电子展|传感器技术的未来走向：新兴趋势与创新成果
在当今时代，配备传感器的现代设备已无需手动按键操作，能依据传感器输入的信息自动运行。几乎所有服务于人类日常活动的电子设备，都离不开传感器的支持。传感器不仅能监测人体重要体征、及时检测异常情况，在汽车领域，还能识别交通标志、探测障碍物、警告车道偏离，为自动驾驶的实现贡献力量。可以预见，未来用户与所有智能设备间的简单交互，都可借助传感器达成。本文将深入剖析传感器在汽车、医疗保健和工业机器人等领域的新兴趋势、未来应用方向，以及在操作和安全层面所取得的进展。
传感器：类人感知的智能纽带
设计人员通过打造传感解决方案，极大地简化了人类与设备之间的交互过程。不同类型的传感器，结合先进软件，便能够构建起对真实世界的感知。传感解决方案将多个智能传感器整合于一个统一的智能系统之中，让人们得以轻松与设备互动。
智能耳朵之 MEMS 麦克风：人耳十分灵敏，能够分辨多达 40 万种声音、10 个八度音和 7000 个音调。而 MEMS 麦克风为音频和声控设备赋予了 “智能耳朵”。新一代的麦克风优势显著，拥有超低自噪声（高 SNR），即便在高声压级 (SPL) 下，失真（THD）也极低；部件间相位和灵敏度高度匹配，频率响应平坦且低频滚降（LFRO）低，群延迟也超低。不仅如此，它还可选择功率模式，并且封装尺寸小巧。
嗅觉模拟之 CO₂传感器：人体拥有 400 多个嗅觉感受器，能够分辨 10000 多种香味和气味。二氧化碳传感器采用光声光谱 (PAS) 技术，成功解决了现有二氧化碳气体检测器面临的技术难题，使设备结构紧凑且功能完备。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 。
视觉模拟之 ToF 3D 图像与雷达传感器：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精确的 3D 地图，周遭环境、物体和人物都能实时转化为数字空间。电子展了解到，算法利用这些数据测量距离和尺寸、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微型 3D ToF 相机模块中，以较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优势突出，精度更高，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，并且可以在雨、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。
触觉模拟之触摸传感器：触摸传感器运用多种技术，如电阻膜、电容、红外线、超声波表面声波和电磁感应等。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。
汽车领域：传感器护航安全驾驶
现代汽车通常会装配多种传感器。电子展了解到，汽车传感器能够获取胎压、油量和发动机温度等信息，并在仪表盘上显示出来。还有一些传感器用于维持车辆高效运转，比如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，以保持车内舒适环境。制造商将多个传感器集成到车辆设计中，让汽车变得更加安全可靠、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。现代汽车集成了多项新兴技术，带来更智能的驾驶体验。
激光雷达：自动驾驶的关键之眼：激光雷达扫描仪是自动驾驶车辆原型系统中的关键组件，在自适应巡航控制 (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广泛应用。基于激光雷达的系统可以在没有其他传感器辅助的情况下正常工作，如同系统的 “眼睛”。电子展了解到，激光雷达技术需要独立的传感器系统，这些系统必须具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）的温度范围内稳定运行，以应对其他系统组件和外部环境的热量影响。传感器要具备良好的信噪比，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较广的动态范围。
用于电动垂直起降（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，它融合了电动乘用车与超大型无人机的功能，内部设计类似豪华汽车。航空专家表示，这种飞行器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驾驭。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。
工业机器人：传感器助力自动化与安全保障
机器人应用需要将精确的传感元件集成到设备中，以有效应对各类挑战。比如，传感系统必须能够识别出人类的存在，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。
扭矩传感器与多重安全保障：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”。传感器还能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，还有低功耗类型可供选择。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。
工业自动化中的传感器应用：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。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。尽管低成本传感器有一定优势，但同时监控所有传感器存在挑战，也并非需要将各种传感器都集成到机器人中监测其健康状况。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。
汽车图像传感技术：持续推进安全升级
现代汽车系统能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，即将分配给单个像素的传感器区域分为两部分，大部分区域由较大的光电二极管覆盖，较小的光电二极管占据剩余区域。不过，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，在温度较高时尤为明显。
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。这种方法就像使用水桶接雨水，同时附带一个更大的水槽，在水桶满溢时接住多余的雨水。“水桶” 信号读取轻松且精度高，可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。
结语
传感器正逐步彻底改变测量设备，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愈发高效、便捷且经济，进而提升正常运行时间。未来，维护工作将依靠传感器执行，而非像以往由人力资源部门依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，进而影响人们在空气质量、出行、汽车保养、生活方式、保险、能耗等方面的预期。新型激光雷达系统也将为自动驾驶车辆提供更可靠的 “视力” 保障，持续推动各领域的智能化发展。
文章来源：新浪科技