智能傳感器將中國制造向中國智造轉(zhuǎn)變

 

　　我們已經(jīng)進(jìn)入了信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，智能感應(yīng)就是其中必不可少而且至關(guān)重要的技術(shù)。傳感器作為信息產(chǎn)業(yè)的神經(jīng)觸角，把人們從“通信時代”帶到了“感知時代”。傳感器是數(shù)據(jù)采集的重要工具，是新技術(shù)革命和信息社會的重要技術(shù)基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防、科技、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域。基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的智能傳感器代表了傳感器的主要發(fā)展方向，其技術(shù)進(jìn)步不僅可以提高產(chǎn)品的智能化水平，還可以促進(jìn)中國制造業(yè)向中國智能制造的發(fā)展。2010年后，中國已經(jīng)成為工業(yè)制造大國，但我們必須清醒地認(rèn)識到中國制造業(yè)大而不強(qiáng)、不可持續(xù)的現(xiàn)狀。這些問題主要集中在自主創(chuàng)新能力弱、產(chǎn)業(yè)價值低、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品質(zhì)量不合理等方面。中國政府高度重視制造業(yè)的發(fā)展，《中國制造2025》標(biāo)志著中國制造業(yè)由大變強(qiáng)的第一步，其中智能制造被定位為中國制造業(yè)的主要方向，與德國工業(yè)4.0和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相對應(yīng)。工業(yè)和信息化部副部長毛偉明，指出：“傳感技術(shù)、計算技術(shù)和通信技術(shù)應(yīng)該統(tǒng)稱為信息技術(shù)領(lǐng)域的三大支柱。以傳感器為代表的傳感制造將是未來重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，信息系統(tǒng)的源頭，自動化和智能化的核心。”

 

　　傳統(tǒng)傳感器弊端凸顯

　　傳感器與中國制造聯(lián)系緊密。傳感器屬于基礎(chǔ)零部件，是工業(yè)的基石、性能的關(guān)鍵和發(fā)展的瓶頸，其重要性不言而喻。傳感器具有使用量大，應(yīng)用面廣的特點，在工業(yè)生產(chǎn)制造中起到了承上啟下的作用。目前，在中國制造企業(yè)中，利用傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和傳輸已經(jīng)不是新鮮事，但是傳統(tǒng)的傳感器存在兩方面的問題：

　　1．性能方面

　　傳統(tǒng)傳感器基本屬于低端基礎(chǔ)類別，反應(yīng)較慢、精度不高、穩(wěn)定性差、體積偏大、對惡劣工業(yè)場所（高溫、粉塵、潮濕、電磁干擾等）的適應(yīng)能力不強(qiáng)、能耗偏高、技術(shù)含量低和壽命偏短等問題。而現(xiàn)代工業(yè)控制要確保生產(chǎn)設(shè)備高質(zhì)量和高效率的運(yùn)行，內(nèi)置的傳感器不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)通信，還要足夠精準(zhǔn)和穩(wěn)定。在不同的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用場景中，有的精密儀器或設(shè)備本身體積就很小，這也對傳感器微型化提出了更高的要求。

　　2．功能方面

　　傳統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集的過程中，只能采用相同的工作原理，以數(shù)據(jù)形式記錄物理變量，再將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至設(shè)備控制器，無法實現(xiàn)在前端自動地、智能地收集、提供和分析海量的工業(yè)數(shù)據(jù)的功能，更不能時刻與互聯(lián)網(wǎng)或云端進(jìn)行信息互通。大數(shù)據(jù)分析作為實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，它要求傳感器必須更智能化地運(yùn)作，這對大數(shù)據(jù)和工業(yè)自動化融合至關(guān)重要，也是實現(xiàn)智能制造的突破口。

所以，傳統(tǒng)傳感器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)生產(chǎn)的需求，傳感器向智能化發(fā)展勢在必行。

 

