穿戴式温度传感器

国外媒体报道，微软Xbox业务负责人Don Mattrick日前在公司内部的TechForum大会上表示未来十年可穿戴式智能设备会迅速发展，他认为未来我们至少会在身上穿着10个传感器，用于收集各种信息。　　这十个传感器会包含哪些？虽然Don Mattrick并未详细介绍，但我们现在就可以根据已有的信息进行一番合理的YY。　　光从手机来看，至少就有摄像头、GPS芯片、重力加速度传感器、光线感应器等。　　而炒了很久一直未上市的Google Glass将是穿戴式智能设备的一大方向，它具有拍照、声控、视频通话等功能，还可以接入网络。相比手机，Google Glass需要实时监测使用者的动作和位置，需要更多的传感器，所以摄像头、加速传感器、指南针、陀螺仪之类更少不了，而且还会更精密。　　至于近段时间广受关注的智能手表，更是各种传感技术的高度集成。例如手表的体积小，没有大尺寸的触屏供你操作，各种功能的实现需要更加精确的动作感应来实现。即使离开智能的概念，现有的手表早就开始集成气压/高度/水深计、温度计、罗盘、血压计、重力感应器、太阳能面板、红外发射器、电波接收器等。　　从微软方面来看，虽然目前没有穿戴式设备的具体消息放出，但相关的储备技术已经有了不少。例如微软在测试一个名为Joule的心脏检测仪，内置触摸屏和GPS、蓝牙等功能，戴在手腕上，即可用于健身也可用于医疗。　　微软Xbox 360的Kinect体感外设大家已经很熟悉了，它其中就集成了包括激光测距仪和3D摄像头等设备。传言称微软有一个叫Project Fortaleza的研究计划，是一个类似Google Glass的眼镜，但技术更进一步，具有增强现实的功能，可以配合Kinect在Xbox上实现更酷的游戏体验。　　不过谁知道这项技术会不会扩展到更广泛的用途中呢，Kinect最早也是只用在游戏中，现在不也在医疗和工程等行业里得到应用了吗？　　除了这些硬的东西，微软在线服务部门总裁Qi Lu还透露未来会为穿戴式智能设备**特别优化的Bing搜索服务，并且这些设备的用户与好友进行信息的分享。

智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。对某些智能温度传感器而言，主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率(典型产品为MAX6654)，分辨力及最大转换时间(典型产品为DS1624)。 　　能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。智能温度控制器适配各种微控制器，构成智能化温控系统；它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪。 2.3总线技术的标准化与规范化 　　目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。 2.4可靠性及安全性设计 　　传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。新型智能温度传感器(例如TMP03/04、LM74、LM83)普遍采用了高性能的Σ－Δ式A／Ｄ转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨力。Σ－Δ式A／D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低；由于采用了数字反馈方式，因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度的转换精度。这种智能温度传感器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。 　　为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作，在AD7416/7417/7817、LM75／76、MAX6625／6626等智能温度传感器的内部，都设置了一个可编程的“故障排队(fAultqueue)”计数器，专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n(n=1~4)时，才能触发中断端。若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。这意味着假定n=3时，那么偶然受到一次或两次噪声干扰，都不会影响温控系统的正常工作。 　　LM76型智能温度传感器增加了温度窗口比较器，非常适合设计一个符合ACPI(AdvAnced ConfigurAtion And Power InterfAce，即“先进配置与电源接口”)规范的温控系统。这种系统具有完善的过热保护功能，可用来监控笔记本电脑和服务器中CPU及主电路的温度。微处理器最高可承受的工作温度规定为tH，台式计算机一般为75°C，高档笔记本电脑的专用CPU可达100°C。一旦CPU或主电路的温度超出所设定的上、下限时， INT端立即使主机产生中断，再通过电源控制器发出信号，迅速将主电源关断起到保护作用。此外，当温度超过CPU的极限温度时，严重超温报警输出端(T_CRIT_A)也能直接关断主电源，并且该端还可通过独立的硬件关断电路来切断主电源，以防主电源控制失灵。上述三重安全性保护措施已成为国际上设计温控系统的新观念。 　　为防止因人体静电放电(ESD)而损坏芯片。一些智能温度传感器还增加了ESD保护电路，一般可承受1000~4000V的静电放电电压。通常是将人体等效于由100PF电容和1.2K欧姆电阻串联而成的电路模型，当人体放电时，TCN75型智能温度传感器的串行接口端、中断／比较器信号输出端和地址输入端均可承受1000V的静电放电电压。LM83型智能温度传感器则可承受4000V的静电放电电压。 　　最新开发的智能温度传感器(例如MAX6654、LM83)还增加了传感器故障检测功能，能自动检测外部晶体管温度传感器(亦称远程传感器)的开路或短路故障。MAX6654还具有选择“寄生阻抗抵消”(PArAsitic ResistAnce CAncellAtion，英文缩写为prc)模式，能抵消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差，即使引线阻抗达到100欧姆，也不会影响测量精度。远程传感器引线可采用普通双绞线或者带屏蔽层的双绞线。 2.5虚拟温度传感器和网络温度传感器 (1)虚拟传感器 　　虚拟传感器是基于传感器硬件和计算机平台、并通过软件开发而成的。利用软件可完成传感器的标定及校准，以实现最佳性能指标。最近，美国Ｂ＆Ｋ公司已开发出一种基于软件设置的TEDS型虚拟传感器，其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并且附带一张软盘，软盘上存储着对该传感器进行标定的有关数据。使用时，传感器通过数据采集器接至计算机，首先从计算机输入该传感器的产品序列号，再从软盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检查、传感器参数的读取、传感器设置和记录工作。 (2)网络温度传感器 　　网络温度传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。数字传感器首先将被测温度转换成数字量，再送给微控制器作数据处理。最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享，在更换传感器时无须进行标定和校准，可做到“即插即用(Plug&PlAy)”，这样就极大地方便了用户。 2.6单片测温系统 　　单片系统(

