Pametni senzorji za internet stvari na sejmu electronica 2018
Messe München GmbH
2018_268_5
Multisenzorji MEMS, sistemi kognitivnih senzorjev in detektorji velikosti prašnih delcev iz razpršilne posode: novi inteligentni senzorji lahko naredijo veliko več, kot meritve. Vedno bolj prevzemajo naloge za obdelavo signalov in komuniciranje znotraj brezžičnih omrežij. V prihodnosti bodo sposobni delovati samostojno in predvidevati ter se bodo sposobni učiti.
Naj bo v proizvodnji vozil, strojništvu ali kemični industriji, postopki Industrije 4.0 se običajno začnejo s senzorji, ki nekaj merijo in zagotavljajo podatke. Majhne komponente, ki so znane tudi kot „snemalniki“ ali „detektorji“, pretvorijo fizične, kemične, magnetne in številne druge izmerjene spremenljivke v električne signale. Senzorji za več kot 100 izmerjenih spremenljivk, kot so temperatura, vlaga, pospešek, tlak, svetlost, napetost in pH, so že na voljo na trgu ali se razvijajo. Kot majhni elektronski senzorični organi omogočajo strojem, da „vidijo“, „slišijo“ in „občutijo“.
Distribuirano računanje: procesiranje podatkov znotraj senzorja
Industrija zahteva senzorje, ki lahko storijo veliko več kot preprosto pretvoriti izmerjene spremenljivke v tokove 4 do 20 miliamperov (mA) in zagotoviti terabite podatkov, ki jih je treba analizirati nekje drugje. Vsa pripravljanja signala in velik del ocenjevanja signala morajo potekati v samem senzorju. Pametni senzor, kot je ta, prenaša samo ustrezne informacije. Decentralizirana obdelava podatkov na robu omrežja, ki pomaga ohranjati vire, je znano kot mejno računanje. Analiza podatkov v senzorju ima številne prednosti. Na primer, anomalije lahko hitro ugotovimo in napovemo dogodke.
Kognitivni senzorski sistemi
Senzorji se razvijajo iz sistemov, namenjenih izključno merjenju v kompleksne, kognitivne sisteme z integrirano obdelavo signalov, ki delujejo skupaj v brezžičnih omrežjih. Komunicirajo z drugimi senzorji, stroji in človeškimi kolegi. Spremljajo svoje okolje in, če procesi izginejo, to zgodaj signalizirajo na višje ravni.
Hkrati senzorji delujejo vedno bolj avtonomno in predvidljivo. V prihodnosti bodo lahko sami spremljali, kalibrirali in se ponovno konfigurirali. Strojno učenje bo igralo vlogo tudi v senzorskih sistemih. Inteligentni senzorji bodo uporabili empirično znanje, da bi identificirali vzorce in trende iz signalov in se stalno prilagajali zahtevam procesa. Interakcija človek-stroj ponuja tudi potencial. V prihodnosti bi senzorje lahko nadzirali z glasom ali gestami.
Proizvajalci avtomobilov so med pionirji pri uporabi inteligentnih senzorjev. „Sistemi kognitivnih senzorjev bodo imeli osrednjo vlogo pri avtonomni vožnji in tudi na drugih področjih, na primer pri odkrivanju, kdaj je voznik utrujen,“ je povedal Albert Heuberger, vodja Fraunhoferjevega inštituta za integrirana vezja IIS (na sejmu electronica, dvorana C5, stojnica 426) . Z uporabo senzorja je mogoče zaznati voznikovo razpoloženje. Po besedah Heubergerja bi lahko avto samodejno reagiral – v najpreprostejšem primeru s spremembo programa zabave ali prilagajanjem dinamike šasije.
MEMS multisenzorji in novi senzorski materiali
V svoji študiji »Sensor Technologies 2022« združenje AMA za senzorje in meritve opisuje prihodnje trende na področju senzorskih sistemov: senzorji MEMS še vedno ponujajo velik razvojni potencial. Mikro-elektro-mehanski sistemi (MEMS) združujejo dve ali več mikroelektronskih in mikromehanskih funkcij v eni komponenti. Najnovejši razvoj se osredotoča na multisenzorje, ki lahko istočasno merijo številne fizikalne, kemične ali biološke spremenljivke.
Najpogostejše aplikacije MEMS vključujejo senzorje položaja in pospeška, visokofrekvenčne filtre MEMS (RF-MEMS), mikrofone in senzorje tlaka. Svetovni tržni vodja za senzorje MEMS Bosch (Bosch Sensortec, electronica, Hall C3, Stand 522) je razvil MEMS senzor pospeška, imenovan BMA400 za nosljive materiale in aplikacije interneta stvari (IoT). Uporablja desetkrat manj električne energije kot drugi senzorji pospeška. Drugi veliki igralci na trgu MEMS so STMicroelectronics (electronica, dvorana C3, stojnica 101) in Texas Instruments (electronica, dvorana C4, stojnica131).
