环境传感器 科学家研发新型传感器系统，可远程追踪贻贝，实时监测环境
科学家研发新型传感器系统，可远程追踪贻贝，实时监测环境
近日，北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University）研究人员研发出一种新型定制化传感器系统，能够追踪并远程监控淡水贻贝的行为，还能在水生生态系统中出现有毒物质时及时发出提醒信号。
该研究成果于 3 月 19 日发表于 IEEE Sensors Letters，论文标题为《用于研究双壳类动物外壳张开度的加速度计构成的传感系统》（An Accelerometer-based Sensing System to Study the Valve-gaping Behavior of Bivalves），论文的共同作者为北卡罗来纳州的流行病学教授 Jay Levine，通讯作者为北卡罗来纳州电气和计算机工程教授 Alper Bozkurt。
自 20 世纪 50 年代以来，人们就希望通过某种方法来精确地测量贻贝等生物贝壳具体的打开幅度，但一直存在各种各样的挑战，大大限制了研究的进展。首要的困难就是迟迟无法设计出一种既能置于溪流中实时收集数据、同时还不影响动物自由活动的装置。
“当贻贝进食时，它们会打开壳；但是如果水中存在有毒的东西，它们几乎会在第一时间关闭壳，而且闭得结结实实，” Levine 表示。
这是因为贻贝的摄食行为通常是异步的，而不是协调的。所以，如果一群贻贝立刻合上壳，那很可能是因为水中出现了有害物质，而该项研究正是基于这一现象展开的。
图 | 贻贝传感器系统原型（来源：North Carolina State University）
目前，研究人员已经利用这种新的传感器系统来监测贻贝的行为，以确定在无害的环境中，贻贝是否还会同时合上壳。
Levine 说：“我们可以把它想象成煤矿里的‘金丝雀’，只是我们不必等到贻贝死亡才能检测到毒素的存在。同时，这个系统还有助于深入了解贻贝的行为，以及实时监测贻贝本身的健康状况，从而使我们能够了解到，复杂的环境因素究竟如何对贻贝的健康产生影响。这一点尤其重要，因为许多淡水贻贝物种的生存已经受到威胁，几乎出于濒危状态。”
Bozkurt 表示，这种新型传感器系统的所有组件目前都可以在市场上买到，也就是说，他们其实是利用新的技术方式将现成的材料进行了组装，让装置拥有全新功能的同时还最大限度减低了成本。
该系统在每个贻贝上安装两个惯性测量单元（inertial measurement units，IMU），将分别连接在贻贝的顶壳和底壳上，这样一来，研究人员就能够通过比较掌握两个半壳间的相对运动情况。IMU 由一个加速计和一个磁强计组成，类似于智能手机中用来检测手机移动的装置。也就是说，研究人员能够据此判断贻贝是真的在关闭外壳，而不是受到水流冲击而发生的翻滚。
另外，他们将数据采集系统安装水道中的一根桩上，然后利用电线将 IMU 装置与数据收集系统连接起来。其中，数据收集系统中由太阳能电池供电，通过蜂窝网络完成传感器数据的无线传输。
该研究团队介绍，目前已经将四个贻贝连接至原型系统，但该系统能够实现对数十个贻贝的监测与追踪。
他们采用模拟间隙行为的台式伺服电机装置对角度测量的精度和精度进行了测试。结果显示，稳态下测量的标准偏差为 0.78 度。
经过长达 250 多个小时的验证实验，他们发现其研发的传感器和磁性替代品测量角度的一致性，平均相关系数为 - 0.89。这就是说，该项技术不仅能够测量贻贝壳开口的角度，而且精度非常高，误差不到 1 度。
Bozkurt 指出，这意味着人们可以准确知道贻贝壳何时关闭，何时打开，以及打开的幅度。并且，他们的最终目标并不是单个的贻贝，而是要搭建一个 “贻贝网络” 形成覆盖，以此来监测此类动物的群体行为，并让其成为名副其实的 “环境传感器” 或 “哨兵”。
另据悉，为了进一步了解与掌握此系统的性能表现，该研究团将很快展开实地测试，以明确该系统在真实的自然环境中能够持续工作多长时间。
它们乐观地认为，这项技术的应用潜力将不会止步于环境监测，它还能够帮助人们了解贻贝本身的最新情况，比如贻贝的行为是否会受到温度变化的影响，它们在什么时候会进行过滤，什么时候进食等等，揭开贻贝这种生物尚不为人知的部分。
“我们研发的这些传感器装置为我们提供了机会，让我们能够为个别动物制定基线值，并监测其外壳的活动情况，以及时应对环境的变化。” Levine 表示。
近似人眼感知的传感器——环境光传感器
电子发烧友网报道（文/李诚）环境光传感器是一种通过感知周围光照强度，实时输出电信号的一种传感器。环境光传感器在消费类电子、汽车电子和工业控制等领域均有使用，如智能手机、平板电脑的顶部，都会配置环境光传感器，通过环境光传感器感应光照强度，实现屏幕亮度实时控制，起到降低设备功耗、延长设备使用寿命、保护眼睛的作用。
图源：TI官网
环境光传感器发展趋势
