物联网

2011年以来,从中央各主管部委到行业、省市,多点、多层次的智慧城市规划纷纷出台。这些规划从宏观政策引导、应用行业指南、扶持资金支持等多个层面形成了对智慧城市发展的强大政策推动力,为我国智慧城市创造了良好的发展环境。

从2013年开始,国家住建部公布了90个首批国家智慧城市试点名单,并配套了包括国开行、商业银行在内的4400亿授信额度。2013年8月,住房和城乡建设部再度确定103个城市为2013年度国家智慧城市试点,加上其他“智慧城市类”试点,截至2016年共规划了686个试点城市,试点城市将经过3-5年的创建期,住建部将组织评估,对评估通过的试点城市(区、镇)进行评定,评定等级由低到高分为一星、二星和三星,由此促进产业快速发展。

图表1:截至2017年我国智慧城市试点城市数量

资料来源:前瞻产业研究院整理

智慧城市建设有望撬动“万亿级”市场

参照智慧城市建设的一些典型项目的投资规模,发现省级行政区(比如武汉地区计划10年内建成智慧城市总投资达800亿元)通常投资额度在100-500亿元,地级市(银江股份签署智慧观山湖总投资预计30亿元)通常投资额度在10-30亿元,区县级(银江股份的智慧章丘总投资2.6亿元,智慧莱西投资5亿元,易华录的智慧津南投资7亿元,智慧东海项目投资3亿元)投资额度在1-5亿元。

图表2:部分智慧城市建设投资规模(单位:亿元)

资料来源:前瞻产业研究院整理

因此,我们按省级、地市级、区县级三级行政单位分保守、中性、乐观估算智慧城市的投资规模分别为100亿元、300亿元、500亿元,10亿元、30亿元、50亿元,1亿元、3亿元、5亿元,测算得到智慧城市建设的市场空间在中性条件下为29118亿元。

图表3:智慧城市市场空间测算(亿元)

资料来源:前瞻产业研究院整理

而智慧城市建设并非一蹴而就,通常从规划、立项到实施需要5-10年的时间,因此目前的智慧城市建设仍主要由一线城市和发达的二线城市的推动,可以预见智慧城市建设热潮将在“十三五”期间全面释放,潜在的市场空间相当广阔;另外,即使是信息化基础设施建设相当完善的城市,仍然需要继续构建交通、医疗、教育智慧应用类项目,因此单个智慧城市的建设也是一个不断持续的过程。

基于上述分析,前瞻产业研究院发布的《2018-2023年中国智慧城市建设发展前景与投资预测分析报告》预计2017年我国智慧城市IT投资规模将达到3752亿元,未来五年(2017-2021)年均复合增长率约为31.12%,2021年IT投资规模将达到12341亿元,这也意味着“十三五”期间智慧城市建设投资规模有望超过2.5万亿。

图表4:2015-2020.年中国智慧城市建设IT投资规模及预测(单位:亿元)

文章题目 ANALOG DENICES 中文技术论坛

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简介
输液和输血等程序要求监控液体的确切数量,因此这些应用需要采用精确、易于实施的方法来实现液位的检测。本文描述24位电容-数字转换器和液位检测技术,可通过测量电容对液位进行高性能检测。

电容测量基础知识

电容是物体存储电荷的能力。电容C定义如下:C定义如下:

其中,Q是电容上的电荷,V是电容上的电压。

在图1所示电容中,两个面积为A的平行金属板间距为d。电容C为:

其中

C是电容,单位为F
A是两块板的重叠面积, A = a × b
d是两块板之间的距离
εR是相对介电常数
εO是自由空间的介电常(εO ≈ 8.854 × 10−12 F m−1)

图1. 两块平行板的电容

电容数字转换器(CDC)

单通道AD7745和双通道AD7746均为高分辨率Σ-Δ型电容-数字转换器,可测量直接连接输入端的电容。这些器件具有高分辨率(21位有效分辨率和24位无失码)、高线性度(±0.01%)和高精度(出厂校准至±4 fF),非常适合检测液位、位置、压力和其他物理参数。

这些器件具有完整的功能,电容输入端集成多路复用器、激励源、用于电容DAC,温度传感器、基准电压源、时钟发生器、控制和校准逻辑、I2C兼容型串行接口以及高精度转换器内核,该内核集成二阶Σ-Δ型电荷平衡调制器和三阶数字滤波器。转换器用作电容输入的CDC和电压输入的ADC。

所测电容Cx连接在激励源和Σ-Δ型调制器输入端之间。转换期间在Cx上施加方波激励信号。调制器会不间断地对流过Cx的电荷进行采样,并将其转换为0和1的流。调制器输出1的密度经数字滤波器处理,确定电容值。滤波器输出通过校准系数缩放调节。然后,外部主机便可通过串行接口读取最终值。

图2中的四个配置显示了单端、差分、接地和浮动式传感器应用中CDC如何检测电容。

图2. 单端、差分、接地和浮动传感器应用中的配置

电容式液位检测技术

一种简单的液位监控技术是将平行板电容器浸入液体中,如图3所示。随着液位变化,板之间的电介质材料数量发生改变,导致电容也随之改变。同时第二对电容传感器(图中为C2)用作基准。

图3. 电容式液位检测

由于εR(水) >> εR(空气),传感器电容可由浸没部分的电容近似表示。因此,液位为 C1/C2:

其中

* Level是浸入液体的长度
* Ref是基准传感器的长度

电容式液位检测系统硬件

24位AD7746具有两条电容测量通道,非常适合液位检测应用。图4显示了系统功能框图。传感器和基准电容信号转换为数字信号,数据通过I2C端口传输至主机PC或微控制器。

图4. 电容式液位检测系统

要实现精确测量,PCB设计很关键。图5显示了传感器板和CDC连接。为了保证精度,AD7746安装在4层PCB表面尽可能靠近传感器的地方。接地层暴露在PCB背面。该应用使用了转换器全部的两个输入通道。传感器板如图6所示。

图5. 传感器板和CDC连接

图6. PCB正面和反面照片

传感器板设计为在一块PCB上的两个共面金属板,而非两个平行板。共面极板在4层PCB内无需直接接触液体。共面极板电容的电介质由PCB材料、空气和液体组成,轨道每一单位长度的电容值约为:

其中

* d是两个平行轨道中点之间的距离
* l是轨道长度
* w是每一条轨道的宽度(假定宽度相等)
* t是轨道的厚度
* 有效εR由d与h的比值决定(h是PCB板的厚度)
* 若d/h >> 1; 则εR(eff) ≈ 1
* 若d/h ≈ 1; 则εR(eff) = (1 + εR)/2

