(fā)展趨勢(shì)。
傳感器應(yīng)用趨勢(shì):同類結(jié)合、多種組合、場(chǎng)景創(chuàng)新
 傳感器作為智能裝備除人工設(shè)置參數(shù)以外的輸入,其重要性不言而喻。傳感器感知外界環(huán)境的能力,決定了智能裝備信息輸入的準(zhǔn)確性和豐富性。對(duì)于傳感器的有效應(yīng)用的創(chuàng)新,往往也是智能裝備功能創(chuàng)新的基礎(chǔ)。智能裝備對(duì)于傳感器的創(chuàng)新應(yīng)用主要有以下三種趨勢(shì):
同類傳感器結(jié)合使用,單一功能上的縱向深度結(jié)合 
 這種情況下,系統(tǒng)在單一功能上往往有著極高的需求,為滿足系統(tǒng)在單一功能上的高復(fù)雜需求,同類傳感器有機(jī)結(jié)合,形成的冗余結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)在該功能上的安全性。如無人駕駛汽車的感知系統(tǒng),多種視覺、位置覺傳感器的有機(jī)結(jié)合,形成了相互補(bǔ)充的冗余結(jié)構(gòu),從而保證了系統(tǒng)能夠正確、地實(shí)時(shí)感知外界環(huán)境,做出正確駕駛決策。
 此時(shí),傳感器之間在功能上往往有著主導(dǎo)和輔助的區(qū)別和聯(lián)系,起主導(dǎo)作用的傳感器是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)壁壘。
多種傳感器組合使用,多種功能上的橫向廣度組合 
 為滿足系統(tǒng)多類型、多層次的輸入輸出需求,多種類型的傳感器創(chuàng)新組合,形成智能裝備的多種感覺,根據(jù)多種感覺形成智能反饋。如情感交互性機(jī)器人Pepper以及其他陪護(hù)型、早教型機(jī)器人等,多種感官的組合形成了視覺、位置覺、聽覺等情感感知系統(tǒng),再通過內(nèi)部的人工智能算法形成智能反饋。
 此時(shí),硬件之間不存在主次之分,系統(tǒng)和算法芯片也同樣發(fā)揮重要作用!
新型傳感器應(yīng)用于傳統(tǒng)設(shè)備,賦予設(shè)備智能化的生命力 
 新型智能傳感器應(yīng)用于傳統(tǒng)設(shè)備,賦予傳統(tǒng)設(shè)備“感覺”,從而升級(jí)為智能設(shè)備。如激光雷達(dá)與掃地機(jī)器人的結(jié)合,形成了路徑規(guī)劃式的掃地機(jī)器人;血壓傳感器、心率傳感器、位置傳感器和手表、手環(huán)的結(jié)合,形成了集各種健康監(jiān)控功能于一身的可穿戴式設(shè)備等。
 這種情況下,由于傳統(tǒng)設(shè)備本身具備需求,因此是主要一種存量市場(chǎng)的滲透替換現(xiàn)象,而新型傳感器應(yīng)用帶來的效果改進(jìn)具有明顯的消費(fèi)者基礎(chǔ)。

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