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盤點生活中的傳感器 未來發(fā)展空間巨大

作者:本站采編
來源:OFweek傳感器網(wǎng)
日期:2016-10-09 11:57:14
摘要:利用自然界物理或生物特性來探測外界信息,感測元件在科技進(jìn)步下不斷發(fā)展,結(jié)合人類在科學(xué)、物理、醫(yī)療上所累積的知識,如今感測器已經(jīng)不只是人類用來探索知識的一門工具,更能結(jié)合通訊、物聯(lián)網(wǎng)、云端巨量資料的運算,提供生活中更便利的服務(wù)。
關(guān)鍵詞:傳感器

  利用自然界物理或生物特性來探測外界信息,感測元件在科技進(jìn)步下不斷發(fā)展,結(jié)合人類在科學(xué)、物理、醫(yī)療上所累積的知識,如今感測器已經(jīng)不只是人類用來探索知識的一門工具,更能結(jié)合通訊、物聯(lián)網(wǎng)、云端巨量資料的運算,提供生活中更便利的服務(wù)。

  觀察目前感測技術(shù),發(fā)展已經(jīng)成熟的有光應(yīng)用、聲音、動態(tài)、壓力等感測器,尚在開發(fā)階段的是生物細(xì)胞、腦波等感測器。將這些感測器結(jié)合設(shè)計出應(yīng)用裝置導(dǎo)入生活中,開發(fā)出能獨立判斷并主動提供決策服務(wù)的智慧裝置,如果用人類的五感來作對照感測是如何發(fā)生的: 


  納米科技的進(jìn)步也使感測器更精準(zhǔn)及細(xì)微,從動作、血液流動、到腦波偵測運算,就像許多電影情結(jié),未來電子、機器設(shè)備不僅能更超越人類的感測范圍,也能更即時分析作出判斷,與人們的生活密切結(jié)合,觸覺、嗅覺、味覺三種感測方式,未來都還有很大的發(fā)展空間,是目前科學(xué)家研究發(fā)展的重心。

  觸覺感測器

  觸控面板是觸覺感測最主要的產(chǎn)品,近期開始走紅的”指紋辨識”技術(shù),也是觸覺感測的一種應(yīng)用,指紋辨識器一般采用電容式的觸控屏,從前使用在保全系統(tǒng)、犯罪偵防上,後來置入智慧型手機,應(yīng)用在指紋鎖、個人認(rèn)證及行動支付方案等。 


  如果將觸覺進(jìn)一步衍伸到如皮膚般能感測壓力、溫度、表面紋路,應(yīng)用到機器人。使得機器人身上將有層仿真皮膚,協(xié)助特定類型的機器人可以利用觸覺工作,例如提升抓取物品的準(zhǔn)確性。這種電子皮膚技術(shù)也嘗試能使用在原本沒有觸覺的機械義肢、或皮膚移植的可能。觸覺感測器不斷以仿生物特性的角度持續(xù)開發(fā)中。

  氣體感測器

  氣體感測器應(yīng)用上常用於酒精偵測、可燃性氣體偵測、環(huán)境氣體偵測等,在環(huán)境空氣檢測上可用於室內(nèi)空氣品質(zhì)的偵測,搭配溫、濕度、氣壓計形成智慧空調(diào)系統(tǒng),主動調(diào)整室內(nèi)、車內(nèi)空間的空氣品質(zhì),并達(dá)到節(jié)能與安全維護(hù)的目的。

  氣體感測器的制作是利用加熱氧化物後表面吸附氣體,再進(jìn)行催化產(chǎn)生電阻的變化產(chǎn)生感測訊號。偵測不同氣體所用的元件略有不同,因此目前單一感測器通常僅限特定某類型氣體的偵測,例如可燃性性氣體、二氧化碳、污染型氣體、氫氣等,又稱為”電子鼻”或”嗅覺感測器”。 