就该等式而言,测得的电容值与浸入液体的长度成比例,而共面传感器每一单位轨道长度的电容近似值不变。使用LabVIEW®软件执行系统校准有助于实现更高的精度。

LabVIEW软件

PC上运行的LabVIEW程序通过I2C串行接口获取CDC数据。图7是PC监视器上显示的图形用户界面(GUI)。启动液面演示系统后,会实时显示液面数据、环境温度和电源电压。

图7. PC监视器上显示的系统GUI

液面推导公式为:

LabVIEW程序包括基本校准和高级校准,可实现更精确的测量。在浸入液体时进行干(基本)校准用来确定体中。 C1DRY和C2DRY。湿(高级)校准则用来确定一阶方程中增益和失调两个未知量,通过在液位0英寸和4英寸先后进行校准测量可以得到两个方程联立推导出增益和失调。湿校准和测量过程中,基准电容必须完全浸入液体中。

结论

本文介绍了电容式液位检测演示系统。

参考电路

AD7746评估套件

AD7746评估板技术文档

Jia, Ning. “医疗保健应用中的ADI电容数字转换器技术” Analog Dialogue, 模拟对话,第46卷第2期,2012年。

Scarlett, Jim. “电容数字转换器为诊断系统中的电平检测提供方便” Analog Dialogue,模拟对话,第48卷第2期,2014年。

Walker, Charles S. 电容、电感和串扰分析, Artech House, 1990, ISBN: 978-0890063927.

作者:Jiayuan Wang

Jiayuan Wang 于2013年加入ADI公司,任客户解决方案支持部门的应用工程师,工作地点在马萨诸塞州威明顿。Jiayuan于2013年获得康奈尔大学硕士学位。

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近年来,电子技术的进步为医疗保健行业的诸多创新和改进创造了条件。医疗保健设备面临的挑战包括提出新的诊断和治疗方法,实现远程监控,开发家庭护理设备,提高质量和可靠性,以及增强灵活性和易用性。

40余年以来,ADI公司丰富而全面的线性、混合信号、MEMS和数字信号处理技术给仪器仪表、成像和病人监护等领域的医疗设备设计带来了重大的变革。本文将集中探讨电容数字转换器(CDC)技术,该技术使得在医疗保健应用中使用高性能电容检测成为可能。

电容式触摸传感器控制器——一种全新的用户输入法

电容式触摸传感器以类似图1所示的按钮、滑动条、滚轮或其他方式提供一种用户界面。

图1. 触摸传感器布局示例

各个蓝色几何区域表示印刷电路板(PCB)上的一个传感器电极,构成虚拟电容器的一个极板。另一极板则由用户的手指构成,实际上,该极板相对于传感器输入是接地的。AD7147/AD7148 CapTouch™控制器系列专为激励电容式触摸传感器和与之接口而设计,能够测量来自单电极传感器的电容变化。器件首先输出一个激励信号,使电容器极板充电。当一个物体(如用户手指)靠近传感器时,用户充当电容器的令一个极板,将形成虚拟电容器(如图2)。利用电容数字转换器(CDC)可以测量该电容。

图2.电容检测示意图和典型响应

该CDC能够感知外部传感器的电容变化,并借助此信息来记录传感器激活事件。AD7147和AD7148分别有13个和8个电容输入,并均配有片内校准逻辑,用以对环境变化引起的测量变化进行补偿,从而确保不会因温度变化或湿度变化而在外部传感器上产生误触发事件。

AD7147和AD7148提供多种工作模式、用户可编程的转换序列和极其灵活的控制功能。这些特性使其成为高分辨率触摸传感器功能的理想选择,比如滑动条或滚轮,而且其对软件的要求很低。另外,无需使用任何软件,即可用片内数字逻辑完整实现按钮传感器应用。

电容检测和测量的基本原理

电容是指电容器在电场中存储能量的能力。在其标称形态中——平行板电容器——电容C衡量在给定电压V下电容器中存储的电荷Q,计算公式为

对于平行板电容器,电容检测和测量技术的本质如图3所示。

图3.测量平行板电容器的电容

平行板电容器由两个导体(金属板)构成,其特性为

导体面积 , a × b
两个导体极板之间的距离d
两个导体之间的电介质,用介电常数er表示r
根据这种几何结构,电容计算公式如下

其中,ε0为自由空间的介电常数

CDC器件将一个激励施加到电容器的一个极板上,然后测量该电容器中存储的电荷;之后,外部主机即可访问数字结果。根据激励的作用方式,可分为四类电容传感器,如图4所示。

图4.传感器电气配置

由于传感器电容由a、b、d和er决定,因此,通过改变这些参数的值,或者观察其值的变化,即可将CDC技术用于直接测量电容值以及多种其他应用之中,具体视传感器类型而定。例如,如果a、b和εr是恒定的,CDC输入与两个导体之间的距离成反比。

应用

AD714x、AD715x和AD774x系列CDC产品适用于涉及各类采样速率、分辨率、输入范围和输入传感器类型的广泛应用。电容检测技术的潜在应用范围仅局限于用户的创造力,我们下面就介绍一些其在医疗保健领域的可能的应用方法。

液位监控

在输液等众多应用中,必须测量所用液体量,或者在输液瓶变空之前必须停止输液。为了节省医护人员的时间,可利用自动液位检测技术来消除人工检查的必要。

液位检测的基本原理如图5所示。构建一个平行板电容器,使其极板紧紧地附着在输液瓶的外壁上,并延伸到输液瓶底部附近。随着输液液位的变化,极板之间的电介质数量发生变化,从而导致电容发生变化。为了能够使用介电常数不同的各种输液物质,需在输液瓶底部附近再放一个电容式传感器,充当一个基准通道,以形成比率式测量。

图5.液位检测

24位AD7746, 搭载两个电容测量通道,可以用于这类应用。

电极和人体之间的连接检测

对于在人体皮肤附近使用的设备(如图6所示的那些设备),在激活设备或进行测量之前,首先了解设备表面与病人皮肤之间接触的质量通常是有好处的。最终使用的范围可能包括需要接触皮肤的医疗探头、生物电位电极传感器或把导管固定到适当位置的壳体。为了获得这种额外的信息,在生产过程中的注塑阶段可能会将多个电容式传感器电极(以蓝色显示)直接嵌入到设备的塑料壳体中。有了电极信息后,主机控制器上运行的简单算法就可以确定所有传感器电极是否与皮肤进行良好的接触。

图6.采用电容式传感器电极的设备

图6所示示例运用电容式传感器的方式打破了常规:用户将一个含有电容式检测电极的设备固定于人体上,而在传统的电容式检测人机界面应用中,人们一般通过手指触摸的方式启动与传感器电极的接触事件。利用AD7147/AD7148开发如图6所示应用非常简单。

