Jun 27 2015

科学微讲堂之“IC卡的应用”

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科学成就梦想,科学铸就辉煌,我们用科学的视角解读你生活中的千姿百态,让你这学会科学的生活,里是黑龙江大学有线广播台技术部每周六午与您不见不散的科学微讲堂,我是莹莹。又是一年毕业季,毕业分开的毕业生想必用的最多的联系方式就是手机了吧,我想几年后我们毕业的时候或许可以用上一种叫做传感器的东西呢。今天要带大家解读传感器的奥妙。
首先,传感器指的是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成,有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号,本身就构成传感器。
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。
传感器的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。
通常情况下,传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中,为使仪表具有均匀刻度的读数,常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。
传感器就是利用一定规律把被检测量转换成便于处理的其他物理量的器件,譬如尺子就是一种非常简单的传感器,它按照一定的间隔标出尺度,尺度就是一定的规律,然后按照这个规律去量物体的长度,而得出便于应用的数字距离。
比如光敏电阻,它是一种光电转换器,用特定的材料制成使它的阻值在光的影响下在一定的范围内呈正比例变化。要想了解传感器,先要确定想了解的传感器所应用的范围,再深入学习。不过,归根到底传感器的根本原理就是利用一定规律把被检测量转换成便于处理的其他物理量,都要有一个存在于传感器自身的特定规律。
随着智能手机等功能强大的智能设备不断进步,新的应用层出不穷,系统开发经常跟不上不断变化的新要求。如今,诸如室内导航和增强现实等使用运动或位置数据的新应用,都要求用户接受原本是为简单游戏应用开发的、不太完美的传感器融合。但是,最终用户很容易发现这些实现具有相当多的缺点,并且精度很低。
传感器融合是一种创新的工程技术,通过整合来自各种系统传感器的数据,来保证更加精确、完整和可靠的传感器信号或感知信息。要想实现始终精确的传感器融合,工程师在决定如何优化整合来自这些传感器的数据之前,深入理解传感器的优缺点很重要。一种可成功实现的方法是使用基于加速度计、磁力计和陀螺仪等传感器信号的融合数据库,并通过补偿每种传感器的缺点,来提供高精度、可靠和稳定的方位数据。
随着最终用户不断接触到这些新的应用,他们希望能有更加精确和可靠的解决方案。将传感器用于在已知固定位置之间跟踪用户的室内导航与早期的GPS设备非常类似,只有质量优异的传感器融合,才可以提供所要求的逼真度、精度乃至用户信心。厂商都明白这一点,因此大多数厂商都认为这是实现产品差异化的良好契机。
另外一个例子是从虚拟现实到增强现实的进步。在虚拟现实(VR)系统中,用户与现实世界相隔离,沉浸于一个人造世界中。而在增强现实(AR)系统中,用户仍能与现实世界相接触,同时又能与他们周围的虚拟物体进行互动。利用现有的技术,信息传送的延迟对用户来说是不能忍受的-增强现实中的这种错位可能导致非常糟糕的用户体验。
摄像头系统通过跟踪物体上的标记根据物体(智能手机)的运动产生方位矢量,这些矢量再与手机中传感器创建的矢量进行比较。数据记录应用程序对这些矢量进行同时记录,该应用程序支持最终用户设备的直接比较。
一直以来,传感器技术就被广泛地应用在日常信息、通讯、汽车、医疗等外围精密设备上,其中又以汽车工业作为车用传感器产品最为突出,一般使用在车上的传感器是以行车计算机系统作为输入装置,它将汽车运行中各种工作状况信息,包括:车速、车况及各种介质的温度、发动机运转工作状况及路面信息等,转化成电讯号输给计算机,以便发动机处于最佳工作状态、排放废气污染为最小,及车身稳定控制使行车最安全,是汽车电子控制系统的关键组件,也是汽车电子技术领域研究主要核心。
传感器、通信及计算机被称为现代信息系统的三大支柱。传感器技术发展与应用也成为衡量一个国家信息化程度的重要标志。但目前国内传感器产业化水平不能适应市场快速变化和急剧增长的需求,导致我国传感器行业发展较缓。