Trenutno se silicij uporablja predvsem kot senzorski material. S tem materialom se lahko mikromehanske strukture, kot so vzmeti, membrane ali palice, nahajajo v prostorih, ki merijo samo tisočine milimetrov. Zanimiva je tudi uporaba alternativnih osnovnih materialov, kot so keramične ali polimerne folije.
Senzorski filmi in virtualni senzorji
Snemanje zračno ali prostorsko porazdeljenih merilnih podatkov je dodaten izziv za senzorske sisteme. Primeri vključujejo niz uporovnih ali piezoelektričnih senzorjev na folijah, optične postopke in impedančno spektroskopijo. Vedno bolj se bodo uporabljali senzorji z brezkontaktnimi merilnimi načeli, na primer optični ali magnetni senzorji. Energetsko neodvisni senzorji, ki pridelujejo energijo, ki jo potrebujejo za delovanje iz okolja (energijsko nabiranje), ali virtualni senzorji, ki merijo, kar dejansko ni mogoče izmeriti, imajo tudi razvojni potencial.
Mini dinamometer zazna torzijo
Napredek v mikro in nanotehnologiji pomaga pri miniaturizaciji senzorjev in omogoča inovativne fizične merilne učinke. Inštitut za sisteme senzorjev in aktuatorjev na TU Dunaju je razvil zelo kompaktni čip dinamometra, ki je premera manj kot desetina milimetrov. Poseben senzor meri smer sile v vseh treh prostorskih dimenzijah in celo zazna torzijo, tj. prostorsko zvijanje.
Če se uporabi sila, se okvir čipa zvije. Na sredini je križno oblikovana struktura, sestavljena iz silicijevih žic – tanke kot noge muhe. Frekvenca vibracij te silicijeve strukture se spremeni takoj, ko na senzor deluje sila. „Frekvenca vibracij se lahko meri v nekaj Hertzih. Kot rezultat lahko upogibanje na čipu merimo z nanometrsko natančnostjo, „je pojasnil projektni sodelavec Alexander Dabsch. Mini dinamometer bi lahko izboljšal atomske mikroskope ali omogočil robotom, da delajo z občutljivimi predmeti z dodatno občutljivostjo.
Inteligentni prah: senzorji iz pločevinke
Inštitut za tehnologijo v Massachusettsu (MIT) je razvil senzorske čipe velikosti prašnih delcev, ki ga je mogoče razpršiti v zrak z atomizerjem. Tu so bili uporabljeni molibden sulfid, volframov diselenid, zlato in srebro. Ekipa MIT, ki jo je vodil Volodimir Koman, je zgradila module, sestavljene iz senzorskih plasti, fotodiode kot vir energije in memristorja. Drobne senzorske module porazdelijo v tekočino in jih razpršijo v posodo s pomočjo pršilke. Posledično je upadel električni upor memristorja. Laserski žarek je nato pregledal module. Z uporabo merilnih podatkov se lahko določi koncentracija snovi, ki jo je treba izmeriti. Možne aplikacije za miniaturni senzor vključujejo merjenje škodljivih snovi v zraku in v vodi. Če se modul lahko še naprej miniaturizira, bi lahko inteligentni prah dihali ali ga vbrizgali v krvni obtok, da bi pomagal pri diagnosticiranju bolezni.
Varnost za senzorje
Senzorji so tudi ranljivi za napad. Kriminalni hekerji lahko manipulirajo s signali, ki jih mora zaznati senzor, ali senzor napadajo s signali, za katere ni načrtovan. Hekerji lahko tudi napadajo povezavo med senzorjem in ugnezdenim sistemom. Raziskovalci na Univerzi v Michiganu in Univerzi v Južni Karolini so pokazali, kako senzorji gibanja MEMS lahko manipulirajo z zvokom. Yongdae Kim iz Korejskega naprednega inštituta za znanost in tehnologijo je s pomočjo zvoka zrušil drone med letom. Senzor srčnega ritma lahko prevaramo z laserjem. Varnostne službe bodo zato v prihodnje namenile posebno pozornost temu majhnemu pripomočku.
electronica 2018: prihodnost senzorskih sistemov
Na sejmu electronica bo 167 mednarodnih razstavljavcev predstavilo inovativne rešitve za spodbujanje razvoja senzorskih sistemov. Senzorji bodo ključna tema na konferenci o elektronskih ugnezdenih platformah in konferenci o medicinski elektroniki.
