傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能制造的基石！

工業(yè)生產(chǎn)中，傳感器的作用越來(lái)越重要，特別在萬(wàn)物互聯(lián)的趨勢(shì)下，智能傳感器得到了前所未有的重視。智能傳感器作為智能制造的基礎(chǔ)，已經(jīng)悄然應(yīng)用到各行各業(yè)。

一、傳感器概念與發(fā)展歷程

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 7665-2005，傳感器是“能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”。

傳感器的發(fā)展被劃分為三個(gè)階段：

● 第一階段始于20世紀(jì)50年代，結(jié)構(gòu)型傳感器出現(xiàn)，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來(lái)感受和轉(zhuǎn)化信號(hào)。

●第二階段始于20 世紀(jì)70年代，固體型傳感器逐漸發(fā)展，這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成。利用材料的熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器等。

●第三階段由 20 世紀(jì)末開(kāi)始，智能型傳感器出現(xiàn)并快速發(fā)展。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠?qū)ν饨?a target="_blank">信息具有一定檢測(cè)、自診斷、數(shù)據(jù)處理以及自適應(yīng)能力，是當(dāng)前傳感器的主流。

智能傳感器是指具有信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲(chǔ)等功能的多元件集成電路，是集傳感單元、通信芯片、微處理器、驅(qū)動(dòng)程序、軟件算法等于一體的系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品。

智能傳感器基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，一般包含傳感單元、計(jì)算單元和接口單元。傳感單元負(fù)責(zé)信號(hào)采集，計(jì)算單元根據(jù)設(shè)定對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與其他裝置進(jìn)行通信。智能傳感器的實(shí)現(xiàn)可以采用模塊式（將傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和帶總線(xiàn)接口的微處理器組合成一個(gè)整體）、集成式（采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)將敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、接口電路和微處理器等集成在同一塊芯片上）或混合式（將傳感器各環(huán)節(jié)以不同的組合方式集成在數(shù)塊芯片上并封裝在一個(gè)外殼中）等結(jié)構(gòu)。

圖 1智能傳感器基本結(jié)構(gòu)

二、智能傳感器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能制造的基石。在當(dāng)前智能時(shí)代的推動(dòng)下，高性能、高可靠性的多功能復(fù)雜自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)以及基于射頻識(shí)別技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)的興起與發(fā)展，愈發(fā)凸顯了具有感知、認(rèn)知能力的智能傳感器的重要性及其快速發(fā)展的迫切性。

智能傳感器沿用較為通用的分類(lèi)方法，依據(jù)被測(cè)量的不同，一般分為物理量智能傳感器、化學(xué)量智能傳感器和生物量智能傳感器三大類(lèi)。

圖2 智能傳感器分類(lèi)

其中，物理量智能傳感器根據(jù)被測(cè)物理量，可簡(jiǎn)單歸納為力、熱、聲、光、電、磁六大類(lèi)。每一大類(lèi)傳感器中又包含多個(gè)分支。以力學(xué)量傳感器為例，其分支部分列表見(jiàn)下：

圖3 力學(xué)量傳感器詳細(xì)分類(lèi)

一個(gè)真正意義上的智能傳感器應(yīng)該具有如下功能：

1）自校準(zhǔn)、自標(biāo)定和自動(dòng)補(bǔ)償功能； 2）自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理功能； 3）自調(diào)整、自適應(yīng)功能； 4）一定程度的存儲(chǔ)、識(shí)別和信息處理功能； 5）雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化輸出或者符號(hào)輸出功能； 6）算法判斷、決策處理的功能。

傳感材料、MEMS 芯片、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件是智能傳感器實(shí)現(xiàn)這些功能的核心技術(shù)，特別是 MEMS 芯片，由于其具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高并能與微處理器集成等特點(diǎn)，已成為智能傳感器的重要載體。下面以常用的溫度、壓力、光學(xué)和RFID傳感器為例，介紹基于MEMS的智能傳感器技術(shù)進(jìn)展。

①智能溫度傳感器

智能溫度傳感器適用于冶金、石化、石油、化工、制藥、造紙、印染、釀造、環(huán)保、電力等行業(yè)。當(dāng)前的智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開(kāi)發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等方向迅速發(fā)展。目前，國(guó)外已相繼推出多種高精度、高分辨率的智能溫度傳感器，使用 9~12位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率可以達(dá)到 0.5~0.625℃。由美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，分辨率高達(dá)0.03℃，測(cè)溫精度為±0.2℃。

