“智能、微型、多功能”将引领智能手表传感器新趋势_智能制造微型化

编辑  /  旭日大数据

智能传感技术是智能制造和物联网的先行技术，作为前端感知工具，具有非常重要的意义。要想实现对环境的感知和信号转换功能，就需要各种功能的传感器，尤其在智能穿戴领域对传感器的依赖将更加强烈，并会要求传感器朝着智能化、微型化和多功能化方向发展。

 

一、传感器的工作原理

 

传感器的工作原理为将各种被测信号量的微小变化都给转换成电信号。后续由信号处理单元转变成数字或者模拟信号交给执行器处理。

 

 

例如光电、温度等传感器，首先向传感器提供±15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波，经过功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈。由基准电源与双运放组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器放大成1.5v±1v的强信号，再通过V/F转换器变换成频率信号，通过信号环形变压器从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。

 

图片来源于网络公开资料

 

二、传感器的特性

 

1.传感器的静态特性

 

静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

 

2.传感器动态特性

 

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

 

三、传感器的种类

 

按照被检测信号的来源类型可以分为物理传感器和化学传感器，物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。化学传感器应用包括以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的信号。

 

有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类但大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

 

四、智能手表领域传感器的种类和应用场景

 

1.健康监测类

 

（1）光学心率传感器：可检测每分钟的心跳次数。

 

（2）SpO2监视器：可测量血液中的氧气含有量。

 

（3）生物阻抗传感器：可测量呼吸频率和睡眠等情况。

 

（4）ECG心电传感器：检测你的心脏在每次心跳时发出的微小电脉冲。

 

（5）紫外线传感器：可测量在有害阳光下的暴露情况。

 

（6）皮肤电活动或EDA传感器：它与心率追踪器，ECG和皮肤温度传感器一起测量压力水平。

 

（7）皮肤温度传感器：检测温度的轻微变化，以了解您是否会像发烧一样生病或检测到月经期开始。

 

（8）血糖传感器：用试剂与皮肤上的葡萄糖分子发生电化学反应产生电流来测量体内的血糖含量。

 

2.运动支持类

 

（1）三轴加速度计：检测运动并跟踪方向。

 

（2）高度计：可检测您的爬升高度。

 

（3）指南针：帮助方向和地图。

 

（4）GPS全球定位系统：可帮助您检测跑步量，可穿戴设备的位置并跟踪您的活动，它还有助于指导Map应用程序。

 

（5）陀螺仪：测量用于检测运动的角速度，并在旅途中准确跟踪它们。

 

（6）磁力计：与GPS和指南针一起确定您所在位置的确切坐标。

 

3.其他辅助类

 

（1）环境光传感器：可调节显示亮度，这也有助于节省电池寿命。

 

（2）接近传感器：可节省电池并在需要时唤醒显示。

 

（3）手势传感器：检测手腕运动。

 

智能手表需求最多的功能：

 

老年人对慢性病管理最需要用到的就是血压、血糖、心率和血氧等的监测数据，这就需要相关的专用传感器。数据君调查这方面的需求量至少在76%以上。

 

对成人最需要用到的功能就是音乐、支付、身份识别、运动支持等功能，这就要用到蓝牙、NFC、GPS、指南针、陀螺仪、心率、加速度方面的传感器，数据君调查这方面的需求量至少在80%以上。

 

儿童最重要的功能需求就是定位、视频通话和社交，涉及到的传感器包括GPS、陀螺仪、高度计、磁力计、指南针、射频、蓝牙和NFC。数据君调查这方面的需求量至少在95%以上。

 

部分国内传感器相关企业及产品方向介绍：

 

五、智能穿戴传感器的技术发展趋势

 

1.智能化

 

传感器的智能化是指在传感器中内置微处理器，使其具有自动检测、自动补偿、数据存储、逻辑判断等交互功能。随着居民消费水平和对智能穿戴产品智能化体验的不断提升，必然对智能穿戴设备领域的传感器功能要求也随之提升。例如对传感器要求具有保密性高、传输速度快距离远、抗干扰性强、自适应性强、通信功能强等特点。这就要求所用传感器功能必须越来越智能化和完善。

 

2.微型化

 

传统的传感器体积较大，应用领域受限，无法应用于便携设备、可穿戴设备等领域。精密加工、微电子、集成电路等技术、新材料的发展及应用，将使传感器中电子元器件由毫米级转向微米级甚至纳米级，推动传感器的微型化趋势。全球智能可穿戴设备行业发展迅速，设备的便携性需求将对微型和超小型传感器需求不断上涨，这就刺激传感器行业必定向微型化发展。

 

3.多功能化

 

单个传感器仅能完成单一测量任务，在实际应用通常需要同时测量多种被测变量，以全面、准确地反映客观事物和环境。因此实现多功能化是当前传感器技术发展中一个重要的研究方向。伴随传感器应用领城的不断增加，借助半导体的蒸镀、扩散、光刻、精密微加工及组装等技术，将多种敏感元件整合在同一基板上成为可能。目前已研制出的多功能传感器应用较少，传感器功能为温度与湿度同时检测，或是压差、静压和温度同时检测。此外，仿生传感器将触感、刺激和试听辨别检测。已有部分研究成果问世，未来还将有更多的多功能传感器将被研发出来。

 

总结：

 

传感器作为智能穿戴设备不可或缺的核心部件，决定着各种智慧化功能的有效性和精确度，没有最前端智能感知方面的质量保证，后续软件的信号处理也显得徒劳无功。以智能手表为代表的智能穿戴设备对智慧功能的完善和传感器技术的进步提出了更高的要求，这些都给传感器的发展明确了新的方向。