　　智能傳感器的優(yōu)勢

　　智能傳感器的概念最早由美國宇航局在研發(fā)宇宙飛船過程中提出來，它是指具有信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲等功能的多元件集成電路，是集成傳感器、通信芯片、微處理器、驅(qū)動程序、軟件算法等于一體的系統(tǒng)級產(chǎn)品。智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，它具有對外界環(huán)境等信息進(jìn)行自動收集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、功能計算以及自診斷、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償與自適應(yīng)的能力，擁有更高的精度、更好的穩(wěn)定性與更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。一方面，智能傳感器通過更靈活的接口不僅可以在控制器層通信，而且能實現(xiàn)更高數(shù)據(jù)層的通信，附加的數(shù)據(jù)或軟件系統(tǒng)接口讓傳感器可以執(zhí)行新的分析任務(wù)及新的功能。這些能力可提高生產(chǎn)的靈活性、質(zhì)量、效率和透明度。另一方面，由于增加了智能功能，智能傳感器提供的數(shù)據(jù)更加緊湊、實用，數(shù)據(jù)資源的利用效率也越高，得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果也更加準(zhǔn)確。在內(nèi)部對數(shù)據(jù)直接進(jìn)行預(yù)處理、壓縮和濾波的智能傳感器能更好的滿足智能制造的要求。隨著應(yīng)用的深化發(fā)展，智能傳感器正逐漸向微型化、數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、移動互聯(lián)網(wǎng)化等方向發(fā)展。

 

　　智能傳感器的應(yīng)用

　　在智能工廠里，無論是智能機(jī)器人，還是智能化生產(chǎn)線、自動化生產(chǎn)設(shè)備，它們的工作流程基本都是數(shù)據(jù)采集、分析和處理，很多工作都是由智能傳感器來共同協(xié)作完成的。智能傳感器不僅能夠提供生產(chǎn)控制的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，還可以提供預(yù)警和狀態(tài)監(jiān)控，使現(xiàn)場設(shè)備透明并實時可控。 在漢諾威工業(yè)博覽會上，ABB展示了一種智能傳感器，通過該傳感器，每臺電動機(jī)的有關(guān)運(yùn)行狀態(tài)信息和狀態(tài)參數(shù)都能夠迅速而準(zhǔn)確地被獲得，如振動、溫度或過載，同時可以測量能源消耗，精確度為10％，同時將數(shù)據(jù)無線傳輸至云服務(wù)器中，通過專門開發(fā)的軟件轉(zhuǎn)化為可用信息以便進(jìn)行分析，為客戶提供電動機(jī)維護(hù)的信息和建議。設(shè)備管理者可以隨時通過智能手機(jī)或電腦檢查其電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并可以根據(jù)實際需要進(jìn)行計劃維護(hù)，不再單純依靠計劃進(jìn)行維護(hù)，避免計劃外的停機(jī)，延長運(yùn)行時間。預(yù)防性維護(hù)是一個非常重要的優(yōu)勢，因為在生產(chǎn)過程中停機(jī)一個小時就意味著數(shù)萬歐元的損失。

 

 

　　智能傳感器的發(fā)展與制造業(yè)息息相關(guān)，智能傳感器發(fā)展水平已成為衡量一個國家是否具有國際競爭優(yōu)勢的重要標(biāo)志。為了實現(xiàn)中國制造業(yè)強(qiáng)國的目標(biāo)，《中國制造2025》和《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南（2017－2019）》都對傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出明確要求，大力發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端智能傳感器，為打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和實現(xiàn)智能制造夯實基礎(chǔ)。智能傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)重要感知器件，必將成為推動中國制造發(fā)展強(qiáng)有力的驅(qū)動力。

 

 

傳感器相關(guān)知識

 

一、按工作(檢測)原理分類　

 

檢測原理指傳感器工作時所依據(jù)的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)等機(jī)理。有電阻式、電容式、電感式、壓電式、電磁式、磁阻式、光電式、壓阻式、熱電式、核輻射式、半導(dǎo)體式傳感器等。

 

如根據(jù)變電阻原理，相應(yīng)的有電位器式、應(yīng)變片式、壓阻式等傳感器；如根據(jù)電磁感應(yīng)原理，相應(yīng)的有電感式、差壓變送器、電渦流式、電磁式、磁阻式等傳感器；如根據(jù)半導(dǎo)體有關(guān)理論，則相應(yīng)的有半導(dǎo)體力敏、熱敏、光敏、氣敏、磁敏等固態(tài)傳感器。