② 智能壓力傳感器

基于 MEMS技術(shù)的智能壓力傳感器具有小型化、低成本、易集成等優(yōu)點(diǎn)。壓力的傳感范圍也很寬，在1kPa～100MPa 之間。可廣泛應(yīng)用于微型機(jī)電系統(tǒng)、汽車(chē)、航空動(dòng)力學(xué)、工藝控制和生物醫(yī)學(xué)等方面。當(dāng)前智能壓力傳感器技術(shù)的研究熱點(diǎn)致力于減輕其敏感性和線(xiàn)性之間的矛盾，以提高傳感器精度[3]。美國(guó)柏恩Bourns研制的BPS140新型壓力傳感器性能穩(wěn)定，在溫度范圍為-40°C至150°C之間使用時(shí)，總誤差為2.5%FS，產(chǎn)品壽命變化為0.5%FS[4]。

③ 光學(xué)傳感器

非接觸和非破壞性測(cè)量是光學(xué)傳感器的一大優(yōu)勢(shì)，在電子產(chǎn)品檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用較多。當(dāng)前CCD和CMOS圖像傳感器是兩大主流成像技術(shù)。隨著圖像傳感器技術(shù)的不斷改進(jìn)，像素精度不斷提高（已經(jīng)達(dá)到5μm級(jí)別），同時(shí)對(duì)環(huán)境照度要求不斷降低。安森美推出的KAI-50140是當(dāng)前市場(chǎng)上分辨率最高的ITCCD圖像傳感器，達(dá)到5000萬(wàn)像素，具有關(guān)鍵細(xì)節(jié)成像能力和高圖像均勻性，可用于智能手機(jī)顯示屏檢測(cè)、電路板檢測(cè)和機(jī)械裝配檢測(cè)等領(lǐng)域。

④ RFID

RFID即射頻識(shí)別技術(shù)，俗稱(chēng)電子標(biāo)簽，是利用無(wú)線(xiàn)電信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)的通信技術(shù)，無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。

RFID是智能識(shí)別和數(shù)據(jù)采集（AIDC）的一種方法，也是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的重要組成部分，可應(yīng)用于生產(chǎn)線(xiàn)的物流管理，如物料分揀。近年來(lái)，RFID的研究熱點(diǎn)主要集中在數(shù)據(jù)的完整性與安全性，如提升數(shù)據(jù)識(shí)別的準(zhǔn)確率，在獲取信息的同時(shí)保證用戶(hù)的隱私不被泄漏，以及利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)其他領(lǐng)域的應(yīng)用，像基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位等。

三、智能傳感器技術(shù)典型應(yīng)用場(chǎng)景

對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō)，智能傳感器是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)。大量傳統(tǒng)制造業(yè)在實(shí)現(xiàn)智能制造的轉(zhuǎn)型過(guò)程中，廣泛地在生產(chǎn)、檢測(cè)及物流領(lǐng)域采用傳感器。本文選取機(jī)械制造、汽車(chē)、高端裝備、電子、及石化、冶金等典型行業(yè)，對(duì)其中涉及到的智能傳感器應(yīng)用進(jìn)行介紹。

圖4 自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

智能傳感在制造過(guò)程中的典型應(yīng)用之一，體現(xiàn)在機(jī)械制造行業(yè)廣泛采用的數(shù)控機(jī)床中。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在檢測(cè)位移、位置、速度、壓力等方面均部署了高性能傳感器，能夠?qū)庸顟B(tài)、刀具狀態(tài)、磨損情況以及能耗等過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)靈活的誤差補(bǔ)償與自校正，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床智能化的發(fā)展趨勢(shì)。此外，基于視覺(jué)傳感器的可視化監(jiān)控技術(shù)的采用，使得數(shù)控機(jī)床的智能監(jiān)控變得更加便捷。