汗液检测

在某些医疗和保健测试设备中,需要测量人体排出的汗液。这一般是通过测量皮肤的导电性来实现的。然而,如果需要在不进行电接触的情况下进行测量,则可通过用电容传感器检测人体附近的湿度来实现这种功能

出汗时,人体皮肤附近的湿度(介电常数)会增加;可在出汗处皮肤附近用一个非接触式电极来测量出汗导致的电容变化

可以再增加一个电容传感器,以测量环境湿度,并用其实现共模补偿。

呼吸速率测量

呼吸速率测量是病人监护系统中的一个重要模块。

在其中一种实现方式中(如图7所示),将一块激励极板放在病人背部,同时,将传感器电极带固定到病人胸部右侧。肺部呼吸导致的胸部运动会改变两块极板之间的距离。介电常数也会因呼吸过程中复杂的生理活动而改变。这些电容的变化可以通过CDC设备来测量。

图7.呼吸速率测量

将传感器电极置于病人胸部右侧的原因在于,这个位置受其他生理活动的影响最小。然而,通过将多个传感器电极放在病人胸部的不同位置,可以获得有关人体功能的更多信息。这个话题非常有趣,需要进一步研究

血压测量

在使用充气臂带的血压测量应用中,一项重要的任务是测量气阀处的压力。在这类压力检测应用中,电容式传感器使用起来非常简单。

如图8所示,压力传感器的薄膜基本是由两个电容极板构成。向传感器施加压力时,电容极板之间的距离缩短。极板间的距离缩短会导致电容升高。

可使用一个温度传感器来检测传感器的温度变化,以补偿温度变化导致的特性变化。AD774x系列内置一个温度传感器,用于测量片内温度——另外还搭载了一个ADC电压通道,可用来测量电容传感器位置的温度。

图8.用电容式传感器检测压力

结束语

本文简要介绍了ADI公司在CDC技术领域取得的一些成就,暗示了CDC技术在医疗保健应用中的巨大潜力。然而,传感器设计——包括样式、尺寸和位置——相关的详细电子电路设计,以及深入研究、综合实验和有效测试的必要性在很大程度上取决于各种应用的性质,因此,我们在本文中只是抛砖引玉而已。

诚挚邀请各位访问EngineerZone上的ADI公司社区,就CDC技术在医疗保健领域的应用发表高见。

参考电路

ADI CDC 主页: http://www.analog.com/cdc.

ADI 公司医疗保健产品主页: http://healthcare.analog.com.

Prutchi, David, and Michael Norris. Design and Development of Medical Electronic Instrumentation. ISBN 0-471-67623-3. John Wiley & Sons, Inc., 2005. 有关所有ADI公司产品的信息,请访问 www.analog.com.

作者:Ning Jia

Ning Jia 是ADI亚洲客户应用中心的一名应用工程师,负责整个亚洲地区关于众多模拟产品的技术支持。Ning毕业于北京邮电大学,获得信号与信息处理硕士学位,于2007年加入ADI。

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想象未来几十年后的世界,您的孙子们可能不知道医院这个词,所有健康信息都是通过传感器远程记录和监测。想象您的家里配备了不同的传感器来测量空气质量、温度、噪声、光照和气压,并且根据您的个人健康信息,系统调整相关环境参数以优化您的家居环境。在实现美好未来的道路上,ADI公司处于一个独特的有利位置,通过提供相互补充的传感器、软件和算法来增加其在数字健康市场的份额。

心率(HR)监测是许多现有可穿戴产品和临床设备的关键特性。这些设备一般测量光电容积脉搏波(PPG)信号,为获得该信号,须利用LED照射人体皮肤,然后用光电二极管测量血流引起的反射光强度变化。PPG信号形态与动脉血压(ABP)波形相似,这使得该信号成为受科学界欢迎的非侵入性心率监测工具。PPG信号的周期性与心脏节律相对应。因此,可以根据PPG信号估算心率。然而,受血液灌流不良、环境光线以及最重要的运动伪像(MA) 1的影响,心率估算性能会降低。业界已提出许多信号处理技术来消除MA噪声,包括ADI公司的运动抑制和频率跟踪算法,通过使用一个靠近PPG传感器放置的三轴加速度传感器来实现。当没有运动时,最好能有一个按需算法来向跟踪算法提供快速且更精确的心率估算。本文改造了多信号分类(MUSIC)频率估计算法,以利用ADI医疗健康手表平台,根据手腕上的PPG信号实现高精度按需心率估算,图1所示为其框图。该图的细节将在后面的内容中说明。

图1. 利用腕上PPG信号的基于MUSIC的按需心率估计算法

ADI医疗健康手表提供的PPG信号概述

当LED发光时,血液和组织会吸收不同数量的光子,导致光电检测器检测到不同的结果。光电检测器测量血液脉动的变化并输出一个电流,该电流随后经放大和滤波以供进一步分析。 图2a显示了一个由交流(ac)和直流(dc)分量组成的一般PPG信号。PPG波形的直流分量检测组织、骨骼和肌肉反射的光信号,以及动脉和静脉血液的平均血容量。交流分量则表示心动周期的收缩期和舒张期之间发生的血容量变化,交流分量的基频取决于心率。图2b是来自 ADPD107 手表的PPG信号,这在之前的《模拟对话》文章中已介绍过。ADI多感知手表的目标是测量人体手腕上的多项生命体征。ADI手表有PPG、心电图(ECG)、皮肤电活动(EDA)、加速度(ACC)和温度传感器。本文仅关注PPG和ACC传感器。

现在我们仔细看看PPG和ABP波形的相似之处。ABP波形是由于左心室射出血液造成的。主压力沿全身血管网流动并到达多个部位,动脉阻力和顺应性的显著变化引起反射。第一个部位是胸主动脉和腹主动脉之间的接合处,其引起第一次反射,通常称为收缩晚期波。第二个反射部位是腹主动脉和髂总动脉之间的接合处。主波被再次反射回来,产生一个很小的下降,称为重搏切迹,这可以在第一次和第二次反射之间观察到。还有其他较小的反射,这些反射在PPG信号中被平滑掉2。本文的重点是心率估计,其仅取决于PPG信号的周期性,此算法不考虑PPG的确切形态。