 

這種分類方法的優(yōu)點是便于傳感器專業(yè)工作者從原理與設(shè)計上作歸納性的分析研究，避免了傳感器的名目過于繁多，故最常采用。缺點是用戶選用傳感器時會感到不夠方便。

 

有時也常把用途和原理結(jié)合起來命名，如電感式位移傳感器，壓電式力傳感器等，以避免傳感器名目過于繁多．

 

二、按照傳感器與被測對象的關(guān)聯(lián)方式(是否接觸)可分為：

 

a、接觸式：如：電位差計式、應(yīng)變式、電容式、電感式等；

 

b、非接觸式：接觸式的優(yōu)點是傳感器與被測對象視為一體，傳感器的標(biāo)定無須在使用現(xiàn)場進(jìn)行，缺點是傳感器與被測對象接觸會對被測對象的狀態(tài)或特性不可避免地產(chǎn)生或多或少的影響。非接觸式則沒有這種影響；

 

非接觸化測量可以消除傳感器介入而使被測量受到的影響，提高測量的準(zhǔn)確性，同時，可使傳感器的使用壽命增加。但是非接觸式傳感器的輸出會受到被測對象與傳感器之間介質(zhì)或環(huán)境的影響。因此傳感器標(biāo)定必須在使用現(xiàn)場進(jìn)行。

 

三、按輸入量即測量對象的不同分：

 

如輸入量分別為：溫度、壓力、位移、速度、濕度、光線、氣體等非電量時，則相應(yīng)的傳感器稱為溫度傳感器、壓力傳感器、稱重傳感器等。

 

這種分類方法明確地說明了傳感器的用途，給使用者提供了方便，容易根據(jù)測量對象來選擇所需要的傳感器，缺點是這種分類方法是將原理互不相同的傳感器歸為一類，很難找出每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，因此，對掌握傳感器的一些基本原理及分析方法是不利的。因為同一種型式的傳感器，如壓電式傳感器，它可以用來測量機(jī)械振動中的加速度、速度和振幅等，也可以用來測量沖擊和力，但其工作原理是一樣的。

 

這種分類方法把種類最多的物理量分為：基本量和派生量兩大類．例如力可視為基本物理量，從力可派生出壓力、重量，應(yīng)力、力矩等派生物理量．當(dāng)我們需要測量上述物理量時，只要采用力傳感器就可以了。所以了解基本物理量和派生物理量的關(guān)系，對于系統(tǒng)使用何種傳感器是很有幫助的。

 

四、根據(jù)敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系(或按是否需外加能源)來分：

 

a、能量轉(zhuǎn)換型(有源式、自源式、發(fā)電式)：在進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換時不需要另外提供能量，直接由被測對象輸入能量，把輸入信號能量變換為另一種形式的能量輸出使其工作。有源傳感器類似一臺微型發(fā)電機(jī)，它能將輸入的非電能量轉(zhuǎn)換成電能輸出，傳感器本身勿需外加電源，信號能量直接從被測對象取得。因此只要配上必要的放大器就能推動顯示記錄儀表。

 

如：壓電式、壓磁式、電磁式、電動式、熱電偶、光電池、霍爾元件、磁致伸縮式、電致伸縮式、靜電式等傳感器。

 

這類傳感器中，有一部分能量的變換是可逆的，也可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或其它非電量。如壓電式、壓磁式、電動式傳感器等。　

 

b、能量控制型(無源式、他源式、參量式)：在進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換時，需要先供給能量即從外部供給輔助能源使傳感器工作，并且由被測量來控制外部供給能量的變化等。對于無源傳感器，被測非電量只是對傳感器中的能量起控制或調(diào)制作用，得通過測量電路將它變?yōu)殡妷夯螂娏髁浚缓筮M(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大，以推動指示或記錄儀表。配用測量電路通常是電橋電路或諧振電路。

 

