王麗偉 數字化企業
導 讀 ( 文/ e-works產業研究 王麗偉 )
工業生產中，傳感器的作用越來越重要，特別在萬物互聯的趨勢下，智能傳感器得到了前所未有的重視。智能傳感器作為智能製造的基礎，已經悄然應用到各行各業。
一、傳感器概念與發展歷程
根據國標GB/T 7665-2005，傳感器是“能感受被測量並按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置”。
傳感器的發展被劃分為三個階段：
● 第一階段始於20世紀50年代，結構型傳感器出現，它利用結構參量變化來感受和轉化信號。
● 第二階段始於20 世紀70年代，固體型傳感器逐漸發展，這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成。利用材料的熱電效應、霍爾效應，分別製成熱電偶傳感器、霍爾傳感器等。
● 第三階段由 20 世紀末開始，智能型傳感器出現並快速發展。它是計算機技術與檢測技術相結合的產物，能夠對外界信息具有一定檢測、自診斷、數據處理以及自適應能力，是當前傳感器的主流。
智能傳感器是指具有信息採集、信息處理、信息交換、信息存儲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、驅動程序、軟件算法等於一體的系統級產品。
智能傳感器基本結構如下圖所示，一般包含傳感單元、計算單元和接口單元。傳感單元負責信號採集，計算單元根據設定對輸入信號進行處理，再通過網絡接口與其他裝置進行通信。智能傳感器的實現可以採用模塊式（將傳感器、信號調理電路和帶總線接口的微處理器組合成一個整體）、集成式（採用微機械加工技術和大規模集成電路工藝技術將敏感元件、信號調理電路、接口電路和微處理器等集成在同一塊芯片上）或混合式（將傳感器各環節以不同的組合方式集成在數塊芯片上並封裝在一個外殼中）等結構。
圖 1智能傳感器基本結構
二、智能傳感器關鍵技術進展
傳感器技術是實現智能製造的基石。在當前智能時代的推動下，高性能、高可靠性的多功能複雜自動測控系統以及基於射頻識別技術的物聯網的興起與發展，愈發凸顯了具有感知、認知能力的智能傳感器的重要性及其快速發展的迫切性。
智能傳感器沿用較為通用的分類方法，依據被測量的不同，一般分為物理量智能傳感器、化學量智能傳感器和生物量智能傳感器三大類。
圖2 智能傳感器分類
其中，物理量智能傳感器根據被測物理量，可簡單歸納為力、熱、聲、光、電、磁六大類。每一大類傳感器中又包含多個分支。以力學量傳感器為例，其分支部分列表見下：
圖3 力學量傳感器詳細分類
一個真正意義上的智能傳感器應該具有如下功能：
1）自校準、自標定和自動補償功能；
2）自動採集數據、邏輯判斷和數據處理功能；
3）自調整、自適應功能；
4）一定程度的存儲、識別和信息處理功能；
5）雙向通信、標準數字化輸出或者符號輸出功能；
6）算法判斷、決策處理的功能。
傳感材料、MEMS 芯片、驅動程序和應用軟件是智能傳感器實現這些功能的核心技術，特別是 MEMS 芯片，由於其具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高並能與微處理器集成等特點，已成為智能傳感器的重要載體。 下面以常用的溫度、壓力、光學和RFID傳感器為例，介紹基於MEMS的智能傳感器技術進展。
① 智能溫度傳感器
智能溫度傳感器適用於冶金、石化、石油、化工、製藥、造紙、印染、釀造、環保、電力等行業。當前的智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發虛擬傳感器和網絡傳感器、研製單片測溫系統等方向迅速發展。目前，國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轉換器，分辨率可以達到 0.5~0.625℃。由美國Dallas半導體公司新研製的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數據，分辨率高達0.03℃，測溫精度為±0.2℃。
② 智能壓力傳感器
基於 MEMS技術的智能壓力傳感器具有小型化、低成本、易集成等優點。壓力的傳感範圍也很寬，在1kPa～100MPa 之間。可廣泛應用於微型機電系統、汽車、航空動力學、工藝控制和生物醫學等方面。當前智能壓力傳感器技術的研究熱點致力於減輕其敏感性和線性之間的矛盾，以提高傳感器精度[3]。美國柏恩Bourns研製的BPS140新型壓力傳感器性能穩定，在溫度範圍為-40°C至150°C之間使用時，總誤差為2.5%FS，產品壽命變化為0.5%FS[4]。