  未來采用半導(dǎo)體制程的嗅覺感覺器,不僅感度好、反應(yīng)快、穩(wěn)定性佳,且維護(hù)上也容易;用於醫(yī)療領(lǐng)域,目前已有利用檢測二氧化碳濃度來檢知病人是否因感染幽門螺旋菌(Helicobacter Pylori)而導(dǎo)致胃炎、胃潰瘍的半導(dǎo)體氣體感應(yīng)器裝置。歐美日等國的研究更發(fā)現(xiàn),當(dāng)人體生病時,呼氣中特定成分的氣體濃度會提高。若是此類呼氣嗅覺感應(yīng)器能夠小型化,整合到手機上,使用者平常就能利用手機來做健康診斷,掌握日常的健康狀態(tài)。

  生物感測器

  如果是以一般感測技術(shù)(光學(xué)、壓力等)來辨識生物特徵,稱為生物辨識技術(shù)(Biometric),不同於生物感測器(Bio Sensor),則是直接以相關(guān)的生物分子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)來感測,兩者皆是測量生物量的方法,前者發(fā)展較快且已能置入行動裝置,後者測量出的數(shù)據(jù)則更為精準(zhǔn),但離商品化還需努力。

  生物辨識(Bio-metric)技術(shù),指的是如指紋辨識器、人體特徵分析,如臉部、指紋、虹膜辨識等。主要透過光感測器、電流、磁力或電磁波等方式,來測量心跳、心律、血氧濃度、血壓等基本的生理訊號。

 

  基於在各種非生物感測器的技術(shù)進(jìn)步下,加上程式設(shè)計人員透過演算法要測量出各種生理訊號,都有一定程度的可測量性,由其紅外線IR穿透力比可見光稍強,可測量人體表面溫度及血液中細(xì)微的變化來進(jìn)行分析。但大部份的測量如果要能用於醫(yī)療水準(zhǔn),達(dá)到更高的準(zhǔn)確性作為疾病的預(yù)防診斷,還是需要靠生物感測器來達(dá)成。

  生物感測器(Bio-sensor),即是利用生物分子的交互作用來感測,從測量生理變化,至分析更多生物元素的感測方法。由於在測量的生物體背景值相當(dāng)復(fù)雜(如血液里就有血球、蛋白質(zhì)、抗體),且生物元素具有高特異性,因此檢測過程通常較為繁瑣,要做成單一設(shè)備能夠商品化的感應(yīng)器更是一大挑戰(zhàn),現(xiàn)有商品化設(shè)備的感測模式通常是在感測器前端(探針)加入生物分子,與受測物作用後,再透過轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)為電子訊號。

  生物作用分子的選用相當(dāng)獨特,一種生物感測器通常只能測幾種特定的生物原素,這個部份跟嗅覺感測器的發(fā)展裝況類似。除了醫(yī)療用途外,在食品的研發(fā)及品管上,也有發(fā)展出食品分析儀、及味覺感測器,味覺感測器能分別將甜、咸、酸、苦、辣等五種基本味覺數(shù)值化,食品分析儀可以檢測出食品的成份。 


  Vessyl推出的智慧水杯,不僅可以馬上認(rèn)出裝入的是水還是那種飲料,還能透過手機App協(xié)助計算卡路里及健康管理,醫(yī)療方面糖連病患者最需要的血糖測試方法,現(xiàn)在也有采取體液的偵測方式,比起以往需采集血液的方式,對糖尿病患者是一大福音;Google X研發(fā)隱形眼鏡,就是以淚液偵測血糖值,生物感測器的微小化、商品化,將會是遠(yuǎn)端醫(yī)療、個人健康管理上在未來的發(fā)展方向。

  腦波感測器

  我們的大腦是由數(shù)十億個活躍的神經(jīng)元組成,如果把神經(jīng)軸突(Axon)連接在一起,長度大約有十七萬公里,當(dāng)這些神經(jīng)元互動時,可以測量到這些化學(xué)作用所發(fā)射出的電脈沖。腦波的密碼解讀是相當(dāng)困難的,因此目前腦波感測器的進(jìn)展并不大。在未來隨著腦波感測的發(fā)展,也許我們就能用意念來移動物品、打開電視、甚至與寵物溝通。