如：電阻式、電容式、電感式、差動變壓器式、渦流式、熱敏電阻、光電管、光敏電阻、濕敏電阻、磁敏電阻等。

 

五、按傳感器的特殊性來分：

 

上面介紹的分類是傳感器的基本類型，按特殊性可分以下類型：

 

按檢測功能可分為檢測溫度、壓力、溫度、流量計、流速、加速度、磁場、光通量等的傳感器；

 

按傳感器工作的物理基礎(chǔ)可分為機(jī)械式、電氣式、光學(xué)式、液體式等；

 

按轉(zhuǎn)換現(xiàn)象的范圍可分為化學(xué)傳感器、電磁學(xué)傳感器、力學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器；

 

按材料可分為金屬、陶瓷、有機(jī)高分子材料、半導(dǎo)體傳感器等；

 

按應(yīng)用領(lǐng)域分為工業(yè)，民用、科研、醫(yī)療，農(nóng)用，軍用等傳感器；　

 

按功能用途分為計測用、監(jiān)視用、檢查用，診斷用、控制用，分析用等傳感器。

 

六、按輸出信號的性質(zhì)分：

 

模擬式傳感器：將被測非電量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電壓或電流，如要求配合數(shù)字顯示器或數(shù)字計算機(jī)，需要配備模／數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換裝置。

 

上面提到的傳感器基本上屬于模擬傳感器。　

 

b、數(shù)字式傳感器：能直接將非電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，可以直接用于數(shù)字顯示和計算，可直接配合計算機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)，適宜距離傳輸?shù)葍?yōu)點。

 

目前這類傳感器可分為脈沖、頻率和數(shù)碼輸出三類。如光柵傳感器等。

 

3、按照傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)在信號變換過程中是否發(fā)生變化可分為：

 

a、物性型傳感器：在實現(xiàn)信號的變換過程中，結(jié)構(gòu)參數(shù)基本不變，而是利用某些物質(zhì)材料(敏感元件)本身的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化而實現(xiàn)信號變換的。

 

這種傳感器一般沒有可動結(jié)構(gòu)部分，易小型化，故也被稱作固態(tài)傳感器，它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。如：熱電偶、壓電石英晶體、熱電阻以及各種半導(dǎo)體傳感器如力敏、熱敏、濕敏、氣敏、光敏元件等。　

 

b、結(jié)構(gòu)型傳感器：依靠傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸(即結(jié)構(gòu)參數(shù))的變化而將外界被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變化，實現(xiàn)信號變換，從而檢測出被測信號。

 

如：電容式、電感式、應(yīng)變片式、電位差計式等。

 

七、按作用形式來分：

 

按作用形式可分為主動型和被動型傳感器。

 

主動型傳感器又有作用型和反作用型，此種傳感器對被測對象能發(fā)出一定探測信號，能檢測探測信號在被測對象中所產(chǎn)生的變化，或者由探測信號在被測對象中產(chǎn)生某種效應(yīng)而形成信號。檢測探測信號變化方式的稱為作用型，檢測產(chǎn)生響應(yīng)而形成信號方式的稱為反作用型。雷達(dá)與無線電頻率范圍探測器是作用型實例，而光聲效應(yīng)分析裝置與激光分析器是反作用型實例。

 

被動型傳感器只是接收被測對象本身產(chǎn)生的信號，如紅外輻射溫度計、紅外攝像裝置等　

 

八、按傳感器構(gòu)成來分：

 

a、基本型傳感器：是一種最基本的單個變換裝置。

 

b、組合型傳感器：是由不同單個變換裝置組合而構(gòu)成的傳感器。

 

c、應(yīng)用型傳感器：是基本型傳感器或組合型傳感器與其他機(jī)構(gòu)組合而構(gòu)成的傳感器。

 

例如：熱電偶是基本型傳感器，把它與紅外線輻射轉(zhuǎn)為熱量的熱吸收體組合成紅外線輻射傳感器，即一種組合傳感器；把這種組合傳感器應(yīng)用于紅外線掃描設(shè)備中，就是一種應(yīng)用型傳感器。