图2a. 含交流和直流部分的典型PPG信号

图2b. ADI医疗保健手表PPG信号

PPG信号预处理

PPG信号易受周边组织的不良血液灌流和运动伪像的影响是众所周知的1。为将这些因素的影响降至最小,以免干扰随后的PPG分析和心率估计,须有一个预处理阶段。需要一个带通滤波器来消除PPG信号的高频成分(如电源)和低频成分(如毛细血管密度和静脉血容量的变化、温度变化等等)。图3a显示了滤波之后的PPG信号。使用一组信号质量指标来找到适合于按需算法的PPG信号第一个窗口。第一次检查涉及ACC数据和PPG信号,以确定是否能检测到一段无运动的数据,然后衡量其他信号质量指标。如果三个方向上存在高于ACC数据绝对值的特定阈值的运动,则按需算法会拒绝根据这样的数据窗口进行估计。下一信号质量检查是基于数据段特征的某种自相关。图3b显示了经滤波的PPG信号的一个自相关例子。可接受信号段的自相关表现出如下特性:具有至少一个局部峰值,并且对应于最高可能心率的峰值不超过某一数量;局部峰值从高到低递减,间隔时间递增;以及其他一些特性。仅计算与有意义的心率(位于30 bpm到220 bpm范围内)相对应的间隔时间的自相关。

当有足够的数据段连续通过质量检查时,算法的第二阶段就会使用基于MUSIC的算法算出准确的心率。

图3a. 经过带通滤波的图1b中PPG信号

图3b. 图2a中信号图的自相关

基于MUSIC的按需心率估计算法

MUSIC是一种基于子空间的方法,使用谐波信号模型,可以高精度地估算频率3。对于受到噪声破坏的PPG信号,傅立叶变换(FT)可能表现不佳,因为我们需要的是高分辨率心率估计算法。此外,FT将时域噪声均匀分布到整个频域中,限制了估算的确定性。使用FT很难在较大峰值附近观察到较小峰值4。因此,在本研究中,我们使用基于MUSIC的算法进行心率的频率估计。MUSIC背后的关键思想是噪声子空间与信号子空间正交,所以噪声子空间的零点会指示信号频率。下面的步骤是这种心率估计算法的总结:

* 从数据中删除平均和线性趋势
* 计算数据的协方差矩阵
* 对协方差矩阵应用奇异值分解(SVD)
* 计算信号子空间阶数
* 形成信号或噪声子空间的伪谱
* 找出MUSIC伪谱的峰值作为心率估计值

MUSIC必须应用奇异值分解,并且必须在整个频率范围内搜索频谱峰值。我们来看一些数学算式,以使上述步骤更清晰。假设经滤波的PPG信号有一个长度为m的窗口,表示为xm且m≤L(其中L为给定窗口中经滤波PPG信号的总样本数)。那么,第一步是形成样本协方差矩阵,如下所示:

然后对样本协方差矩阵应用SVD,如下所示:

其中,U为协方差矩阵的左特征向量,Λ为特征值的对角矩阵,V为右特征向量。下标s和n分别代表信号和噪声子空间。正如之前提到的,使用信号已经通过信号质量检查阶段的先备知识,对基于MUSIC的算法进行修改以用于心率估计,因此预处理步骤之后,信号中唯一存在的频率成分是心率频率。接下来形成信号和噪声子空间,假设模型阶数只包含一个单音,如下所示:

其中p = 2为模型数。仅考虑有意义心率限值内的频率。这会大 大减少计算量,使嵌入式算法的实时实现成为可能。搜索频率 向量定义为:

其中,k为心率目标频率范围内的频点,L为xm(t)中数据的窗口长度。然后,下面的伪谱使用噪声子空间特征向量找出MUSIC的峰值,如下所示。

这里使用伪谱一词,是因为它表明所研究信号中存在正弦分量,但它不是一个真正的功率谱密度。图4显示了基于MUSIC的算法处理5秒数据窗口得到的示例结果,在1.96 Hz处有一个很陡的峰值,换算为心率是117.6 bpm。

图4. 使用PPG数据的基于MUSIC估计的一个示例

基于MUSIC的按需心率估计算法的结果

我们已经在一个包含1289个测试案例(data1)的数据集上测试了该算法的性能,并且在数据开始时,测试对象被要求静止。表1给出了基于MUSIC算法的结果,并指出估计的心率是否在参考(ECG)的2 bpm和5 bpm精度范围内,以及估计时间的第50百分位数(中值)和第75百分位数。表1中的第二行显示了对于一个包含298个测试案例(data2)的数据集,存在周期性运动(如步行、慢跑、跑步)时该算法的性能。通过检测运动,如果任一数据被视为不可靠而遭到拒绝,或者是认为不受运动影响而精确估算得到心率,则认为该算法是成功的。在内存使用方面,假设缓冲区大小为500(即100 Hz时为5秒),对于目标频率范围(30 bpm至220 bpm),所需总内存约为3.4 kB,每次调用花费2.83周期。

表1. 基于MUSIC的按需心率估计算法的性能数值

结语

基于MUSIC的按需算法是ADI公司医疗保健业务部门生命体征监测小组提出的众多算法之一。在我们医疗健康手表中使用的按需算法与这里讨论的基于MUSIC的方法不同,前者的计算成本较低。ADI公司为传感器(嵌入式)和边缘节点提供软件和算法功能,使其从数据中获取有价值的信息,仅将最重要的数据发送到云端,让我们的客户和合作伙伴可以在本地做出决策。我们选择应用的标准是,其成果对于我们的客户来说非常重要,并且我们拥有独特的测量专业技术。本文只是对ADI公司研发的算法的简单介绍。凭借我们在传感器设计方面的现有专业知识,以及我们在生物医学算法开发(包括嵌入式和云计算)方面的努力,ADI公司将拥有独特的优势来为全球医疗健康市场提供最先进的算法和软件。

参考电路

1 Tamura, Toshiyo Tamura, Yuka Maeda, Masaki Sekine, 和 Masaki Yoshida. “可穿戴光电容积脉搏波传感器——过去和现在.” Electronics, 第3卷第2期,2014年。

2 R. Couceiro, P. Carvalho, R.P. Paiya, J. Henriques, I. Quintal, M. Antunes, J. Muehlsteff, C. Eickholt, C. Brinkmeyer, M. Kelm, 和 C. Meyer. “根据手指光电血管容积图的多高斯拟合评估心血管功能.” Physiological Measurement,第36卷第9期,2015年。

