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傳感器:物聯網發展的核心和關鍵技術

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瀏覽:- 發布日期:2018-06-02 11:13:25【

到2020年,全球可穿戴傳感器市場將以45.2%的復合年均增長率繼續成長。

“正如眼睛、鼻子、耳朵和皮膚在人體中的作用一樣,它在硬件中充當一個從外界接受信息的角色”。這句話描述的正是傳感器。自從發明以來,它就一直被應用在工控和其他領域,作為一個重要的設備前端,傳感器的功能幾近是不可代替的。在現在步入了物聯網時代,傳感器變得尤其重要。

據美國市場研究機構透明市場研究(TransparencyMarketResearch)公司最新發布的報告顯示,到2020年,全球可穿戴傳感器市場將以45.2%的復合年均增長率繼續成長。YoLEDeveloppement也預測,作為傳感器重要組成部分的 MEMS傳感器產品需求在近年增勢迅猛,從2014年起平均以12%-13%的增長率增長,到2019年,產業總值預計將達到240億美元。

面對這這么一個龐大市場,很多廠商正在加緊研發,攻城略地。

傳感器

什么是傳感器?

在對傳感器進行詳細分析之前,我們需要了解一下什么是傳感器,并且了解一下這些傳感器可以被應用到哪些領域。

按照國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成”。

也就是說傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將檢測感受到的信息,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。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

傳感器種類繁多,在不同的產品中就有不同的應用,就拿簡單的手機來說,就有重力傳感器、加速度傳感器、距離傳感器、光線感應器、三 軸陀螺儀、電子羅盤等,未來更可能會有熱傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、紫外線傳感器、壓力傳感器等等。很難一一列舉!

按照應用市場,物聯網產業可劃分為智能工業、智能農業、智能物流、智能環保、智能交通、智能電網、智能醫療、智能安防、特種裝 備、智慧城市、智能家居等。YoleDeveloppement數據顯示,傳感器中占比最大的是消費類應用,其規模達到59億美元,占傳感器產品市場的 45%,到2019年預計將超過100億美元,年復合增長率約11.2%。而成長最快的醫療服務市場,將從2014年4的24.5億美元增長至2019年的72億美 元左右,年復合增長率近30%。

尤其是在可穿戴領域,傳感器未來的需求量更是激增。據全球居領先地位的關鍵信息、產品、解決方案和服務供應商IHS的數據顯示,單個可 穿戴設備所用傳感器的平均數量將從2013年的1.4顆增長為2019年的4.1顆,總出貨量將從6700萬顆上升至4.66億顆。一個屬于傳感器的時代正在 到來。

典型傳感器的原理和作用

上面我們已經談到,傳感器種類繁多,全面覆蓋介紹是一項繁雜的工作,我們以iPhone6為例,介紹一下傳感器的原理和功用。

(一)運動/加速度傳感器Motionsensor/accelerometer

加速傳感器的原理

在iPhone6中的加速傳感器芯片為InvenSense公司的MP67B芯片,這是一個六軸加速度和重力傳感器。而在之前的歷代iPhone手機中該傳感器采用的是STMicroelectronics公司生產的芯片。

手機加速傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力,比如重力。加速傳感器原理:運用壓電效應實現,一片“重力塊”和壓電晶體做成一個重力感應模塊,手機方向改變時,重力塊作用于不同方向的壓電晶體上的力也隨之改變,輸出電壓信號不同,從而判斷手機的方向。加速力可以是個常量,比如g,也可以是變量。他可以根據重力感應產生的加速度來推算出手機相對于水平面的傾斜度。

加速度傳感器的應用

重力感應常用于自動旋轉屏幕以及一些游戲,但是它本身局限性比較大,因為他是根據重力判斷方向,通過感應重力正交兩個方向的分力大小,來判斷水平方向。常見的應用加速度傳感器的手機app是一些運動型的游戲,如極品飛車。這個時候可以通過重力判斷水平垂直防線。

(二)光傳感器AmbientLightsensor

光傳感器的原理

在iPhone6手機上,光傳感器芯片選用的是AMS公司的TSL2581芯片。環境光傳感器可以感知周圍光線情況,并告知處理芯片自動調節顯示器背光亮度,降低產品的功耗。

光線感應器由投光器和受光器組成,投光器將光線聚焦,在傳輸至受光器,最后通過感應器接收變成電器信號。光線感應的用途是可以根據周圍環境光線調節手機屏幕本身的亮度。

環境光傳感器可以感知周圍光線情況,并告知處理芯片自動調節顯示器背光亮度,降低產品的功耗。市場出售的有光敏電阻、光敏二極管、光電三極管、硅光電池等。

光傳感器的應用

在iPhone6手機上,顯示屏消耗的電量一般高達電池總電量的30%,采用環境光傳感器可以最大限度地延長電池的工作時間。另一方面,環境光傳感器有助于顯示器提供柔和的畫面。當環境亮度較高時,使用環境光傳感器的液晶顯示器會自動調成高亮度。當外界環境較暗時,顯示器就會調成低亮度。

(三)電子羅盤eCompass

電子羅盤的原理

從iPhone3GS開始,iPhone手機中開始內置電子羅盤傳感器。在iPhone6手機中,電子羅盤芯片類型為由AKM公司生產的AKM8963芯片。AKM公司生產的電子羅盤傳感器芯片一直服務于歷代iPhone手機之中。