在中国从“制造大国”向“制造强国”转型过程中,传感器产业能否加快推进?由工信部电子元器件行业发展研究中心、科技部中国科技产业化促进会等单位联合主办的中国传感器产业化推进大会近日在江苏张家港举办。中国工程院院士、清华大学教授尤政建议,“要实现我国从制造大国到制造强国的跨越式发展,必须加强传感器产业的整体布局,把传感器列为国家目标,成为国家战略项目。”
工信部原副部长杨学山在致辞中阐述了传感器产业发展的3个关键词:即位置、特征、环境。他说,无论是在信息技术体系,还是经济社会转型发展中,传感器具有多样化与协同性的特征,特别适合大众创业、万众创新。
谈及传感器产业发展的重要性,杨学山指出,完整的信息技术由处理、传输、感知、行为、内容、系统等组成。在这6个组成部分中,后面4个要素,即感知、行为、内容、系统是当前需要快速发展的。尤其是感知技术,是信息技术的基础部分,没有感知,就没有信息的来源。同样,从经济社会发展转型的角度看,无论是工业4.0,还是智能制造,如果没有传感技术,工业的转型升级就失去了基础。
从产业技术特征看,传感技术与其他信息技术产业有很大不同:不是围绕一个物理规律、技术方向来发展的,其典型特征是多样化,无论是感知广阔的宇宙、生物体的辨识,还是应用于环境领域,遵循着不同的物理规律,沿着不同的方向发展。
杨学山表示,目前,很多产业产能过剩,下一步,转型升级往哪走?传感器技术产业是很好的选择。
随着国内产业结构调整与转型升级加速,传感器在汽车、家电、装备类、医疗、环保等领域的应用大幅增加。在农业、环保、医疗卫生以及食品检测类方面,特别是物联网技术的应用可以用"突如其来、无法估量"来形容。
工信部电子元器件行业发展研究中心总工程师郭源生指出,未来5年内,全球传感器复合年增长率预计将超过10%,2015年全球市场将达到1770亿美元,受可穿戴、智能制造技术加快和全球经济复苏等因素的影响,市场需求可能出现更大幅度增长。
但与巨大的市场需求相比,现阶段我国市场主要应用的传感器绝大部分仍要依赖于进口。郭源生告诉记者,同国际先进水平相比,新品研制仍落后 5~10 年,而产业化规模生产技术工艺则落后10~15 年。
目前,我国传感器企业有1600多家,大都为小微企业;产值过亿的企业仅占总企业数量的13%, 全国不足200家;产品种类齐全的专业厂家不足3%。长期以来,行业整体技术分散、规模偏小、呼声偏弱、认知不够;产业分散、管理分散、政策支持分散,缺乏统筹规划、顶层设计;缺乏合理资源配置和强大政策扶持,标准体系不完备等因素,是制约传感器产业化发展的成因。
针对当前我国传感器发展现状,郭源生提出了打造国际化“双生态”产业链,推进传感器产业“集群式”发展的战略构想:在国内适合地区,打造自然环境良好、产业环境优越的“双生态”产业链,即国际化的传感器产业园——中国“传感谷”。其预期目标是,实现年销。从顶层设计看,由于行业归口管理与协调机制不全,在传感器行业,形成多头管理现象。对此,中国科技产业化促进会科技产业促进委员会主任董永生接受记者采访时表示,“目前,我国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展转型的关键阶段,部分传感器企事业单位和科研院所也研究出了诸多科技成果。科技成果的产业化推进是行业发展的重中之重。”他认为,科技计划的政策和资金支持,是推进传感器相关企业自主创新和产业化的主要力量之一。
“随着我国科技计划体制改革的不断深入,将会为企业带来新的发展机遇。”董永生建议,作为传感器企业,不但要争取国家政策的支持,还要在商业模式、人才培养等方面加强建设,提高产业竞争力,加大产业化力度,创造经济社会价值。
针对当前我国传感器发展现状,郭源生提出了打造国际化双生态产业链,推进传感器产业集群式发展的战略构想。
按照战略规划,要在国内外现有企业、人才、技术、市场等资源基础上,结合国内区位优势、政策优势,通过政产学研用服立体化发展和推动,以及国际交流与协作、人才引进与培养等形成对接平台,整合国际产品开发、检测、标准、市场应用等技术,在国内适合地区,打造一个自然环境良好、产业环境优越的双生态产业链,即国际化的传感器产业园——中国传感谷。其预期目标是,实现年销售额2000亿元以上,并以年度大于20%速度增长。
得益于物联网技术支持,智能家居产业得以快速发展,产业概念逐渐落地。在传统家居像智能家居过渡的同时,我们的生活正被智能团团包围。熟悉物联网的人都知道,此产业链可细分为标识、感知、处理和信息传送4个环节,而处于几大环节中最底层的标识(信息采集)与我们生活最为贴近。在利用信息的过程中,首先要解决的问题就是要获取准确可靠的信息,而传感器就是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段,其扮演着不可或缺的角色。作为物联网的子行业,智能家居也是物物相联的互联网络。
