【導讀】幾乎所有輔助人類日常活動的電子設備都離不開傳感器。傳感器可監測人體重要體征，并檢測異常情況。在汽車領域，傳感器可用于識別交通標志、探測障礙物和警告車道偏離，助力實現自動駕駛。未來，用戶與所有智能設備的簡單交互都可通過傳感器實現。本文將深入分析傳感器在汽車、醫療保健和工業機器人等領域的新興趨勢和未來應用方向，以及在操作和安全方面取得的進展。
配備傳感器的現代設備無需手動按鍵，可根據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備都離不開傳感器。傳感器可監測人體重要體征，并檢測異常情況。在汽車領域，傳感器可用于識別交通標志、探測障礙物和警告車道偏離，助力實現自動駕駛。未來，用戶與所有智能設備的簡單交互都可通過傳感器實現。本文將深入分析傳感器在汽車、醫療保健和工業機器人等領域的新興趨勢和未來應用方向，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
設計人員通過創建傳感解決方案簡化人類與設備的交互。不同傳感器結合先進軟件，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一的智能系統中，讓人們能夠輕松與設備互動。
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。MEMS 麥克風為音頻和聲控設備提供了“智能耳朵”。新一代麥克風具備一系列優勢，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，令設備結構緊湊且功能齊全，解決了現有二氧化碳氣體檢測器所面臨的技術難題。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，電子設備能夠獲取設備前方場景的精確 3D 地圖。周遭環境、物體和人物都會實時轉化為數字空間。算法利用這些數據來測量距離和尺寸、跟蹤運動，并將物體形狀轉換為 3D 模型。設計人員開發的產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) 技術相比，雷達傳感器在運動檢測應用中具有許多優勢。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。雷達傳感器可以在雨、雪、霧、灰塵等惡劣環境條件下正常運行。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，如電阻膜、電容、紅外線、超聲波表面聲波和電磁感應。觸控面板由輸入設備（觸控面板）和輸出設備（顯示器）共同組成。了解e絡盟根據不同需求量身定制的各種傳感器產品，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
制造商通常會在現代汽車上裝配多種傳感器。汽車傳感器獲取胎壓、油量和發動機溫度等信息，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，包括監測發動機部件位置，監測車輪速度，以控制牽引力或防抱死制動系統，監測車內外空氣溫度，保持車內舒適。制造商可將多個傳感器集成到車輛設計中，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據信息。越來越多自動駕駛解決方案開始采用基于視覺的技術。為了確保安全性和響應速度，這些技術需要高帶寬和快速響應時間。現代汽車集成多項新興技術，能夠實現更智能的駕駛體驗。這些技術包括：
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中的關鍵組件，廣泛應用于自適應巡航控制 (ACC)、防碰撞系統、交通標志識別、盲點檢測和車道偏離預警等現有系統中。基于激光雷達的系統可以在沒有傳感器的情況下正常工作，充當系統的“眼睛”。
圖 2：激光雷達技術傳感器在汽車領域的應用
如圖 2 所示，激光雷達技術需要獨立的傳感器系統，這些系統必須配備安全和環境適應功能。例如，傳感器單元應能在 -40 至 125 °C（-40 至 257 °F）的溫度范圍內運行，以應對其他系統組件和外部環境的熱量影響。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對不同的環境光水平，其內部傳感器應覆蓋廣泛的動態范圍。
用于實現電動垂直起降 (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。這種飛行器結合電動乘用車與超大型無人機的功能，內部設計類似于豪華汽車。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，經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、應變和負載特性。
產品類別：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
用于實現工業機器人自動化和確保人類安全的傳感器
機器人應用需要將精確的傳感元件集成到設備中，以有效應對各種挑戰。例如，傳感系統必須能夠識別出人類的存在，從而在協作應用中防止機器人與附近工人發生碰撞。先進的傳感器技術是實現這一目標的關鍵。扭矩傳感器可測量協作機器人 (cobot) 旋轉關節處的機械扭矩，檢測故障或過載情況，防止人員受傷和潛在的協作機器人故障。此外，傳感器還可用于光幕等設備，當人進入關鍵區域時停止機器運作，數字環境光和接近傳感器 (APD) 則可作為激光掃描儀的“人工眼”。傳感器還可用于監控機器人周圍環境，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計理念，具有結構緊湊、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，優化維護計劃。了解有關工業傳感器的更多信息，請點擊此處。
產品類別：扭矩傳感器、數字環境光和接近傳感器 (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自動化裝置
在工業自動化領域，基本傳感器負責監控機器運作等常規任務。與此同時，現代制造業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勢，但同時監控所有傳感器極具挑戰性，沒必要將各種傳感器集成到機器人中以監測其健康狀況。如果出現溫度升高、運動抖動或功耗增加，可能預示著軸承或齒輪箱出現故障。傳感器能夠監測電力消耗，并觸發相應措施，從而提高工廠能效。如果設備因短路而發生電氣故障，就會觸發供電中斷，避免對工廠造成損害。
推進汽車圖像傳感技術
現代汽車系統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。
許多傳感器設計采用雙增益像素技術，并在高動態范圍 (HDR) 下工作，以增強汽車應用中的高級駕駛輔助系統 (ADAS) 功能。現代圖像傳感器采用基于大小不同子像素的分割像素技術來生成高動態范圍 (HDR) 圖像。其中，分配給單個像素的傳感器區域被分為兩部分，大部分區域由較大的光電二極管覆蓋，而較小的光電二極管占據剩余區域。然而，分割像素可能會導致圖像質量下降、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比較
分割像素方法的替代方案是多重曝光技術，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。
產品類別：圖像傳感器
結語
傳感器將徹底改變測量設備，使其具備各種智能功能，包括自我監測、向操作系統傳輸狀態診斷，以及創建可靠的測量和校準數據網絡。受此影響，機器和設備的預測性維護將變得越來越高效、便捷且經濟，從而提升正常運行時間。未來，維護工作將依賴傳感器執行，而不再由人力資源部門根據需求時間表來安排。飛行器將實現自主導航，具備遠程無線連接功能，并內置電源系統。傳感器將在整個生命周期內自我學習，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量、出行、汽車保養、生活方式、保險、能耗等方面的預期。新型激光雷達系統將為自動駕駛車輛提供真正的“視力”。
（作者: e絡盟技術團隊）
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