③ 光學傳感器
非接觸和非破壞性測量是光學傳感器的一大優勢，在電子產品檢測領域應用較多。當前CCD和CMOS圖像傳感器是兩大主流成像技術。隨著圖像傳感器技術的不斷改進，像素精度不斷提高（已經達到5μm級別），同時對環境照度要求不斷降低。安森美推出的KAI-50140是當前市場上分辨率最高的ITCCD圖像傳感器，達到5000萬像素，具有關鍵細節成像能力和高圖像均勻性，可用於智能手機顯示屏檢測、電路板檢測和機械裝配檢測等領域。
④ RFID
RFID即射頻識別技術，俗稱電子標籤，是利用無線電信號進行自動識別特定目標並讀寫相關數據的通信技術，無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。
RFID是智能識別和數據採集（AIDC）的一種方法，也是物聯網（IoT）的重要組成部分，可應用於生產線的物流管理，如物料分揀。近年來，RFID的研究熱點主要集中在數據的完整性與安全性，如提升數據識別的準確率，在獲取信息的同時保證用戶的隱私不被洩漏，以及利用RFID技術實現其他領域的應用，像基於RFID技術的室內定位等。
三、智能傳感器技術典型應用場景
對於製造業來說，智能傳感器是實現智能製造的基礎。大量傳統制造業在實現智能製造的轉型過程中，廣泛地在生產、檢測及物流領域採用傳感器。本文選取機械製造、汽車、高端裝備、電子、及石化、冶金等典型行業，對其中涉及到的智能傳感器應用進行介紹。
圖4 自動化生產線上的機器視覺系統
智能傳感在製造過程中的典型應用之一，體現在機械製造行業廣泛採用的數控機床中。現代數控機床在檢測位移、位置、速度、壓力等方面均部署了高性能傳感器，能夠對加工狀態、刀具狀態、磨損情況以及能耗等過程進行實時監控，以實現靈活的誤差補償與自校正，實現數控機床智能化的發展趨勢。此外，基於視覺傳感器的可視化監控技術的採用，使得數控機床的智能監控變得更加便捷。
圖5 汽車車門檢測（圖片來源：e-works培訓資料）
汽車製造行業應用智能傳感也較多。以基於光學傳感的機器視覺為例，在工業領域的三大主要應用有視覺測量、視覺引導和視覺檢測。在汽車製造行業，視覺測量技術通過測量產品關鍵尺寸、表面質量、裝配效果等，可以確保出廠產品合格；視覺引導技術通過引導機器完成自動化搬運、最佳匹配裝配、精確制孔等，可以顯著提升製造效率和車身裝配質量；視覺檢測技術可以監控車身製造工藝的穩定性，同時也可以用於保證產品的完整性和可追溯性，有利於降低製造成本。
高端裝備行業的傳感器多應用在設備運維與健康管理環節。如航空發動機裝備的智能傳感器，使控制系統具備故障自診斷、故障處理能力，提高了系統應對複雜環境和精確控制的能力。基於智能傳感技術，綜合多領域建模技術和新型信息技術，構建出可精確模擬物理實體的數字孿生體，該模型能反應系統的物理特性和應對環境的多變特性，實現發動機的性能評估、故障診斷、壽命預測等，同時基於全生命週期多維反饋數據源，在行為狀態空間迅速學習和自主模擬，預測對安全事件的響應，並通過物理實體與數字實體的交互數據對比，及時發現問題，激活自修復機制，減輕損傷和退化，有效避免具有致命損傷的系統行為。
工業電子領域，在生產、搬運、檢測、維護等方面均涉及智能傳感器，如機械臂、AGV導航車、AOI檢測等裝備。在消費電子和醫療電子產品領域，智能傳感器的應用更具多樣化。如智能手機中比較常見的智能傳感器有距離傳感器、光線傳感器、重力傳感器、圖像傳感器、三軸陀螺儀和電子羅盤等。可穿戴設備最基本的功能就是通過傳感器實現運動傳感，通常內置MEMS加速度計、心率傳感器、脈搏傳感器、陀螺儀、MEMS麥克風等多種傳感器。智能家居（如掃地機器人、洗衣機等）涉及位置傳感器、接近傳感器、液位傳感器、流量和速度控制、環境監測、安防感應等傳感器等技術。
圖6 氣體傳感器在石化行業的應用
（圖片來源：威格官網）
相比離散行業，流程行業應用傳感器的環節和數量更多，特別是石化、冶金等行業，整個生產、加工、運輸、使用環節會排放較多危險性、汙染性氣體，需要對一氧化碳、二氧化硫、硫化氫、氨氣、環氧乙烷、丙烯、氯乙烯、乙炔等毒性氣體和苯、醛、酮等有機蒸氣進行檢測，需要大量氣體傳感器應用於安全防護，防止中毒與爆炸事故。此外，在原料配比管理、工藝參數控制、設備運維與健康管理方面均需部署大量傳感器。
四、傳感器技術展望
隨著新材料，新技術的廣泛應用，基於各種功能材料的新型傳感器件得到快速發展，其對製造的影響愈加顯著。
未來，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展趨勢，新型傳感材料與器件將是未來智能傳感技術發展的重要方向。