3 Petre Stoica and Randolph L. Moses. 信号频谱分析. Pearson Prentice Hall,2005年

4Steven W. Smith。面向科学家和工程师的数字信号处理指南。California Technical Publishing,1997年。

致谢

作者感谢ADI公司的Sefa Demirtas、Bob Adams和Tony Akl对此算法的开发所提供的帮助和宝贵意见。

作者:Foroohar Foroozan

Foroohar Foroozan是信号处理科学家。Foroohar于2015年8月加入ADI公司,领导医疗健康业务部面向生命体征和家用监测系统的多伦多算法团队。同时,她就护理点超声成像系统与ADI成像团队展开合作。加入ADI之前,她担任加拿大Geotech Ltd.的研发科学家,致力于新一代机载电磁地球物理测量系统的智能滤波。她是Sunnybrook Research Institute博士后,在2012年至2013年期间致力于脑血管病图的3D、超高分辨率超声成像,正在申请PCT专利。她于2011年获得加拿大多伦多约克大学-拉松德工学院计算机科学博士学位。她对生物医学系统中的信号处理和算法感兴趣,主要致力于生命体征系统和生物医学成像。她是安省专业工程师协会(P.Eng.)成员和IEEE高级成员。

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相比于往年,2018年有关智慧城市议题的热度有所降温,但不少关注点转移到人工智能技术在智慧城市建设方面的应用。这说明智慧城市建设目前不止停留在政策层面,更多的是怎么创新落地。

创新对于整个智慧城市建设而言,事关当下,影响长远,关乎全局。当下,创新关乎缓解城市压力,提振经济发展;长远,创新决定智慧城市建设项目能否在经济社会活动中发挥其效用,创建更高质量的幸福社会;全局,创新关乎2020年将建成一批特色鲜明的智慧城市目标的实现。那么我们应该如何让创新理念在智慧城市发展中落地生根,开花结果呢?

一是端要多,加大各类应用端的生产制造,扩大智能应用范围。评价智慧城市,可以从城市智能化建设来看,看这个城市的运行效率以及服务的方便性。智慧城市层次的思维不是具体项目应当怎样做,而是如何实现智能应用创新繁荣,繁荣不是静态的概念而是动态的发展概念,智慧城市意味着智能化应用创新可持续繁荣。

二是网要强,表现为低时延、高密度、广覆盖,并加快“物联网与5G通信网、北斗+地面通讯网等空地一体网”的建设。网络是系统运行的基础,所有的“智慧”都离不开网络,智慧城市建设需要强大的网络支持。低时延、高密度、广覆盖的网络,意味着更高效、更及时的资源利用,能为智慧城市的电网能源、交通、安防等方面提供了直接的解决方案,从而带来多方面的社会效益和经济效益。

三是云要能,提高端与平台之间的分析与落实能力,实现智能快速决策,形成“端+云+应用”三者的全闭环。便捷的云计算可以让大数据拥有更低的实现成本与更广泛的应用机会,而大数据发展又为AI发展奠定了数据基础。未来AI需要更加便捷、更加细致地深入智慧城市各个应用场景。从建设智慧城市的角度而言,这呼唤着城市云系统的进一步升级。

四是制要智,利用智能机器人以及3D打印等技术提高智能制造业的生产率。智慧城市建设离不开智慧产业、信息技术的支撑,将新一代信息技术与工业发展相融合,推动制造业的智能化、推动互联网和实体经济的深度融合是当前的发展趋势

五是才要多,增强学校和企业间的互动,完善智能化人才培养机制,同时推动企业人工智能人才能力再培训、再培养。智慧城市建设过程中需要大量创新型人才的参与。因此,我国高校在相关人才的培养方面,需要打破原来的学校独立培养人才的模式,实践新型的高校、企业和社会三方合作人才培养模式,加快对符合智慧城市发展需求的应用型人才的培养。

结语

城市从早期发展到完全成熟需要经过起步、策划、整合和转型4个阶段。城市管理者如果想要突破传统智慧城市的禁锢,并逐步转变升级为创新型智慧城市,不仅需要在整个建设过程中具备战略、数据、科技、能力、开放、生态、创新、方案以及安全这九个要素,同时还要与自身城市实际需求相结合,采用最佳战略布局。

本文转自:智慧城市高质量发展要下好创新先手棋

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从 1965 年创立至今,ADI 公司这家科技常青树在它的发展历程中取得了众多突破性成就,也充分展现出在不断变化的技术世界里取得成功所需要的敏捷性和创造性。在物联网越来越趋于高度互联化、高度智能化的当下,在传统厂商越来越重视高科技差异话的今天,这家“专注于高性能模拟技术,致力于建立一个连接物理世界与数字世界桥梁”的企业有怎样的战略布局和规划呢?从近期该公司总裁兼首席执行官 Vincent Roche 和 ADI 中国区总裁 Jerry Fan 在面对媒体采访的讲话中可找到清晰的蓝图,或许对当前中国科技行业企业公司战略部署和产品策略定位上具有参考价值。

专注模拟技术创新,抓住物联网时代的入口

“ADI最重要的一个核心战略就是创新——专注于高性能的模拟技术创新。”Vincent Roche 在面对媒体时这样清晰的表述了公司的战略,这个战略也准确踩中了当前科技发展的节拍——无论是物联网、大数据还是人工智能,自然信号采集的高性能处理都是至关重要的环节。

“当我们讲到高性能模拟技术,就会讲到这几个产品的系列:转换器(模拟转数字、数字转模拟)、放大器(把一个信号加强的功能)、数字处理器、射频、电源管理。这五种核心技术组成了我们高性能模拟技术的整个系列。 ”Vincent Roche表示。

无论物联网还是人工智能或者大数据,核心基础其实就是数据处理。事实上,解决数据处理基本上有两条途径,要么在云端或后端放入很大很强的计算能力做集中化数据处理,要么在入口端植入更多的协作处理。在ADI看来,后面更是一种大的趋势,这也将给该公司的业务发展带来极大的利好。在协作处理里面把人工智能进行分区化,在传感器这一端加入更多智能性的处理。这样一来,在数据采集和数据上送的时候就不是原始数据而是有效信息,对在云端的数据存储和数据处理的要求就没有那么强。

这种方式正在成为当前业界的一种大趋势,也是全球产业关注的热点,包括边缘计算和分布式计算大概都是这个趋势下的不同实现方法论吧。毫无疑问,占据数据采集端口的 ADI公司,在提供前端完整解决方案上具有相当大的优势。

聚焦优势领域,关注中国五大热点产业市场

2017年,中国零售市场总额已经达到或超过美国成为全球第一。假以不长的时日,相信在很多关键市场数据上中国将毫无意外的超越成为全球第一。毫无疑问,在全球衰退的市场条件下,庞大的中国市场以及 6.9% 的超高增量是所有企业必修重视的,其中就包括了ADI公司。“对于中国市场,ADI 的愿景是持续投入和发展。在过去的十几年,中国已经成为 ADI 全球市场中增长最快和最重要的地区。未来 ADI 将持续投入发展中国市场,支持十九大提出要建立‘创新型国家’和驱动中国科技创新进入新时代的国策。”Jerry 在《2018 领袖寄语:未来是一个“万能传感”时代》中指出。