  光感測器

  光感測器的原理即是藉由光敏感元件將接收的各種光波轉(zhuǎn)換成電訊號。光感測也是目前應(yīng)用最廣的一種感測方式,主要范圍大多集中於肉眼可見光(380nm~780nm)的頻段附近,由於光有反射、折射等特性,感測器可由發(fā)射端射出光線,再經(jīng)反射由接收端探知波長的變化,稱為主動式光感測。若是只有接收端直接測量外在的光能量,則是被動式光感測。

  感測光譜

  光感測器大致可以分類為紅外線光感測器、紫外線光感測器、影像感測器、深度感測器。

  紅外線光感測器

  紅外線是肉眼看不到的安全光線,因此在感測應(yīng)用上非常廣,在工業(yè)生產(chǎn)鏈上要測量物體的通過或是保全警報系統(tǒng),都可以采用紅外線感測器,利用光的折射與反射特性來完成感測訊號,當(dāng)有發(fā)射端、與接收端,紅外線也可以作短距離訊號的傳遞,如搖控器、紅外線傳輸介面等。然而一般紅外線的穿透性并不高,主動式紅外線加上光反射原理還可以用在距離的探測上,打在人體皮膚上可以透過微血管變化計算心跳、心律。

  在“黑體幅射定律”中,物體溫度高於絕對零度(攝氏-273.15K)就會產(chǎn)生紅外線的輻射光能量;因此對於溫度的感測也常常與紅外線相關(guān),熱視鏡、熱追縱系統(tǒng)、熱感應(yīng)式監(jiān)視器,就是被動式紅外線感測的應(yīng)用。這類型感測器也常與我們?nèi)粘I钕⑾⑾嚓P(guān),舉例還有防盜系統(tǒng)、火災(zāi)警報器、耳溫槍等。

 

  紫外線光感測器

  紫外線的波長短、頻率高使穿透力較強,對人體有一定的傷害,當(dāng)木材、化纖織物、紙張、油、塑料、等可燃?xì)怏w燃燒時,都會產(chǎn)生紫外光反應(yīng),另外太陽光放射出的紫外線能穿透石英、玻離、水和空氣。綜合以上特性,紫外線感測器多被用在與燃燒或陽光相關(guān)的感測應(yīng)用上,如引擎控制、火焰感測器、太陽紫外線監(jiān)測、紫外線天文學(xué)、光源校正系統(tǒng)等,以被動感測為主。主動放射紫外線的應(yīng)用一般在醫(yī)療上使用,紫外線常被用來殺菌消毒。

  紫外線對人體有一定的破壞性,當(dāng)環(huán)境污染(臭氧層破壞)造成紫外線數(shù)值越來越高,罹患皮膚癌的機率也相對增加,UV紫外線感測器將被置入到許多運動型的穿戴裝置,來提醒使用者目前的紫外線指數(shù),是紫外線感測器置入行動裝置目前的主要應(yīng)用。

  影像感測器

  影像感測器是光感測器中制程最復(fù)雜、也是最先進(jìn)的主流產(chǎn)品,感測的輻射光大多集中在可見光附近,配合人眼可辨識成像的應(yīng)用,最廣為人知的例子是取代傳統(tǒng)底片的數(shù)位相機,靠的就是影像感測器的發(fā)展。

  影像感測器一般都需要搭配鏡頭使用,模擬人眼對RGB紅綠藍(lán)三原色的反應(yīng),為了避免紅外線的干擾還會加上一層紅外線濾光片;在CCD、CMOS兩種半導(dǎo)體晶片制作技術(shù)的進(jìn)步下,影像感測器能解讀的畫質(zhì)像素(Pixel)非常細(xì)微,iPhone有一款A(yù)pp是只要將手指壓在鏡頭前用補光燈照射,就能以接收微血管的變化來測量心跳。