有人将传感器比作智能家居网络的神经末梢,因为智能家居系统是通过各种类型的传感器,获得家居环境的实时数据,并调用为家电设备,利用负反馈的控制系统,保持家居系统始终处于使人感觉最安全、舒适、环保的状态。所以在标识环节中,传感器的作用不可小觑,而在物联网的每个环节中主要涉及的关键技术包括传感器、射频识别、传感器网络、网络通信等几大类技术,本文将从传感器技术为切入点,进行传感器技术、应用用与市场剖析。
众所周知,真正的家居智能化仅靠智能手机和智能路由是远远不够的,真正的智能家居还需要大量的传感器作为支持,否则,智能手机、智能路由也不能感知用户真实情况。
传感器在智能家居中的应用,仔细去看目前市场上的智能家居产品,其实各企业对智能家居的做法基本一致:使用硬件作为接入点,通过传感器或者其他方式搜集设备数据、用户使用数据,然后利用后端的大数据、优秀算法,突破屏幕以及键盘的范畴,将更加个性化和符合个人需求的互联网服务带入家庭的方方面面。
从这里我们可以看出,企业加大在传感器产品层面上的研究,是做出一个“好产品”的前提。
传感器市场潜力,近年来,全球传感器市场一直保持快速增长,2012年全球传感器市场规模已达到952亿美元,2013年约为1055亿美元。未来,随着经济环境的持续好转,市场对传感器的需求将不断增多
由物联网引领的智能交通、智能家居、智能电网等智能化产业的发展,将极大推进传感器行业的壮大。据悉,预计到2020年,仅气体传感器产业规模就将达到600亿元以上。
近年来智能家居领域“大动作”频频,去年谷歌32亿美元收购Nest,今年微信在和智能家居结合,包括电信运营商、设备商在内,各方争相开发智能路由器为智能家居构建发展基础。智能家居的大热也为传感器市场带来更多发展机遇。
但国内传感器却存在诸多问题,智能家居在近两年的热炒下,业界普遍认为产业已经处于台风口,但是,笔者在此不得不给产业浇上一瓢冷水。多方资料查证下,得出结论:智能家居核心元件传感器领域国内技术仍比较落后。数据显示,国内传感器品种在6000种左右,而国外已超过20000种。国内中高端传感器进口占比达80%,传感器芯片进口更是高达90%,其中数字化、智能化、微型化等高新技术产品更是严重短缺。
随着物联网的大力发展,相关的传感器的技术需求也在飞速提升,其中,压力传感器作为传感器系统的重要一环,正在发生着一些细微但可预见的趋势,
第一,小型化目前市场对小型压力传感器的需求越来越大,小型传感器可以工作在极端恶劣的环境下,并且只需要很少的保养和维护,对周围的环境影响也很小,可以放置在人体的各个重要器官中收集资料,不影响人的正常生活。
第二,智能化由于集成化的出现,在集成电路中可添加一些微处理器,使得传感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。
第三,标准化传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如ISO国际质量体系;美国的ANSI、ASTM标准、俄罗斯的OCT、日本的JIS标准。
第四,集成化压力传感器已经越来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可提高操作速度和效率。
第五,广泛化压力传感器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展,例如:汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。
无论是在信息技术体系,还是在经济社会转型发展中,传感器都起着重要的作用。随着工业数字化、智能化发展,传感器在行业发展中的应用越来越广泛,随着新一轮工业革命的兴起,传感器产业市场前景不可估量。近年来我国传感器市场发展也比较迅猛,增速超过了15%。但是专家表示,目前我国传感器技术并不成熟,在国际竞争中并不占优势。
传感器是将外界的各种信息转换为可测量可计算的电信号,经过设置的程序输出结果,发送指令使各种事物可以不由人控制而只是由外界条件的变化自觉地调整行为。随着新一轮工业革命的兴起,传感器产业市场前景不可估量。
听了以上的说明,相信大家一定对传感器也有一定的了解了,希望大家多多发现生活中的科学。并将其加以利用,为自己的生活创造更多的财富!
好啦,今天的节目就到这里啦。莹莹祝大家生活愉快。我们下学期再见!


正文部分到此结束

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