智能傳感器將中國制造向中國智造轉變

 

　　我們已經進入了信息技術高速發展的時代，智能感應就是其中必不可少而且至關重要的技術。傳感器作為信息產業的神經觸角，把人們從“通信時代”帶到了“感知時代”。傳感器是數據采集的重要工具，是新技術革命和信息社會的重要技術基礎，廣泛應用于航天、航空、國防、科技、工農業生產等各個領域。基于微機電系統技術的智能傳感器代表了傳感器的主要發展方向，其技術進步不僅可以提高產品的智能化水平，還可以促進中國制造業向中國智能制造的發展。2010年后，中國已經成為工業制造大國，但我們必須清醒地認識到中國制造業大而不強、不可持續的現狀。這些問題主要集中在自主創新能力弱、產業價值低、生產效率低、產業結構和產品質量不合理等方面。中國政府高度重視制造業的發展，《中國制造2025》標志著中國制造業由大變強的第一步，其中智能制造被定位為中國制造業的主要方向，與德國工業4.0和美國工業互聯網相對應。工業和信息化部副部長毛偉明，指出：“傳感技術、計算技術和通信技術應該統稱為信息技術領域的三大支柱。以傳感器為代表的傳感制造將是未來重要的戰略性新興產業，信息系統的源頭，自動化和智能化的核心。”

 

　　傳統傳感器弊端凸顯

　　傳感器與中國制造聯系緊密。傳感器屬于基礎零部件，是工業的基石、性能的關鍵和發展的瓶頸，其重要性不言而喻。傳感器具有使用量大，應用面廣的特點，在工業生產制造中起到了承上啟下的作用。目前，在中國制造企業中，利用傳感器對數據進行采集、處理和傳輸已經不是新鮮事，但是傳統的傳感器存在兩方面的問題：

　　1．性能方面

　　傳統傳感器基本屬于低端基礎類別，反應較慢、精度不高、穩定性差、體積偏大、對惡劣工業場所（高溫、粉塵、潮濕、電磁干擾等）的適應能力不強、能耗偏高、技術含量低和壽命偏短等問題。而現代工業控制要確保生產設備高質量和高效率的運行，內置的傳感器不僅要求能夠實現通信，還要足夠精準和穩定。在不同的工業領域應用場景中，有的精密儀器或設備本身體積就很小，這也對傳感器微型化提出了更高的要求。

　　2．功能方面

　　傳統在數據采集的過程中，只能采用相同的工作原理，以數據形式記錄物理變量，再將采集的數據發送至設備控制器，無法實現在前端自動地、智能地收集、提供和分析海量的工業數據的功能，更不能時刻與互聯網或云端進行信息互通。大數據分析作為實現智能制造的基礎，它要求傳感器必須更智能化地運作，這對大數據和工業自動化融合至關重要，也是實現智能制造的突破口。

所以，傳統傳感器已經不能滿足現代制造業生產的需求，傳感器向智能化發展勢在必行。

 

　　智能傳感器的優勢

　　智能傳感器的概念最早由美國宇航局在研發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、驅動程序、軟件算法等于一體的系統級產品。智能傳感器與傳統傳感器相比，它具有對外界環境等信息進行自動收集、數據處理、邏輯判斷、功能計算以及自診斷、自校準、自補償與自適應的能力，擁有更高的精度、更好的穩定性與更強的環境適應能力。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，而且能實現更高數據層的通信，附加的數據或軟件系統接口讓傳感器可以執行新的分析任務及新的功能。這些能力可提高生產的靈活性、質量、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據更加緊湊、實用，數據資源的利用效率也越高，得到的數據處理結果也更加準確。在內部對數據直接進行預處理、壓縮和濾波的智能傳感器能更好的滿足智能制造的要求。隨著應用的深化發展，智能傳感器正逐漸向微型化、數字化、智能化、系統化、網絡化、移動互聯網化等方向發展。

 

　　智能傳感器的應用

　　在智能工廠里，無論是智能機器人，還是智能化生產線、自動化生產設備，它們的工作流程基本都是數據采集、分析和處理，很多工作都是由智能傳感器來共同協作完成的。智能傳感器不僅能夠提供生產控制的實時監測數據，還可以提供預警和狀態監控，使現場設備透明并實時可控。 在漢諾威工業博覽會上，ABB展示了一種智能傳感器，通過該傳感器，每臺電動機的有關運行狀態信息和狀態參數都能夠迅速而準確地被獲得，如振動、溫度或過載，同時可以測量能源消耗，精確度為10％，同時將數據無線傳輸至云服務器中，通過專門開發的軟件轉化為可用信息以便進行分析，為客戶提供電動機維護的信息和建議。設備管理者可以隨時通過智能手機或電腦檢查其電動機的運行狀態，并可以根據實際需要進行計劃維護，不再單純依靠計劃進行維護，避免計劃外的停機，延長運行時間。預防性維護是一個非常重要的優勢，因為在生產過程中停機一個小時就意味著數萬歐元的損失。