按照ADI公司的技术优势和布局,将中国的“五个” 产业领域作为关注的焦点,未来充满了商机:
汽车无人驾驶,ADI认为这会带动整个汽车行业的发展和演变;

通讯,由两部分组成的,即5G通信基础设施加上在客户端上物联网的应用会共同推动通讯的发展;
能源,不仅是新能源的建立,还有如何储存能源,如何更有效地传输能源,这都是很重要的应用突破;
工业自动化,也是中国讲的“中国制造2025计划”,提高制造的效率、自动化程度和智能程度是很重要的机会;

医疗的数字化,医疗是技术发展、行业转型的重要领域。

“在技术领域突破方面,ADI在新能源汽车和工业自动化两个领域有很快速的增长。新能源汽车的电池监控和管理市场上,ADI拥有领先的技术优势和市场份额。国内的各种客户,汽车厂商和汽车零部件厂商都在做新能源车有效的电池系统,ADI帮助他们推动整个电池的有效管理。”Jerry Fan表示。

在新能源汽车领域需要一个核心技术即电池监控和管理,在这一技术方面ADI 在中国市场占有 80%~90% 的份额,几乎中国所有的电动汽车厂商都用到 ADI 的技术。

工业自动化在“中国制造2025”的宏大规划下,变得越发重要而让所有企业不可忽视。工业自动化要用很多的机器人,在生产的流程中要求更多的智能性和互联性。而帮助客户做自动化的信息采集和控制是 ADI 的优势,ADI可以通过有线与无线的方式在工业环境里实现信息采集与互联(同时能够完全克服噪声或无线信号的干扰,这对于很多公司来说是技术门槛)。在这方面,目前很多在前端做机器人、自动化设备的企业都需要 ADI 的帮助。在ADI 很少公开报道的合作项目中,大疆就是其直接客户(注:大疆除了做无人机,还做很多工业领域的控制设备)。

“ADI 在中国拥有技术实力雄厚的本地化研发团队,加上 ADI 完成了对 Linear 的收购,把高度互补的行业领先产品进行组合,将打造行业最全面的高性能模拟方案,为中国市场提供更具本土特色的技术解决方案。” Jerry 表示,“此外,通过和国内伙伴的合作,实现包括提供系统级方案以及生态链级的服务也是我们的重点,而且这将是未来 ADI 在中国发展的重要保障。”

万能传感的时代,ADI帮助企业迎接新挑战

ADI 将现阶段半导体技术的最大特征归属为“融合”二字,即 B2B 技术与个人消费电子技术正在加速融合。这种融合,包括很多面向消费电子应用所开发的技术被广泛拓展应用于其他领域中,包括工业、机器人、汽车、化学、生物医学等。因此,消费电子技术是推动 B2B 技术发展的一个重要驱动因素。

这一波技术趋势与传感器技术密切相关,所以 ADI 也称当前这个时代为“万能传感”时代——因为传感是用来做最重要的数据和信息采集的,这也是接下来所有智能设备做计算处理的前提,有了数据才可以做智能化、数字化的下一步工作。这一趋势也对传统的技术企业带来新的挑战,以工业物联网应用为例,通常他们需要解决除了要在传统的机器里面设计各种各样的传感器,还要把这些机器和传感器的数据信息全部连接起来。对大部分的企业来讲,这是非常困难的——难点不仅体现在数据采集上,还包括数据的连接和安全性,以及数据的高可靠性、高可用性。

要想实现工业物联网,除了让传感器能够获得很多数据外,这些数据还需要通过连接传到云端。但是,只有那些有用的、相关的数据对后台的决策才是最重要的,因此 ADI公司注重在传感器这一端集成很多智能性,在数据获得的过程中只将最为重要相关的数据传输到后台,这就减少了数据传输的压力,而且这些数据与后台决策是最相关、最有效的,从而加速后台决策速度。

对于汽车产业的企业也面临类似的挑战。以往,传统汽车厂商相互之间差异化的对比主要聚焦在汽车引擎技术上。而现在,传统汽车厂商间的竞争最重要的是怎样应用电子技术和信息技术实现差异化。

“原来车厂不是那么重视信息技术或半导体技术公司,但现在车厂直接跳过中间环节,与关键半导体技术的供应商直接建立关系。ADI 有各种各样的传感技术和关键的半导体技术,这也是为什么汽车厂商愿意和ADI建立直接战略合作的原因之一。ADI的其中一个合作伙伴就是奥迪。” Vincent Roche曾指出。在合作过程中,车厂和关键半导体技术供应商之间共同规划,设想十年以后这个市场会怎样发展,会需要什么样的技术才能够支持这样的市场发展,现在就开始共同研发。最终,双方的共同技术路线图能够支持整个市场未来的需求。

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传感器

传感器(Sensor)是一种常见的却又很重要的器件,它是感受规定的被测量的各种量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置。对于传感器来说,按照输入的状态,输入可以分成静态量和动态量。我们可以根据在各个值的稳定状态下,输出量和输入量的关系得到传感器的静态特性。

传感器的静态特性的主要指标有线性度、迟滞、重复性、灵敏度和准确度等。传感器的动态特性则指的是对于输入量随着时间变化的响应特性。动态特性通常采用传递函数等自动控制的模型来描述。通常,传感器接收到的信号都有微弱的低频信号,外界的干扰有的时候的幅度能够超过被测量的信号,因此消除串入的噪声就成为了一项关键的传感器技术。

物理传感器

物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某些物理效应,把被测量的物理量转化成为便于处理的能量形式的信号的装置。其输出的信号和输入的信号有确定的关系。主要的物理传感器有光电式传感器、压电传感器、压阻式传感器、电磁式传感器、热电式传感器、光导纤维传感器等。

作为例子,让我们来了解一下常用的光电式传感器。这种传感器把光信号转换成为电信号,它直接检测来自物体的辐射信息,也可以转换其他物理量成为光信号。其主要的原理是光电效应:当光照射到物质上的时候,物质上的电效应发生改变,这里的电效应包括电子发射、电导率和电位电流等。

显然,能够容易产生这样效应的器件成为光电式传感器的主要部件,比如说光敏电阻。这样,我们知道了光电传感器的主要工作流程就是接受相应的光的照射,通过类似光敏电阻这样的器件把光能转化成为电能,然后通过放大和去噪声的处理,就得到了所需要的输出的电信号。这里的输出电信号和原始的光信号有一定的关系,通常是接近线性的关系,这样计算原始的光信号就不是很复杂了。其它的物理传感器的原理都可以类比于光电式传感器。