[color=#000000]近日，大连化物所催化基础国家重点实验室热电材料与器件研究组（525组）姜鹏研究员、陆晓伟副研究员、包信和院士团队开发了柔性、可穿戴长波红外光热电探测器，并将其用于电子皮肤非接触温度感知。[/color][color=#000000]仿生触觉是智能机器人感知外部环境刺激的基础。在传统触觉系统中，触觉传感器需要与外部环境物理接触进而获取温度信息，无法在接触前对外部刺激作出预判。因此，发展具有非接触温度感知能力的先进触觉传感技术，将有助于为机器人交互感知领域带来全新的体验。[/color][align=center][img]https://img1.17img.cn/17img/images/202404/uepic/d9f98d30-33d3-4a5f-ae64-7284b6ef766d.jpg[/img][/align][color=#000000]光热电探测器是基于光热、热电两个能量转换过程，可在无需制冷、无需偏置电压、无接触的条件下实现对长波红外辐射（8至14μm）的灵敏探测。本工作中，研究团队在前期光热电探测器工作（[/color][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202204355][i][b]Adv. [/b][/i][/url][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202204355][i][b]M [/b][/i][/url][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202204355][i][b][color=#0070c0]ater. [/color][color=#0070c0][/color][/b][/i][/url][color=#000000]，2022；[/color][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201902044][i][b]Adv. Mater [/b][/i][/url][color=#0070c0][i][b].[/b][/i][/color][color=#000000]，2019；[/color][url=https://www.nature.com/articles/s41467-018-07860-0][i][b]Nat. Commun. [/b][/i][/url][color=#000000]，2019）的基础上，在具有长波红外吸收能力的柔性聚酰亚胺（PI）衬底上构建了Te/CuTe热电异质结，制备出高灵敏度、柔性、可穿戴长波红外光热电探测器。Te/CuTe热电异质结一方面可以提升复合薄膜的热电功率因子，起到降低器件噪音的作用；另一方面可以通过降低其光学反射损耗，并将其光学反射极小值与PI吸收峰对齐，增强光热电耦合，提升器件灵敏度。[/color][color=#000000]在非接触式温度感知测试中，当目标温度从零下50°C上升至110°C，所制备的柔性光热电探测器灵敏度均优于商业刚性热电堆，温度分辨能力可达0.05°C。以此为基础，研究团队利用该红外探测器在接近辐射源过程中响应电压的斜率变化，开发了动态温度预警系统，使得软体机械手可对热源进行预先判定。该工作为在仿生触觉系统中引入红外探测技术提供了可行的解决方案，在机器人交互感知、虚拟现实等领域具有重要的应用前景。[/color][color=#000000]相关研究成果以“[b]Touchless thermosensation enabled by flexible photothermoelectric detector for temperature prewarning function of electronic skin ”[/b]为题，发表在[b]《先进材料》[/b][i]（Advanced Materials）[/i]上。上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、辽宁省自然科学基金、大连化物所创新基金等项目的资助。（文/图 郭晓晗、陆晓伟）[/color][color=#000000]文章链接：[/color][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313911][b]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313911[/b][/url][来源： 中国科学院大连化物所][align=right][/align]