  現(xiàn)在的影像感測器能夠捕捉靜態(tài)或動態(tài)中的影像,并分析影像作出各種判斷,例如相機的自動對焦功能、手機APP的微笑拍照功能、保全系統(tǒng)的人臉辨識,

 

  深度感測器

  將感測畫面由平面推向3D立體,是人機介面中虛擬實境、手勢操控最主要的感測器,未來應(yīng)用非常具有潛力。3D深度感測方案主要系由CMOS影像感測器、演算法、輔助感測效果的外部元件(如主動式光源(紅外光IR)及主處理器所組合而成。紅外線能捕捉人體的熱幅射,使感測時可以聚焦在主控者身上,不被混亂的背景干擾;也能用來作距離的運算,與影像感測器配合來實現(xiàn)3D掃描的功能。

  在應(yīng)用方面,微軟的Kinect產(chǎn)品絕對是代表作,不僅在體感游戲中實現(xiàn)了人體動態(tài)操控,不需穿戴任何搖控設(shè)備,也能被應(yīng)用開發(fā)在許多人機互動平臺上。

  動態(tài)感測器

  動態(tài)感測器在測量物體的動態(tài),與3D深度感測器不同的是,動態(tài)感測器是直接在行動者(人、車)身上作感測,所謂感測物體的”動態(tài)”包含了方向、速度(加速度感測器)、角度(陀螺儀)、方位(磁力感測器)、高度(氣壓感測器)幾種。

  動態(tài)感測的方式通常會需要測量物理量(重力、速度)的變化,因此采機械的方式制成,微機電系統(tǒng)(MEMS)是一種先進(jìn)的工藝技術(shù),將傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)微小化到類似晶片的大小,也是今天能將動態(tài)感測器放入手機、手表等許多穿戴裝置的重要科技。

  加速度感測器

  又稱重力感測器(G-Sensor)、加速計,用來偵測物體本身的移動及速度;如果要加上方向,一個加速度感測器可以感測一個軸向,兩個可以感測平面移動(X,Y),三個可以立體全方位感測(X,Y,Z)稱為三軸加速度感測器。

  加速度感測器目前的許多應(yīng)用,在體感操控上,如游戲機wii的操控方式只要揮動手上的搖控器。汽車方面安全氣囊的致動元件、隧道內(nèi)的補助導(dǎo)航(因隧道內(nèi)收不到訊號,用加速度感測器計算行駛距離),穿戴裝置在運動方面測量行走步數(shù)、距離,計算消秏的卡路里等,未來也能在室內(nèi)導(dǎo)航上,另外還有相機的防手震功能,也能利用感測器感應(yīng)震動呈度,進(jìn)行影像補償。

 

  壓力感測器

  壓力感測器可以測得水中、或大氣中形成的外部壓力(又稱氣壓感測器),應(yīng)用上如汽車引擎內(nèi)的監(jiān)控管理、胎壓偵測、以及醫(yī)療輔助器材、航太相關(guān)等,近年來置入行動裝置中作為環(huán)境氣壓偵測,判斷即時的天氣變化(又稱晴雨計)外,也能依海拔高度的氣壓變化作為垂直高度的定位系統(tǒng)。

  氣壓感測器分類上也屬於環(huán)境感測器的一員,環(huán)境的偵測可以協(xié)助我們改善居住品質(zhì),主要有氣壓、溫度計、濕度計、紫外線感測器、氣體感測器、環(huán)境光感測器幾種。