物理传感器的应用范围是非常广泛的,我们仅仅就生物医学的角度来看看物理传感器的应用情况,之后不难推测物理传感器在其他的方面也有重要的应用。

比如血压测量是医学测量中的最为常规的一种。我们通常的血压测量都是间接测量,通过体表检测出来的血流和压力之间的关系,从而测出脉管里的血压值。测量血压所需要的传感器通常都包括一个弹性膜片,它将压力信号转变成为膜片的变形,然后再根据膜片的应变或位移转换成为相应的电信号。在电信号的峰值处我们可以检测出来收缩压,在通过反相器和峰值检测器后,种传感器外形我们可以得到舒张压,通过积分器就可以得到平均压。

让我们再了解一下呼吸测量技术。呼吸测量是临床诊断肺功能的重要依据,在外科手术和病人监护中都是必不可少的。比如在使用用于测量呼吸频率的热敏电阻式传感器时,把传感器的电阻安装在一个夹子前端的外侧,把夹子夹在鼻翼上,当呼吸气流从热敏电阻表面流过时,就可以通过热敏电阻来测量呼吸的频率以及热气的状态。

再比如最常见的体表温度测量过程,虽然看起来很容易,但是却有着复杂的测量机理。体表温度是由局部的血流量、下层组织的导热情况和表皮的散热情况等多种因素决定的,因此测量皮肤温度要考虑到多方面的影响。热电偶式传感器被较多的应用到温度的测量中,通常有杆状热电偶传感器和薄膜热电偶传感器。

由于热电偶的尺寸非常小,精度比较高的可做到微米的级别,所以能够比较精确地测量出某一点处的温度,加上后期的分析统计,能够得出比较全面的分析结果。这是传统的水银温度计所不能比拟的,也展示了应用新的技术给科学发展带来的广阔前景。

从以上的介绍可以看出,仅仅在生物医学方面,物理传感器就有着多种多样的应用。传感器的发展方向是多功能、有图像的、有智能的传感器。传感器测量作为数据获得的重要手段,是工业生产乃至家庭生活所必不可少的器件,而物理传感器又是最普通的传感器家族,灵活运用物理传感器必然能够创造出更多的产品,更好的效益。

光纤传感器近年来,传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中,光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能,例如:抗电磁干扰和原子辐射的性能,径细、质软、重量轻的机械性能,绝缘、无感应的电气性能,耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等,它能够在人达不到的地方(如高温区),或者对人有害的地区(如核辐射区),起到人的耳目的作用,而且还能超越人的感官界限,接收人的感官所感受不到的外界信息。

光纤传感器是最近几年出现的新技术,可以用来测量多种物理量,比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等,还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里,在强电磁干扰和高电压的环境里,光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种,大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。

所谓光纤自身的传感器,就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化,从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉(比较),使输出的光的相位(或振幅)发生变化,根据这个变化就可检测出被测量的变化。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高,利用干涉技术能够检测出10的负4次方弧度的微小相位变化所对应的物理量。利用光纤的绕性和低损耗,能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈,以增加利用长度,获得更高的灵敏度。

光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时,就会产生微弯曲,而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波,它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲,通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种,与激光陀螺相比,光纤陀螺灵敏度高,体积小,成本低,可以用于飞机、舰船等的高性能惯性导航系统。如图就是光纤传感器涡轮流量计的原理。

另外一个大类的光纤传感器是利用光纤的传感器。其结构大致如下:传感器位于光纤端部,光纤只是光的传输线,将被测量的物理量变换成为光的振幅,相位或者振幅的变化。在这种传感器系统中,传统的传感器和光纤相结合。光纤的导入使得实现探针化的遥测提供了可能性。这种光纤传输的传感器适用范围广,使用简便,但是精度比第一类传感器稍低。

光纤在传感器家族中是后起之秀,它凭借着光纤的优异性能而得到广泛的应用,是在生产实践中值得注意的一种传感器。

仿生传感器

仿生传感器,是一种采用新的检测原理的新型传感器,它采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合组成传感器。这种传感器是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来的一种新型的信息技术。这种传感器的特点是机能高、寿命长。在仿生传感器中,比较常用的是生体模拟的传感器。

仿生传感器按照使用的介质可以分为:酶传感器、微生物传感器、细胞器传感器、组织传感器等。仿生传感器和生物学理论的方方面面都有密切的联系,是生物学理论发展的直接成果。在生体模拟的传感器中,尿素传感器是最近开发出来的一种传感器。下面就以尿素传感器为例子介绍仿生传感器的应用。

尿素传感器,主要是由生体膜及其离子通道两部分构成。生体膜能够感受外部刺激影响,离子通道能够接收生体膜的信息,并进行放大和传送。当膜内的感受部位受到外部刺激物质的影响时,膜的透过性将产生变化,使大量的离子流入细胞内,形成信息的传送。其中起重要作用的是生体膜的组成成分膜蛋白质,它能产生保形网络变化,使膜的透过性发生变化,进行信息的传送及放大。生体膜的离子通道,由氨基酸的聚合体构成,可以用有机化学中容易合成的聚氨酸的聚合物(L一谷氨酸,PLG)为替代物质,它比酶的化学稳定性好。PLG是水溶性的,本不适合电机的修饰,但PLG和聚合物可以合成嵌段共聚物,形成传感器使用的感应膜。

生体膜的离子通道的原理基本上与生体膜一样,在电极上将嵌段共聚膜固定后,如果加感应PLG保性网络变化的物质,就会使膜的透过性发生变化,从而产生电流的变化,由电流的变化,便可以进行对刺激性物质的检测。

尿素传感器经试验证明是稳定性好的一种生体模拟传感器,检测下限为10的负3次方的数量级,还可以检测刺激性物质,但是暂时还不适合生体的计测。

目前,虽然已经发展成功了许多仿生传感器,但仿生传感器的稳定性、再现性和可批量生产性明显不足,所以仿生传感技术尚处于幼年期,因此,以后除继续开发出新系列的仿生传感器和完善现有的系列之外,生物活性膜的固定化技术和仿生传感器的固态化值得进一步研究。

在不久的将来,模拟生体功能的嗅觉、味觉、听觉、触觉仿生传感器将出现,有可能超过人类五官的敏感能力,完善目前机器人的视觉、味觉、触觉和对目的物进行操作的能力。我们能够看到仿生传感器应用的广泛前景,但这些都需要生物技术的进一步发展,我们拭目以待这一天的到来。

红外传感器

红外技术发展到现在,已经为大家所熟知,这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统,按照功能能够分成五类:

(1)辐射计,用于辐射和光谱测量;
(2)搜索和跟踪系统,用于搜索和跟踪红外目标,确定其空间位置并对它的运动进行跟踪;
(3)热成像系统,可产生整个目标红外辐射的分布图象;
(4)红外测距和通信系统;
(5)混合系统,是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。