 

 

　　智能傳感器的發展與制造業息息相關，智能傳感器發展水平已成為衡量一個國家是否具有國際競爭優勢的重要標志。為了實現中國制造業強國的目標，《中國制造2025》和《智能傳感器產業三年行動指南（2017－2019）》都對傳感器產業發展提出明確要求，大力發展具有自主知識產權的高端智能傳感器，為打造工業互聯網平臺和實現智能制造夯實基礎。智能傳感器作為物聯網重要感知器件，必將成為推動中國制造發展強有力的驅動力。

 

 

傳感器相關知識

 

一、按工作(檢測)原理分類　

 

檢測原理指傳感器工作時所依據的物理效應、化學效應和生物效應等機理。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、半導體式傳感器等。

 

如根據變電阻原理，相應的有電位器式、應變片式、壓阻式等傳感器；如根據電磁感應原理，相應的有電感式、差壓變送器、電渦流式、電磁式、磁阻式等傳感器；如根據半導體有關理論，則相應的有半導體力敏、熱敏、光敏、氣敏、磁敏等固態傳感器。

 

這種分類方法的優點是便于傳感器專業工作者從原理與設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聯方式(是否接觸)可分為：

 

a、接觸式：如：電位差計式、應變式、電容式、電感式等；

 

b、非接觸式：接觸式的優點是傳感器與被測對象視為一體，傳感器的標定無須在使用現場進行，缺點是傳感器與被測對象接觸會對被測對象的狀態或特性不可避免地產生或多或少的影響。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或環境的影響。因此傳感器標定必須在使用現場進行。

 

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換機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，應力、力矩等派生物理量．當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系，對于系統使用何種傳感器是很有幫助的。

 

四、根據敏感元件與被測對象之間的能量關系(或按是否需外加能源)來分：

 

a、能量轉換型(有源式、自源式、發電式)：在進行信號轉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電機，它能將輸入的非電能量轉換成電能輸出，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，也可以將電能轉換為機械能或其它非電量。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)：在進行信號轉換時，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制作用，得通過測量電路將它變為電壓或電流量，然后進行轉換、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可分為機械式、電氣式、光學式、液體式等；

 

按轉換現象的范圍可分為化學傳感器、電磁學傳感器、力學傳感器和光學傳感器；

 

按材料可分為金屬、陶瓷、有機高分子材料、半導體傳感器等；

 

按應用領域分為工業，民用、科研、醫療，農用，軍用等傳感器；　

 

按功能用途分為計測用、監視用、檢查用，診斷用、控制用，分析用等傳感器。

 

六、按輸出信號的性質分：

 

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

 

上面提到的傳感器基本上屬于模擬傳感器。　

 

b、數字式傳感器：能直接將非電量轉換為數字量，可以直接用于數字顯示和計算，可直接配合計算機，具有抗干擾能力強，適宜距離傳輸等優點。

 

目前這類傳感器可分為脈沖、頻率和數碼輸出三類。如光柵傳感器等。

 

3、按照傳感器的結構參數在信號變換過程中是否發生變化可分為：

 

a、物性型傳感器：在實現信號的變換過程中，結構參數基本不變，而是利用某些物質材料(敏感元件)本身的物理或化學性質的變化而實現信號變換的。

 

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

 

b、結構型傳感器：依靠傳感器機械結構的幾何形狀或尺寸(即結構參數)的變化而將外界被測參數轉換成相應的電阻、電感、電容等物理量的變化，實現信號變換，從而檢測出被測信號。

 

如：電容式、電感式、應變片式、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出一定探測信號，能檢測探測信號在被測對象中所產生的變化，或者由探測信號在被測對象中產生某種效應而形成信號。檢測探測信號變化方式的稱為作用型，檢測產生響應而形成信號方式的稱為反作用型。雷達與無線電頻率范圍探測器是作用型實例，而光聲效應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成的傳感器。

 

c、應用型傳感器：是基本型傳感器或組合型傳感器與其他機構組合而構成的傳感器。

 

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用于紅外線掃描設備中，就是一種應用型傳感器。