  陀螺儀

  結(jié)構(gòu)類似陀螺般,用來測量裝置本身斜度、角度的變化量,早期多用在軍事、航太導(dǎo)航系統(tǒng)的角度修正,工業(yè)生產(chǎn)上機械手臂的動態(tài)平衡方案等。與加速感測器不同的是,陀螺儀量測數(shù)據(jù)較偏向斜度、轉(zhuǎn)動等動態(tài)資訊,反而與重力、線性動作的感測較無關(guān),陀螺儀多在偵測物體水平改變狀態(tài)時較能達(dá)到效用,無法如加速度計對於物體移動或移動動能具較高的感測能力。相反的,加速度計可在偵測物體移動狀態(tài)具較高實用效益,但卻無法感測物體的小幅角度改變。

  目前應(yīng)用上大多將加速度計與陀螺儀整合,讓動態(tài)感測系統(tǒng)同時具備直向速度與轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)的感測資訊,使偵測方式更全面且完整。將兩者共同封裝於單晶片上,又稱為慣性感測器(Inertial Sensing),使用在智慧型手機及平板的螢?zāi)恍D(zhuǎn)操控。 


  磁力感測器

  (M-Sensor)運用磁鐵吸引力的感測器,在行動裝置應(yīng)用上可分為感應(yīng)開關(guān)、與電子羅盤兩種。感應(yīng)開關(guān)如手機、平板上的螢?zāi)绘i,透過感應(yīng)保護(hù)套上的磁鐵來進(jìn)行開關(guān)動作,若用於工業(yè)生產(chǎn)鏈上也能作為磁力感應(yīng)的近接開關(guān)、轉(zhuǎn)速測量等,電子羅盤又稱地磁感應(yīng)器,運用電流通過半導(dǎo)體來感測大自然的磁場(霍爾效應(yīng)),可作方向的指引、協(xié)助GPS導(dǎo)航作進(jìn)一步方位的確認(rèn)。

  目前大多也將地磁感測器共同整合到”慣性感測器”中,使方向、速度、各種動態(tài)等都能完整被感測記錄使用,且能提供高精細(xì)度的動態(tài)數(shù)據(jù),未來在體感控制、動態(tài)分析上都能有更棒的體驗。由其發(fā)展”室內(nèi)導(dǎo)航”就是許多大廠共同努力的目標(biāo);除了慣性感測外,也可能再加入壓力感測器(氣壓感測器),用細(xì)微的氣壓變化來測量目前所高度及所在的樓層。

  聲音感測器

  聲波也有不同的頻率、振幅,需透過介質(zhì)傳播,簡單區(qū)分為人耳可聽見的聲音,及無法聽見的超音波;聲波會引起頻率共震、及折射等特性,傳遞的方式即是與大氣中物體(空氣、水)共振造成,由此原理作成相關(guān)的聲音感測器,另外聲波在遇到物體阻檔時也會產(chǎn)生折射的現(xiàn)像,所以也能作為距離的探測。

  收音麥克風(fēng)

  最簡單也最實用的聲音感測器,其實就是我們常用的麥克風(fēng);麥克風(fēng)能夠精準(zhǔn)的收取周遭環(huán)境的音波,科技應(yīng)用上追求的反而是如何將聲音轉(zhuǎn)換成可用的資訊或指令,如語音辨識功能、語音輸入就是目前主要應(yīng)用。但不像人類可以主觀判斷聚焦想聽見的聲音,聲音感測器在音源分析上達(dá)到有效的音源定位、音源分離,尚處於努力階段。 


  超音波感測器

  超音波是指超越人體能聽到的音波,利用聲波的反射原理,最常利用超音波來做距離的測量;用在服務(wù)型機器人身上,可以有效測距與避障,如水深探測、水位測定、倒車?yán)走_(dá)等,由於光的折射與聲音的折射在物質(zhì)上略有不同,若兩者搭配來用在偵測周圍環(huán)境,即可以更精準(zhǔn)達(dá)到環(huán)境偵測效果。

  超音波在醫(yī)療用途上也常被使用,如孕婦照超音波看胎兒的原理,是由不同密度介質(zhì)會有反射特性,隨組織密度不同造成不同的反射波,說穿了也是一種測距的應(yīng)用。

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