随着环境光传感器在消费类电子领域的使用逐渐增多，消费类电子又朝着小型化、便携式发展，因此环境光传感器也要朝着高度集成化（微型化）、低功耗、智能化等方向发展。
高度集成化（微型化）可减少外围电路的布局，降低元器件的用量，在一定程度上可实现传感器的多功能性，降低了BOM成本，缩小了传感器体积。
低功耗，对于消费类电子来说，使用低功耗电子元件是一直以来的追求，能够有效延长设备的续航时间，还做到了节能环保。
智能化，目前很多芯片、传感器都在内部集成了AI算法、DSP处理器等，进一步提高数据处理能力，有助于性能的提升。
环境光传感器的应用非常广，目前还不断向智能家电、物联网等领域不断渗透市场需求也呈快速增长的趋势。随着应用领域的不断拓展，环境光传感器的发展前景十分明朗。
目前，AMS、TI、Vishay、ROHM等国外半导体领域的头部企业，均有对环境光传感器的开发并得到终端厂商的应用。
AMS TMD2712环境光传感器和接近传感器集成模块
AMS在光学领域造诣深厚，具有先进的光学解决方案，不管是技术还是生产能力，AMS在传感器领域的优势十分明显。如今，AMS的传感器业务在消费类电子领域占据着领先地位，致力于研发集成度更高、尺寸更小的传感器来抢占市场份额，巩固领先地位。
TMD2712框架图 图源：AMS官网
TMD2712模块是一款三合一高度集成的传感器，内部集成了环境光传感器、接近光传感器和红外VCSEL发射器，并且在多合一的高度集成下体积仅为1mm*2mm*0.5mm，可应用于对传感器体积要求较为严格的电子产品中，这款传感器的面世，刷新了外形尺寸的新纪录。
TMD2712的接近检测，是通过红外VCSEL发射器发射红外线，再由光电二极管对反射回来的光检测实现的。TMD2712为环境光传感器提供了两个环境光感应通道，通过这两个通道可以精确地测量出周围环境光，并计算出光照辐射强度输出电信号。
TMD2712传感器供电电压为1.8V，待机功耗为0.7µA，接近探测距离为15cm，可承受－30℃至85℃工作耐温区间，采用了6 Pin的OLGA封装。
TI OPT3004 高灵敏度环境光传感器
据TI官方显示，TI的环境光传感器可以做到优化成本、模拟人眼响应、体积轻薄等特点，应用范围涵盖了消费类电子、家用电器、汽车电子等领域。
OPT3004框架图 图源：TI官网
OPT3004是一款用于测量可见光的环境光传感器，能够对红外光进行阻隔，阻隔率为99%，同时具有灵敏的光谱响应。该传感器的光谱响应曲线能与人眼响应曲线相似，并且对可见光的测量精度不受光照强度影响。
光谱响应：OPT3004和人眼 图源：TI官网
OPT3004具有自适应调节量程范围功能，量程范围覆盖0.01~83k lux，能够在23位有效动态范围内完成光照强度测量工作。OPT3004环境光传感器的测量工作方式分为两种，一种是连续工作，另外一种是间断工作。为降低系统功耗，在传感器进行报告时，处理器可以处于休眠状态。OPT3004可接入1.6V至3.6V的宽压电网，工作温度范围在－40℃至 +85℃之间，采用了2mm*2mm *0.65mm的USON小尺寸封装。这款环境光传感器可应用于显示背光控制、照明控制系统等。
Vishay 高灵敏度的环境光传感器
Vishay在环境光传感器方面，为了提高传感器对光的感应灵敏度，通常Vishay会将独有的Filtron技术用于光传感器的研发中，尽可能地让传感器的光谱响应达与人眼相匹配，提高产品性能。
VEML6031X00框架图 图源：Vishay
VEML6031X00是Vishay的一款高精度、高灵敏度的环境光传感器，该传感器可应用于消费类电子与汽车电子中，并且通过了汽车AECQ100标准认证，VEML6031X00的光谱灵敏度与人眼水平接近，测量覆盖范围最大达0.01~228k lux，与TI的OPT3004相比提升了不少。该传感器采用I2C作为通信总线接口，通过配置I2C接口，可实现传感器连续工作或间断工作。
VEML6031X00的精度为0.0034lx，与能见度较低的透镜配合使用可以提高对光源检测的精度，同时，该传感器内置的红外通道可以进行光照强度检测和灵敏度调节，并完成误差补偿。VEML6031X00的电压输入范围在2.5V~3.6V之间，可适应－40℃至110摄氏度的宽温工作环境，满足汽车使用的要求。该传感器在待机状态下功耗为0.5μA，采用了2.67 mmx*2.45mm *0.6mm的小封装，可应用于汽车的自适应大灯，照明灯光亮度调节、显示器亮度调节等应用中。
总结
随着各类电子产品的功能增多，电子设备内部的空间逐渐拥挤，环境光传感器朝着小型化、高度集成化、低功耗、高灵敏度发展已是必然趋势。如今，传感器的光谱响应曲线已近似人眼，这也意味着传感器检测到的亮度与人眼相似，在实际应用中，能够调节出适应人眼的亮度，在一定程度上提升了用户的体验。
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