圖5 汽車(chē)車(chē)門(mén)檢測(cè)（圖片來(lái)源：e-works培訓(xùn)資料）

汽車(chē)制造行業(yè)應(yīng)用智能傳感也較多。以基于光學(xué)傳感的機(jī)器視覺(jué)為例，在工業(yè)領(lǐng)域的三大主要應(yīng)用有視覺(jué)測(cè)量、視覺(jué)引導(dǎo)和視覺(jué)檢測(cè)。在汽車(chē)制造行業(yè)，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)通過(guò)測(cè)量產(chǎn)品關(guān)鍵尺寸、表面質(zhì)量、裝配效果等，可以確保出廠(chǎng)產(chǎn)品合格；視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)通過(guò)引導(dǎo)機(jī)器完成自動(dòng)化搬運(yùn)、最佳匹配裝配、精確制孔等，可以顯著提升制造效率和車(chē)身裝配質(zhì)量；視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)可以監(jiān)控車(chē)身制造工藝的穩(wěn)定性，同時(shí)也可以用于保證產(chǎn)品的完整性和可追溯性，有利于降低制造成本。

高端裝備行業(yè)的傳感器多應(yīng)用在設(shè)備運(yùn)維與健康管理環(huán)節(jié)。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝備的智能傳感器，使控制系統(tǒng)具備故障自診斷、故障處理能力，提高了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境和精確控制的能力?；谥悄?a target="_blank">傳感技術(shù)，綜合多領(lǐng)域建模技術(shù)和新型信息技術(shù)，構(gòu)建出可精確模擬物理實(shí)體的數(shù)字孿生體，該模型能反應(yīng)系統(tǒng)的物理特性和應(yīng)對(duì)環(huán)境的多變特性，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能評(píng)估、故障診斷、壽命預(yù)測(cè)等，同時(shí)基于全生命周期多維反饋數(shù)據(jù)源，在行為狀態(tài)空間迅速學(xué)習(xí)和自主模擬，預(yù)測(cè)對(duì)安全事件的響應(yīng)，并通過(guò)物理實(shí)體與數(shù)字實(shí)體的交互數(shù)據(jù)對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，激活自修復(fù)機(jī)制，減輕損傷和退化，有效避免具有致命損傷的系統(tǒng)行為。

工業(yè)電子領(lǐng)域，在生產(chǎn)、搬運(yùn)、檢測(cè)、維護(hù)等方面均涉及智能傳感器，如機(jī)械臂、AGV導(dǎo)航車(chē)、AOI檢測(cè)等裝備。在消費(fèi)電子和醫(yī)療電子產(chǎn)品領(lǐng)域，智能傳感器的應(yīng)用更具多樣化。如智能手機(jī)中比較常見(jiàn)的智能傳感器有距離傳感器、光線(xiàn)傳感器、重力傳感器、圖像傳感器、三軸陀螺儀和電子羅盤(pán)等?？纱┐髟O(shè)備最基本的功能就是通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳感，通常內(nèi)置MEMS加速度計(jì)、心率傳感器、脈搏傳感器、陀螺儀、MEMS麥克風(fēng)等多種傳感器。智能家居（如掃地機(jī)器人、洗衣機(jī)等）涉及位置傳感器、接近傳感器、液位傳感器、流量和速度控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防感應(yīng)等傳感器等技術(shù)。

圖6 氣體傳感器在石化行業(yè)的應(yīng)用 （圖片來(lái)源：威格官網(wǎng)）

相比離散行業(yè)，流程行業(yè)應(yīng)用傳感器的環(huán)節(jié)和數(shù)量更多，特別是石化、冶金等行業(yè)，整個(gè)生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、使用環(huán)節(jié)會(huì)排放較多危險(xiǎn)性、污染性氣體，需要對(duì)一氧化碳、二氧化硫、硫化氫、氨氣、環(huán)氧乙烷、丙烯、氯乙烯、乙炔等毒性氣體和苯、醛、酮等有機(jī)蒸氣進(jìn)行檢測(cè)，需要大量氣體傳感器應(yīng)用于安全防護(hù)，防止中毒與爆炸事故。此外，在原料配比管理、工藝參數(shù)控制、設(shè)備運(yùn)維與健康管理方面均需部署大量傳感器。

四、傳感器技術(shù)展望

隨著新材料，新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，基于各種功能材料的新型傳感器件得到快速發(fā)展，其對(duì)制造的影響愈加顯著。未來(lái)，智能化、微型化、多功能化、低功耗、低成本、高靈敏度、高可靠性將是新型傳感器件的發(fā)展趨勢(shì)，新型傳感材料與器件將是未來(lái)智能傳感技術(shù)發(fā)展的重要方向。