红外系统的核心是红外探测器,按照探测的机理不同,可以分为热探测器和光子探测器两大类。下面以热探测器为例子来分析探测器的原理。

热探测器是利用辐射热效应,使探测元件接收到辐射能后引起温度升高,进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化,便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射,引起非电量的物理变化时,可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。

电磁传感器

磁传感器是最古老的传感器,指南针是磁传感器的最早的一种应用。但是作为现代的传感器,为了便于信号处理,需要磁传感器能将磁信号转化成为电信号输出。应用最早的是根据电磁感应原理制造的磁电式的传感器。这种磁电式传感器曾在工业控制领域作出了杰出的贡献,但是到今天已经被以高性能磁敏感材料为主的新型磁传感器所替代。

在今天所用的电磁效应的传感器中,磁旋转传感器是重要的一种。磁旋转传感器主要由半导体磁阻元件、永久磁铁、固定器、外壳等几个部分组成。典型结构是将一对磁阻元件安装在一个永磁体的刺激上,元件的输入输出端子接到固定器上,然后安装在金属盒中,再用工程塑料密封,形成密闭结构,这个结构就具有良好的可靠性。磁旋转传感器有许多半导体磁阻元件无法比拟一款电磁传感器的外形的优点。除了具备很高的灵敏度和很大的输出信号外,而且有很强的转速检测范围,这是由于电子技术发展的结果。另外,这种传感器还能够应用在很大的温度范围中,有很长的工作寿命、抗灰尘、水和油污的能力强,因此耐受各种环境条件及外部噪声。所以,这种传感器在工业应用中受到广泛的重视。

磁旋转传感器在工厂自动化系统中有广泛的应用,因为这种传感器有着令人满意的特性,同时不需要维护。其主要应用在机床伺服电机的转动检测、工厂自动化的机器人臂的定位、液压冲程的检测、工厂自动化相关设备的位置检测、旋转编码器的检测单元和各种旋转的检测单元等。

现代的磁旋转传感器主要包括有四相传感器和单相传感器。在工作过程中,四相差动旋转传感器用一对检测单元实现差动检测,另一对实现倒差动检测。这样,四相传感器的检测能力是单元件的四倍。而二元件的单相旋转传感器也有自己的优点,也就是小巧可靠的特点,并且输出信号大,能检测低速运动,抗环境影响和抗噪声能力强,成本低。因此单相传感器也将有很好的市场。

磁旋转传感器在家用电器中也有大的应用潜力。在盒式录音机的换向机构中,可用磁阻元件来检测磁带的终点。家用录像机中大多数有变速与高速重放功能,这也可用磁旋转传感器检测主轴速度并进行控制,获得高画面的质量。洗衣机中的电机的正反转和高低速旋转功能都可以通过伺服旋转传感器来实现检测和控制。

这种开关可以感应到进入自己检验区域的金属物体,控制自己内部电路的开或关。开关自己产生磁场,当有金属物体进入到磁场会引起磁场的变化。这种变化通过开关内部电路可以变成电信号。

更加突出电磁传感器是一门应用很广的高新技术,国内、国外都投入了一定的科研力量在进行研究,这种传感器的应用正在渗透入国民经济、国防建设和人们日常生活的各个领域,随着信息社会的到来,其地位和作用必将。

磁光效应传感器

现代电测技术日趋成熟,由于具有精度高、便于微机相连实现自动实时处理等优点,已经广泛应用在电气量和非电气量的测量中。然而电测法容易受到干扰,在交流测量时,频响不够宽及对耐压、绝缘方面有一定要求,在激光技术迅速发展的今天,已经能够解决上述的问题。

磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。激光,是本世纪六十年代初迅速发展起来的又一新技术,它的出现标志着人们掌握和利用光波进入了一个新的阶段。由于以往普通光源单色度低,故很多重要的应用受到限制,而激光的出现,使无线电技术和光学技术突飞猛进、相互渗透、相互补充。现在,利用激光已经制成了许多传感器,解决了许多以前不能解决的技术难题,使它适用于煤矿、石油、天然气贮存等危险、易燃的场所。

如说用激光制成的光导纤维传感器,能测量原油喷射、石油大罐龟裂的情况参数。在实测地点,不必电源供电,这对于安全防爆措施要求很严格的石油化工设备群尤为适用,也可用来在大型钢铁厂的某些环节实现光学方法的遥测化学技术。

磁光效应传感器的原理主要是利用光的偏振状态来实现传感器的功能。当一束偏振光通过介质时,若在光束传播方向存在着一个外磁场,那么光通过偏振面将旋转一个角度,这就是磁光效应。也就是可以通过旋转的角度来测量外加的磁场。在特定的试验装置下,偏转的角度和输出的光强成正比,通过输出光照射激光二极管LD,就可以获得数字化的光强,用来测量特定的物理量。

自六十年代末开始,RCLecraw提出有关磁光效应的研究报告后,引起大家的重视。日本,苏联等国家均开展了研究,国内也有学者进行探索。磁光效应的传感器具有优良的电绝缘性能和抗干扰、频响宽、响应快、安全防爆等特性,因此对一些特殊场合电磁参数的测量,有独特的功效,尤其在电力系统中高压大电流的测量方面、更显示它潜在的优势。同时通过开发处理系统的软件和硬件,也可以实现电焊机和机器人控制系统的自动实时测量。在磁光效应传感器的使用中,最重要的是选择磁光介质和激光器,不同的器件在灵敏度、工作范围方面都有不同的能力。随着近几十年来的高性能激光器和新型的磁光介质的出现,磁光效应传感器的性能越来越强,应用也越来越广泛。

磁光效应传感器做为一种特定用途的传感器,能够在特定的环境中发挥自己的功能,也是一种非常重要的工业传感器。

压力传感器

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的,这样的传感器也称为压电传感器。

我们知道,晶体是各向异性的,非晶体是各向同性的。某些晶体介质,当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时,就产生了极化效应;当机械力撤掉之后,又会重新回到不带电的状态,也就是受到压力的时候,某些晶体可能产生出电的效应,这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体,压电效应就是在这种晶体中发现的,在一定的温度范围之内,压电性质一直存在,但温度超过这个范围之后,压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低),所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数,但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体,能够承受高温和相当高的湿度,所以已经得到了广泛的应用。

在现在压电效应也应用在多晶体上,比如现在的压电陶瓷,包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用,特别压电传感器的外形是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业,例如用它来测量枪炮在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力,也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中,比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的,因为测量动态压力是如此普遍,所以压电传感器的应用就非常广泛。

除了压电传感器之外,还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器,利用应变效应的应变式传感器等,这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料,在不同的场合能够发挥它们独特的用途。

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