電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構成。三維磁阻傳感器用來測量地球磁場,傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態時進行補償;MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號以及數據輸出和軟鐵、硬鐵補償。該磁力儀是采用三個互相垂直的磁阻傳感器,每個軸向上的傳感器檢測在該方向上的地磁場強度。向前的方向稱為x方向的傳感器檢測地磁場在x方向的矢量值;向左或Y方向的傳感器檢測地磁場在Y方向的矢量值;向下或Z方向的傳感器檢測地磁場在Z方向的矢量值。每個方向的傳感器的靈敏度都已根據在該方向上地磁場的分矢量調整到最佳點,并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器產生的模擬輸出信號進行放大后送入MCU進行處理。磁場測量范圍為±2Gauss。通過采用12位A/D轉換器,磁力儀能夠分辨出小于1mGauss的磁場變化量,我們便可通過該高分辨力來準確測量出200-300mGauss的X和Y方向的磁場強度,不論是在赤道上的向上變化還是在南北極的更低值位置。

電子羅盤的應用

電子羅盤的應用很廣泛,一個簡單的使用電子羅盤傳感器的實例是iPhone手機上的指南針app,通過指南針app可以實現在手機不聯網的情況下進行指示方向,不依靠地圖類app來指路,節省流量,方便快捷。在地圖類的app中,電子羅盤也被用來配合設備的 GPS和其他位置功能達到指向的功能。

(四)距離傳感器Proximitysensor

距離傳感器的原理

通過發射特別短的并測量此光脈沖從發射到被物體反射回來的時間,通過測時間間隔來計算與物體之間的距離。此方法叫做飛行時間法(flyingtime)。iPhone上的距離傳感器的型號一直未能得知。

距離傳感器的應用

這個傳感器能夠判斷iPhone6手機距離你有多近,這個傳感器的一個作用是當手機貼近耳朵的時候能夠自動的關閉屏幕。

(五)指紋識別傳感器fingerprintsensor

指紋識別傳感器的原理

在iPhone6手機中選用的是TMDR92芯片。蘋果手機從iPhone5s開始支持指紋識別,iPhone6及iPhone6plus依舊支持,它的指紋識別傳感器的供應商為AuthenTec公司。

指紋識別傳感器位于iPhone6手機的HOME鍵下方,Home鍵周圍的光環也是感應性的,當手指靠近時就能檢測到。用戶也能很快知道自己的指紋是否正在被掃描而無需點按Home鍵。iPhone6手機內的指紋識別傳感器是500dpi的陣列陣列,就這一點,就可以確定是電容式指紋采集方式。然后電容式會有一個問題,也可以算是特征,就是如何讓手指帶電,以及,如何檢測到手指在采集區,并讓檢測電容陣列帶電,(電容陣列一直帶電很傷電容的,畢竟是很精密的設備),所以5s的不銹鋼圓環就是起這個作用,讓手指帶電,并且檢測到手指接觸后,觸發電容檢測陣列加電。

指紋識別傳感器的應用

指紋識別傳感器位于iPhone6手機的HOME鍵下方,有了他,用戶可以安東home鍵來進行解鎖。有了它,用戶可以免輸入密碼,確保更加安全的操作。最近,支付寶的iosapp也已經支持了指紋識別,用戶無需輸入支付寶開啟密碼來開啟支付寶,也不需要輸入支付寶的支付密碼,僅僅需要按動iPhone手機的HOME鍵就能夠實現支付的功能。

(六)陀螺儀gyroscope

陀螺儀的原理

iPhone手機使用的陀螺儀芯片是Invensens公司的MPU-6700。陀螺儀從2010年發布的iPhone4手機開始在iPhone手機中內置。

陀螺儀能夠同時測定6個方向的位置,移動軌跡,加速。單軸的只能測量一個方向的量,也就是一個系統需要三個陀螺儀,而3軸的一個就能替代三個單軸的。3軸的體積小、重量輕、結構簡單、可靠性好,是激光陀螺的發展趨勢。

陀螺儀應用

它的主要作用是運用在游戲的控制上。通過三軸陀螺儀,我們只需要通過移動手機相應的位置,就可以達到改變方向的目的。比如平衡球游戲或者極品飛車,就是應用了陀螺儀的原理,完全摒棄以前通過方向按鍵來控制游戲的操控方式,使游戲更加真實,操作更加靈活。

(七)氣壓計Barometer

氣壓計的原理

iPhone6手機采用的氣壓計芯片是來自Bosch公司的MBP280芯片。

普通的氣壓計原理是根據氣壓計里面水銀的高度是由大氣壓支撐,也就是說,大氣壓有多大,水銀柱的液面就會有多高,所以氣壓計中,水銀越高,氣壓越大。通過水銀柱的高度,分割氣壓計的精確度,就可以來測量當前的氣壓了。

iPhone手機中的氣壓計類似于現實生活中的這些氣壓計,不過沒有了液體水銀,代替的是兩個傳感器之間的轉換來將壓力轉換成另外一個傳感器可以測量的量。

氣壓計的應用

其實氣壓計的基本作用只是測量大氣的壓強,更重要的應用是為了盡用三維空間的功用來輔助GPS,通過氣壓的高低來判斷設備的高度,再配合GPS所取得的經度和緯度來更快地計算出設備所在的位置。所以氣壓計在地圖類,使用GPS或天氣類的app中也有廣泛的應用。


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